KR20180075281A - 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선체에 설치되고 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 압축하는 연료압축부, 상기 연료압축부에서 상기 엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부, 원료수를 공급하기 위한 원료수공급부, 상기 분기부에서 분기된 연료 및 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템, 및 상기 연료전지시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 연료전지시스템은 원료수를 전처리하기 위한 원료수처리부, 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 원료수처리부에서 전처리된 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부, 및 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 원료수처리부는 상기 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저를 포함하고, 상기 연료극(anode)은 상기 개질기로부터 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박에 관한 것이다.

Description

선박{Ship}
본 발명은 강, 바다와 같은 물에서 사람, 화물 등을 목적지까지 이송하기 위한 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 동력수단을 이용하여 물에서 이동할 수 있는 수단으로, 승객, 화물 등을 목적지까지 운송하기 위한 운송선, 어패류를 포획하기 위한 어선, 군사 목적으로 만들어진 군함 등 다양한 분야에서 이용된다. 이러한 선박에는 프로펠러와 같은 추진장치를 회전시키기 위한 엔진, 엔진에 공급하는 연료를 압축하는 연료압축기, 및 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저(Economizer)가 설치된다.
상기 연료압축기는 연료를 저장하는 연료저장탱크로부터 연료를 공급받아 연료를 압축한다. 예컨대, 상기 연료압축기는 펌프일 수 있다. 상기 연료압축기에 의해 압축된 압축연료는 관 또는 파이프 등을 통해 상기 엔진에 공급된다.
상기 이코노마이저는 상기 엔진에 연결되도록 설치되어, 엔진에서 배출되는 배기가스를 열원으로 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생산한다. 상기 이코노마이저는 배기가스를 이용하여 스팀(H2O)을 생산하는 배열회수증기발생기(Heat Recovery Steam Generator)에 포함된다. 상기 이코노마이저를 통해 생산된 스팀(H2O)은 난방용, 전기 생산 등 다양한 용도로 사용된다.
종래 기술에 따른 선박은 상기 이코노마이저와 같은 배열회수증기발생기(HRSG)가 생산한 스팀(H2O)을 이용하여 전기를 생산하기 위한 구동력을 발생시키는 터빈을 포함한다. 상기 터빈은 발전기와 연결되게 설치됨으로써, 발생시킨 구동력을 발전기에 제공하여 발전기가 전기를 생산하도록 한다.
그러나, 종래 기술에 따른 선박은 상기 터빈에 의해 생산되는 전기 생산량이 부족하므로, 전기장치를 충분하게 사용하지 못하는 문제가 있다. 또한, 종래 기술에 따른 선박은 상기 터빈이 손상 내지 파손되는 경우, 전기 생산이 중단되는 문제가 있다. 따라서, 전기 생산량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있는 선박의 개발이 절실히 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 전기 생산량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 선체에 설치되고, 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 압축하는 연료압축부; 상기 연료압축부에서 상기 엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부; 원료수를 공급하기 위한 원료수공급부; 상기 분기부에서 분기된 연료 및 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템; 및 상기 연료전지시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. 상기 연료전지시스템은 원료수를 전처리하기 위한 원료수처리부, 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 원료수처리부에서 전처리된 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 원료수처리부는 상기 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저를 포함할 수 있다. 상기 연료극(anode)은 상기 개질기로부터 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 상기 개질기에 공급되는 연료의 온도가 높아지도록 상기 이코노마이저에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 개질기에 공급되는 연료를 예열하기 위한 예열부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 상기 이코노마이저에 공급되는 원료수의 온도가 높아지도록 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 상기 이코노마이저로 공급되는 원료수를 가열하기 위한 가열부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 전처리하기 위한 원료수처리부, 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 압축하는 연료압축부에서 상기 엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부에서 공급되는 연료와 상기 원료수처리부에서 전처리된 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 원료수처리부는 상기 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저를 포함할 수 있다. 상기 연료극(anode)은 상기 개질기로부터 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 상기 개질기에 공급되는 연료의 온도가 높아지도록 상기 이코노마이저에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 개질기에 공급되는 연료를 예열하기 위한 예열부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 상기 이코노마이저에 공급되는 원료수의 온도가 높아지도록 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 상기 이코노마이저로 공급되는 원료수를 가열하기 위한 가열부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 연료압축부에서 엔진으로 공급되는 압축연료를 연료전지에 공급하도록 구현됨으로써, 연료전지에 연료를 공급하기 위한 압축기를 생략할 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산량을 증가시킬 수 있고, 스팀터빈이 손상 내지 파손되더라도 연료전지를 이용하여 전기를 생산할 수 있으므로 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 개념적인 구성도
도 4a, 도 4b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 4a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도
도 4b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도
도 6은 본 발명에 따른 선박의 개념적인 구성도
도 7은 본 발명에 따른 선박에서 연료압축부 및 분기부를 설명하기 위한 개략적인 구성도
도 8은 본 발명에 따른 선박에서 예열부를 설명하기 위한 개략적인 구성도
도 9는 본 발명에 따른 선박에서 가열부를 설명하기 위한 개략적인 구성도
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 개략적인 블록도, 도 2는 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지시스템의 개념적인 구성도, 도 4a, 도 4b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 4a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도, 도 4b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 선체(11)에 발전시스템(10)이 설치된다. 상기 선체(11)는 본 발명에 따른 선박(1)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 발전시스템(10)은 크게 엔진 배기시스템(100) 및 연료전지시스템(6)을 포함한다. 상기 엔진배기시스템(100)은 엔진(101), 배기리시버(102), 과급기(103) 및 스팀터빈(104)을 포함할 수 있다. 상기 엔진(101)은 상기 배기리시버(102) 및 상기 과급기(103)에 연결되게 설치된다. 여기서, 상기 엔진 배기시스템(100)의 엔진(101)은 디젤엔진 또는 가스엔진일 수 있다. 상기 연료전지시스템(6)은 크게 연료전지(61) 및 수소생성부(62)를 포함한다. 상기 연료전지시스템(6)은 상기 연료전지(61) 및 상기 수소생성부(62) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(63)를 포함하여 구현될 수도 있다.
상기 발전시스템(10)은 엔진 배기시스템(100), 연료압축부(2), 분기부(3), 원료수공급부(4), 전력변환부(5) 및 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)을 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 수소생성부(62)로부터 연료를 공급받고, 상기 수소생성부(62)는 엔진이 디젤엔진(101)일 경우 연료저장탱크(20)에 저장된 디젤연료를 상기 연료압축부(2) 및 상기 분기부(3)를 통해 공급받도록 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 엔진이 가스엔진일 경우, 연료저장탱크(20)에 저장된 가스연료를 상기 수소생성부(62)를 거치지 않고 상기 연료압축부(2) 및 상기 분기부(3)를 통해 직접 공급받을 수도 있다.
상기 엔진 배기시스템(100)은 엔진(101), 배기리시버(102), 과급기(103) 및 스팀터빈(104)을 포함한다.
상기 엔진 배기시스템(100)은 엔진을 사용하는 발전시스템에 포함되는 구성으로서, 엔진 연소실 내에서 발생하는 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질을 포함하는 배기가스를 정화시키고 배기가스의 열을 회수하여 외부로 배출하는 장치이다. 상기 엔진 배기시스템(100)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx) 등을 줄이기 위해 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 엔진 배기시스템(100)은 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 전달받는 배기리시버(102), 상기 배기리시버(102)에서 배출되는 엔진배기가스로 회전하여 상기 엔진(101)에 공급하는 공기를 압축하는 과급기(103), 및 상기 과급기(103)에서 배출되는 고온의 엔진배기가스의 폐열을 이용하여 생산된 스팀(H2O)으로 전기를 생산하기 위한 스팀터빈(104)을 포함하여 구현될 수 있다. 상기 스팀터빈(104)은 후술할 이코노마이저(6211)에 연결됨으로써, 상기 이코노마이저(6211)로부터 스팀(H2O)을 공급받을 수 있다. 상기 이코노마이저(6211)는 물을 증발시키기 위한 증발기(6211a)와 공기를 가열하는 가열기를 포함할 수 있다.
상기 엔진 배기시스템(100)의 엔진(101)은 연료를 저장하는 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 엔진이 디젤엔진(101)일 경우, 상기 디젤엔진(101)은 상기 연료저장탱크(20)로부터 디젤연료를 공급받을 수 있다. 상기 디젤연료는 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy Fuel Oil, HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 및 액화석유가스(LPG) 등이 될 수 있다. 상기 연료저장탱크(20)와 상기 엔진(101) 사이에는 연료압축부(2) 및 분기부(3)가 설치될 수 있다.
상기 과급기(103)는 상기 엔진(101)에 공기를 공급한다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 두 기체 등 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 과급기(103)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 과급기(103)는 상기 엔진(101)에서 배출되는 엔진배기가스를 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상기 과급기(103)는 상기 엔진배기가스로 구동력을 발생시켜 상기 엔진(101)에 공급하기 위한 공기를 압축할 수 있다. 상기 과급기(103)는 터빈 및 압축기를 포함할 수 있다.
상기 연료압축부(2)는 상기 선체(11)에 설치된다. 상기 연료압축부(2)는 상기 엔진(101)에 연료를 공급하기 위해 연료를 압축할 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 일측이 연료를 저장하는 연료저장탱크(20)에 연결되고, 타측이 엔진(101)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료압축부(2)는 상기 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받아 압축하여 상기 엔진(101)에 압축한 연료를 공급할 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 관 또는 파이프 등과 같은 관로를 통해 상기 연료저장탱크(20)와 상기 엔진(101)에 각각 연결될 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 임펠러(Impeller) 또는 펌프(Pump)일 수 있다.
상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)와 상기 엔진(101) 사이에 위치하도록 상기 연료압축부(2)와 상기 엔진(101)에 각각 결합된다. 상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)에서 상기 엔진(101)으로 공급되는 연료를 분기시키기 위한 것이다. 상기 연료는 상기 연료압축부(2)에 의해 압축된 압축연료일 수 있다. 상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)와 상기 엔진(101)을 연결하는 관로에 설치되어, 상기 관로를 따라 유동하는 연료를 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(3)에서 분기된 연료는 후술할 연료전지시스템(6)의 개질기(622)로 공급될 수 있다. 상기 엔진(101)이 가스엔진일 경우, 상기 분기부(3)에서 분기된 연료는 연료전지시스템(6)의 연료극(Anode)(611b)에 공급될 수도 있다.
상기 원료수공급부(4)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현될 수 있다. 원료수는 예를 들어, 상수(上水), 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물의 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다.
상기 전력변환부(5)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력변환부(5)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전력변환부(5)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(5)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.
본 명세서에서,“선박”이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO) 등과 같은 해상 구조물을 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 연료, 물(H2O), 및 공기를 이용하여 전기를 생산한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 연료전지시스템(6)에 공기를 공급하기 위한 공기공급부(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 공기공급부(30)는 후술할 연료전지시스템(6)의 연소기(623) 및 공기극(Cathode)(611a)에 공기를 공급할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 가정이나 자동차와 같은 소형 구조물에 사용될 수 있고, 선박 등과 같이 대형 구조물에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 연료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 시스템과 연동하도록 구현될 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 연료전지(61), 및 수소생성부(62)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 연료전지(61), 상기 수소생성부(62) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(63)를 포함하여 구현될 수도 있다. 본 명세서에서는 수소생성부(62)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(62)에서 생성되어 연료전지(61)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
상기 연료전지(61)는 상기 수소생성부(62)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(61)는 개질기(622)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 상기 공기공급부(30)에서 공급된 공기와의 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(61)는 연료전지 스택(stack)을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 공기극(cathode)(611a)과 연료극(anode)(611b) 사이에 전해질(electrolyte)층(611c)이 형성되고, 연료극(anode)(611b)과 공기극(cathode)(611a)에는 수소공급 및 공기공급, 열회수를 위한 분리판(separator)이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다. 여기서, 상기 연료극(anode)(611b)은 상기 개질기(622)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(622)는 상기 분기부(3)에서 분기되어 공급되는 압축연료, 및 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시킴으로써, 수소가 포함된 연료를 생산할 수 있다. 상기 연료극(anode)(611b)은 엔진이 가스엔진일 경우, 상기 개질기(622)를 거치지 않고 상기 분기부(3)로부터 직접 압축연료를 공급받을 수도 있다.
상기 연료전지(61)는 온도센서와 온도 유지용 기기. 즉 히터나 공기극 팬과 연료극 팬, 냉각판 등을 포함할 수 있다. 상기 온도센서는 연료전지 스택의 온도, 공기극(cathode)(611a)의 온도, 연료극(anode)(611b)의 온도를 센싱한다. 상기 히터에 의해 연료전지를 가열하여 운전에 필요한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 상기 공기극 팬은 연료전지 스택의 공기극(cathode)(611a)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 연료극 팬은 연료전지 스택의 연료극(anode)(611b)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 공기극 팬 및 연료극 팬은 연료전지 스택에 사용되는 열교환기의 일부 구성으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(6)이 제어부(63)를 포함하는 경우, 상기 제어부(63)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 히터나 공기극 팬과 연료극 팬을 제어하여 상기 연료전지(61)의 운전온도를 적절하게 유지한다. 예를 들어, 제어부(63)는 인산형 연료전지(PAFC)의 경우 운전온도를 190∼210℃로 유지하며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 경우 운전온도를 550∼650℃로 유지하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 운전온도를 650∼1000℃로 유지하며, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 운전온도를 30∼80℃로 유지하도록 한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 구비되는 연료전지(61)의 동작을 도 4a, 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도이고, 도 4b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도이다.
먼저, 도 4a를 참조하면 고체산화물 연료전지(SOFC)(611)는 공기극(cathode)(611a)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(611c)을 통해 연료극(anode)(611b)으로 이동한다. 연료극(anode)(611b)에서는 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(611c)을 통해 연료극(anode)(611b)으로 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응하여 물(H20)과 전자(e-)가 생성된다. 공기극(cathode)(611a)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(611a)과 연료극(anode)(611b)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고체산화물 연료전지(SOFC)(611)는 연료극(anode)(611b)에 공급된 연료 중 포함될 수 있는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H20)을 배출한다. 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)(611)의 공기극(cathode)(611a)에서는 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다.
도 4b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(612)는 연료극(anode)(612a)에 형성된 촉매층(612b)에서 수소(H2)가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 생성된다. 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)(612c)을 통해 공기극(cathode)(612d)으로 이동한다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(612)는 공기극(cathode)(612d)에 형성된 촉매층(612e)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 물(H20)을 생산한다. 연료극(anode)(612a)에 형성된 촉매층(612b)과 공기극(cathode)(612d)에 형성된 촉매층(612e)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고분자전해질 연료전지(PEMFC)(612)는 연료극(anode)(612a)의 촉매층(612b)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(612)는 공기극(cathode)(612d)에서 미반응 산소와 물(H20)을 배출한다.
그 외에 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 연료극(anode)에서 수소(H2)와 탄산이온(CO3 2-)이 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2), 전자(e-)가 생성된다. 생성된 이산화탄소(CO2)는 공기극(cathode)으로 보내지게 되고, 공기극(cathode)에서 이산화탄소(CO2)와 산소(O2)가 반응하여 탄산이온(C03 -2)을 생산한다. 탄산이온(C03 -2)은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)에서는 전기를 생성하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 외부로 배출하지 않고 연료전지 내부에서 순환되도록 구현될 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 상기 수소생성부(62)는 원료를 이용하여 연료전지(61)의 연료극(anode)(611b)에 필요한 연료, 즉 수소(H2) 가스를 생성하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서는 상기 수소생성부(62)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(62)에서 생성되어 상기 연료전지(61)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
수소생성부(62)는 연료전지(61)의 종류에 따라 또는 전기 생성 효율 향상을 위해 그 구조가 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지(61)가 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우, 상기 수소생성부(62)는 개질기(Reformer)와 연소기를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지(61)가 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 상기 수소생성부(62)는 개질기(Reformer)와 연소기 외에도 수성가스화반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
상기 수성가스화반응기(WGS)는 고온 수성가스화반응기(HTS, High-Temperature Shift Reactor), 중온 수성가스화반응기(MTS, Mid-Temperature Shift Reactor), 저온 수성가스화반응기(LTS, Low-Temperature Shift Reactor), 또는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 상기 일산화탄소 제거기는 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다.
도 5를 참고하여 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 있어서, 상기 수소생성부(62)의 일례를 살펴보면, 다음과 같다.
상기 수소생성부(62)는 원료수처리부(621), 개질기(Reformer)(622) 및 연소기(623)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 원료수처리부(621)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수처리부(621)는 예를 들어, 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 개질기(Reformer)(622)로 공급한다. 상기 원료수처리부(621)는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 이코노마이저(6211)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 원료수처리부(621)는 연소기(623)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 원료수를 가열하는 열교환기를 포함하여 구현될 수도 있다. 또한, 상기 원료수처리부(621)는 연료전지 시스템의 배기가스나 증기 내에 포함된 수분(물방울)을 분리하는 기수분리기(steam separator)를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수처리부(621)는 원료수를 연료전지 시스템에서 요구하는 순도를 유지하기 위해 활성탄, 이온제거용 수지 등을 이용할 수도 있으며, 이를 측정하는 센서 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다른 예로, 원료수처리부(621)에 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다.
상기 개질기(Reformer)(622)는 상기 분기부(3)에서 분기되어 공급되는 연료 및 상기 원료수처리부(621)로부터 공급된 스팀(H20)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(622)는 상기 연소기(623)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 개질기(622)에서 나오는 개질가스를 연료로 정의한다.
상기 개질기(Reformer)(622)는 개질반응을 촉발시키는 개질촉매층을 포함하여 구현된다. 개질촉매층은 개질촉매가 담체에 담지된 촉매를 충전한 구조로 이루어진다. 개질촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 세라믹, 내열성금속 등, 예컨대 알루미나(Al2O3)나 티타니아(TiO2) 등이 될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 있어서, 상기 개질기(622)는 상기 연료전지(61)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(61)는 외부 개질형으로 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 있어서, 상기 개질기(622)는 상기 연료전지(61)의 내부에 개질촉매층의 형태로 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 연료전지(61)는 내부 개질형으로 구현된다.
상기 연소기(623)는 상기 개질기(Reformer)(622)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(623)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(622)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(622) 내에 발생한다. 상기 연소기(623)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(622)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다.
상기 연소기(623)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 연료저장탱크(20)에서 공급되는 원료, 상기 연료전지(61)의 연료전지 스택의 연료극(anode)(611b)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 연료로 사용할 수 있다. 상기 연소기(623)는 과급기(103) 및 공기공급부(30) 중 적어도 하나로부터 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 있어서, 상기 연소기(623)는 추가로 상기 연료전지(61)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)(611a)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(62)는 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도센서는 개질기(Reformer)(622)의 온도를 검출한다. 상기 개질기(Reformer)(622)의 온도는 상기 개질기(Reformer)(622)의 구성 및 상기 분기부(3)에서 공급되는 연료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템(6)이 상기 제어부(63, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(63)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 연소기(623)의 원료 연소량을 증감시켜 상기 개질기(Reformer)(622)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(63)는 최적 온도 범위에 대하여 ±20℃ 정도의 범위 내로 제어하도록 구현될 수 있다.
여기서, 상기 개질기(Reformer)(622)에서 개질반응을 통해 발생하는 가스에는 수소(H2)뿐 아니라 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된다. 상기 연료전지(61)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(61)의 수명을 단축시킨다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 10 ∼ 20 ppm 이하로 줄이기 위해, 상기 수소생성부(62)는 수성가스화반응기(WGS)(624)를 더 포함할 수 있다.
상기 수성가스화반응기(WGS)(624)는 일산화탄소(CO)와 스팀(H20)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(624)는 도 5에 도시한 바와 같이 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류에 따라 다르고, 제어온도의 평형에 의해서 배출되는 가스의 조성이 결정된다. 도 5에 도시하지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)이 제어부(63, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(63)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)는 300∼430℃ 범위 내에서 제어되고, 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)는 200∼250℃ 범위 내에서 제어된다.
도시되지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)(624)는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 일산화탄소 제거기는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 완전히 처리되지 않고 남은 극소량의 일산화탄소(CO)를 제거한다. 상기 일산화탄소 제거기는 공기공급부로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 배출되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다.
상기 선택적산화반응기(PROX)는 냉각기와 온도센서가 설치된다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템(6)이 상기 제어부(63, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(63)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 선택적산화반응기(PROX)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 선택적산화반응기(PROX)는 120∼160℃ 범위 내에서 제어된다. 그러나, 상기 선택적산화반응기(PROX)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류 및 사용방법 등의 조건에 따라 다르게 설정된다.
상기 선택적산화반응기(PROX)의 촉매층은 선택적산화촉매를 담지하는 담체가 충전된 구조로 이루어진다. 선택적산화촉매는 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 예컨대 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 등이 될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박(1)을 실시예에 따라 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 본 발명에 따른 선박(1)에 포함되므로, 본 발명에 따른 선박(1)을 설명하면서 함께 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 선박의 개념적인 구성도, 도 7은 본 발명에 따른 선박에서 연료압축부 및 분기부를 설명하기 위한 개략적인 구성도, 도 8은 본 발명에 따른 선박에서 예열부를 설명하기 위한 개략적인 구성도, 도 9는 본 발명에 따른 선박에서 가열부를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 엔진(101), 배기리시버(102), 과급기(103), 스팀터빈(104), 연료저장탱크(20), 연료압축부(2), 분기부(3), 물탱크(4), 전력변환부(5) 및 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)을 포함한다. 상기 연료전지시스템(6)은 연료전지(61), 수소생성부(62) 및 제어부(63)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 수소생성부(62)는 원료수처리부(621), 개질기(622) 및 연소기(623)를 포함할 수 있다. 상기 연료전지(61)는 연료를 공급받는 연료극(anode)(611b)과 공기를 공급받는 공기극(cathode)(611a)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(6)에 있어서, 연료극(anode)(611b)은 상기 연료압축부(2)에서 상기 엔진(101)으로 공급되는 압축연료를 공급받을 수 있다. 예컨대, 상기 연료극(anode)(611b)은 상기 분기부(3)에서 분기되어 상기 개질기(622)에 공급된 압축연료, 및 상기 이코노마이저(6211)에서 상기 개질기(622)로 공급된 스팀(H2O)이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받을 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(622)가 공급받는 압축연료는 상기 연료압축부(2)에서 상기 엔진(101)으로 공급되는 압축연료를 제외한 나머지 압축연료일 수 있다. 즉, 상기 연료극(anode)(611b)은 상기 연료압축부(2)가 압축한 압축연료 중 일부를 공급받을 수 있다. 상기 연료극(anode)(611b)은 상기 분기부(3)가 상기 개질기(622)에 연결된 관로 및 상기 엔진(101)에 연결된 관로를 각각 개방하는 정도에 따라 공급받는 연료의 양이 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 분기부(3)가 상기 엔진(101)에 연결된 관로를 폐쇄하고 상기 개질기(622)에 연결된 관료를 개방하면, 상기 연료압축부(2)가 압축한 압축연료는 상기 개질기(622)로 전부 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 연료극(anode)(611b)은 상기 개질기(622)가 압축연료를 일부만 공급받는 경우에 비해 수소가 포함된 연료를 더 많이 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지(61)는 상기 개질기(622)에 공급되는 압축연료의 양이 많을수록 전기 생산량을 더 증가시킬 수 있다. 상기 연료극(anode)(611b)은 엔진(101)이 가스엔진일 경우 상기 개질기(622)를 거치지 않고 상기 분기부(3)로부터 직접 연료를 공급받을 수도 있다.
상기 배기리시버(102)는 상기 엔진(101)에서 배출되는 엔진배기가스를 공급받기 위한 것이다. 상기 배기리시버(102)는 관로를 통해 일측이 상기 엔진(101)에 연결되고, 타측이 상기 과급기(103)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 배기리시버(102)에서 배출되는 엔진배기가스는 상기 과급기(103)로 공급될 수 있다.
상기 과급기(103)는 선체(11)에 설치된다. 상기 과급기(103)는 엔진(101)에서 배출되는 엔진배기가스를 이용하여 상기 엔진(101)에 공급되는 공기를 압축하기 위한 것이다. 예컨대, 상기 과급기(103)는 터보차저(Turbo Charger)일 수 있다. 상기 과급기(103)는 터빈 및 압축기를 포함할 수 있다. 상기 터빈과 상기 압축기는 터빈의 회전력을 전달하기 위한 동력전달축으로 연결될 수 있다.
상기 터빈은 상기 압축기를 동작시키기 위한 구동력을 발생시킬 수 있다. 상기 터빈은 상기 배기리시버(102)를 통해 공급되는 엔진배기가스가 터빈날개를 지나가도록 함으로써, 상기 터빈날개를 회전시켜 구동력을 발생시킬 수 있다. 상기 터빈날개가 회전함에 따라 상기 동력전달축으로 연결된 압축기가 구동력을 제공받아 공기(Air)를 압축할 수 있다. 상기 터빈에서 배출되는 엔진배기가스는 상기 이코노마이저(6211)로 공급될 수 있다.
상기 압축기는 상기 터빈으로부터 구동력을 제공받아 외부에 존재하는 공기(Air)를 압축할 수 있다. 상기 압축기가 공기를 압축하는 압축률은 상기 터빈이 제공하는 구동력의 크기에 비례할 수 있다. 상기 압축기에 의해 압축된 압축공기는 상기 엔진(101) 및 상기 공기극(cathode)(611a) 중 적어도 하나로 공급될 수 있다.
상기 이코노마이저(6211)는 물탱크(4)에서 공급되는 물을 가열한다. 상기 이코노마이저(6211)는 상기 물탱크(4)로부터 펌프 등에 의해 물을 공급받을 수 있다. 상기 이코노마이저(6211)는 상기 물탱크(4)와 스팀터빈(104) 사이에 설치된다. 상기 이코노마이저(6211)는 상기 과급기(103)로부터 배출되는 엔진배기가스의 폐열을 열원으로 상기 물탱크(4)에서 공급되는 물을 가열할 수 있다. 따라서, 상기 이코노마이저(6211)는 상기 스팀터빈(104)에 스팀(H20)을 공급할 수 있다. 상기 엔진(101)은 상기 연료저장탱크(20)에 연결되게 설치되어, 수소를 포함하는 원료를 공급받아 추진력을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 상기 수소를 포함하는 원료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 및 액화석유가스(LPG) 등과 같은 원료일 수 있다. 상기 엔진(101)은 상기 이코노마이저(6211)에 연결되게 설치되어, 엔진배기가스를 상기 이코노마이저(6211)로 배출할 수 있다. 상기 이코노마이저(6211)는 상기 엔진(101)의 배기리시버(102)와 배기 출구 사이에 설치된다. 상기 배기리시버(102)는 상기 엔진(101)의 엔진배기가스가 배출되는 관로이다. 상기 이코노마이저(6211)와 상기 배기리시버(102) 사이에는 과급기(103)가 설치될 수 있다. 상기 과급기(103)는 터보차저(Turbocharger) 또는 파워터빈이라고도 하며, 상기 배기리시버(102)를 통과한 엔진배기가스의 배출속도를 증가시키는 장치이다. 도시하지 않았지만, 상기 과급기(103)의 후단에는 상기 과급기(103)로부터 배출되는 엔진배기가스가 함유된 질소산화물(NOx)을 저감하기 위한 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 과급기(103)에서 배출되는 엔진배기가스는 상기 이코노마이저(6211)을 통해 외부로 배출된다. 상기 이코노마이저(6211)는 입구관, 고압 증발기, 중간관, 저압 증발기, 및 출구관을 포함하여 구성된다. 상기 입구관은 상기 과급기(103)에 접속되어 상기 엔진(101)으로부터 배출되는 엔진배기가스를 상기 고압 증발기로 안내한다. 상기 중간관은 상기 고압 증발기에서의 열교환 후의 엔진배기가스를 저압 증발기로 안내한다. 상기 출구관은 저압 증발기에서의 열교환 후의 엔진배기가스를 배기 출구로 안내한다. 상기 물탱크(4)에서 공급되는 물은 상기 고압 증발기 및 상기 저압 증발기를 거치면서 상기 엔진(101)에서 배출되는 고온의 엔진배기가스와 열교환된다. 상기 이코노마이저(6211)에서 열교환됨에 따라 상변화된 스팀(H20)은 상기 스팀터빈(104) 및 개질기(622)로 공급된다. 상기 스팀터빈(104)에 공급된 스팀(H20)은 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 상기 개질기(622)에 공급된 스팀(H20)은 상기 분기부(3)를 통해 공급되는 압축연료와 함께 개질반응될 수 있다.
상기 연료압축부(2)는 상기 선체(11)에 설치된다. 상기 연료압축부(2)는 상기 엔진(101)에 연료를 공급하기 위해 연료를 압축할 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 일측이 연료를 저장하는 연료저장탱크(20)에 연결되고, 타측이 엔진(101)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료압축부(2)는 상기 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받아 압축하여 상기 엔진(101)에 압축한 연료를 공급할 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 관 또는 파이프 등과 같은 관로를 통해 상기 연료저장탱크(20)와 상기 엔진(101)에 각각 연결될 수 있다. 상기 연료압축부(2)는 임펠러(Impeller) 또는 펌프(Pump)일 수 있다.
상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)와 상기 엔진(101) 사이에 설치된다. 상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료를 분기시키기 위한 것이다. 상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료가 상기 엔진(101), 상기 개질기(622)로 각각 공급되도록 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료를 분기시킬 수 있다. 예컨대, 상기 분기부(3)는 상기 연료압축부(2), 상기 엔진(101) 및 상기 개질기(622)에 각각 관 또는 파이프와 같은 관로를 통해 연결될 수 있다. 상기 분기부(3)는 상기 관로들의 유로를 개방하거나 폐쇄함으로써, 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료가 상기 엔진(101) 및 상기 개질기(622) 중 적어도 한 곳으로 공급되도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 분기부(3)는 삼방밸브(Three Way Valve)일 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(622)는 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료 중 일부를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(622)는 상기 엔진(101)에 공급되는 연료를 제외한 나머지 잔여 연료를 공급받을 수 있다. 상기 분기부(3)는 상기 엔진(101)으로 공급되는 연료를 차단하고 상기 개질기(622)로 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료가 전부 공급되도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(622)는 잔여 연료를 공급받는 경우보다 더 많은 양의 연료를 공급받음으로써, 상기 연료전지(61)의 연료극(Anode)(611b)에 더 많은 양의 수소가 포함된 연료를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 연료전지(61)는 더 많은 양의 전기를 생산할 수 있다.
상기 스팀터빈(104)은 스팀(H20)을 이용하여 전기를 생산하기 위한 것이다. 상기 스팀터빈(104)은 관로를 통해 상기 이코노마이저(6211)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 스팀터빈(104)은 상기 이코노마이저(6211)로부터 스팀(H20)을 공급받을 수 있다. 상기 스팀터빈(104)은 다이어프램, 로터, 버켓, 발전기를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 다이어프램에는 고정익 구비되고, 상기 버켓에는 회전익이 구비된다. 상기 고정익은 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 스팀(H20)의 방향을 바꾸어 상기 회전익으로 유도하고, 상기 회전익은 상기 고정익으로부터 유도된 스팀(H20)에 의해 회전력을 발생시켜 로터를 회전시킨다. 상기 로터는 발전기에 연결되게 설치된다. 상기 발전기는 로터가 회전함에 따라 전기를 생산할 수 있다. 이에 따라, 상기 스팀터빈(104)은 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산할 수 있다. 상기 스팀터빈(104)에서 생산된 전기는 전기설비 또는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 공급될 수 있다. 상기 스팀터빈(104)은 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 스팀(H20)의 압력, 즉 증기압에 따라 전기 생산량이 달라진다. 예컨대, 상기 스팀터빈(104)은 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 증기압이 높으면 상기 로터가 더 빨리 회전됨으로써 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 상기 스팀터빈(104)을 거친 스팀(H20)은 온도 저하로 인해 물로 상변화되어 상기 물탱크(4)로 공급될 수 있다. 한편, 상기 이코노마이저(6211)에서 상기 스팀터빈(104)으로 공급되는 스팀(H20) 중 일부는 상기 개질기(622)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지(61)는 상기 개질기(622)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받음으로써 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 스팀터빈(104)이 손상 내지 파손되는 경우 상기 연료전지시스템(6)이 스팀(H20)을 공급받아 전기를 계속하여 생산할 수 있으므로, 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
상기 개질기(622)는 관로를 통해 상기 분기부(3)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(622)는 상기 분기부(3)에 의해 분기된 연료를 공급받을 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(622)는 상기 연료압축부(2)에 의해 압축된 연료를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(622)는 관로를 통해 상기 이코노마이저(6211)에 연결될 수 있다. 상기 개질기(622)는 상기 분기부(3)에서 공급된 연료 및 상기 이코노마이저(6211)로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시킴으로써, 상기 연료극(Anode)(611b)에 공급하기 위한 수소를 포함한 연료를 생산할 수 있다. 상기 개질기(622)는 상기 이코노마이저(6211)로부터 공급받는 스팀(H20)의 양에 따라 상기 연료극(Anode)(611b)에 공급하는 연료의 양이 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 이코노마이저(6211)에서 공급되는 스팀(H20)의 양이 많으면 수소의 양이 증가되므로, 상기 연료극(Anode)(611b)에 공급하기 위한 연료의 양이 많아질 수 있다. 상기 스팀터빈(104)이 손상 내지 파손된 경우 상기 개질기(622)는 상기 이코노마이저(6211)로부터 스팀(H20)을 전부 공급받을 수 있으므로, 상기 연료극(Anode)(611b)에 공급하는 연료의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 연료극(Anode)(611b)이 상기 연료압축부(2)가 압축한 연료 중 적어도 일부를 공급받을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 연료극(Anode)(611b)이 상기 연료압축부(2)가 압축한 압축연료를 일부 또는 전부 공급받을 수 있으므로, 상기 연료극(Anode)(611b)에 압축연료를 공급하기 위한 압축장치를 별도로 설치할 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 이코노마이저(6211)로부터 스팀(H2O)을 공급받고, 상기 연료압축부(2)로부터 압축된 연료를 공급받을 수 있으므로, 상기 스팀터빈(104)과 별도로 상기 연료전지(61)가 전기를 추가로 생산할 수 있어 전기 생산량을 증대시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 스팀터빈(104) 및 상기 개질기(622) 중 적어도 하나가 상기 이코노마이저(6211)를 통해 스팀(H20)을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 스팀터빈(104) 및 상기 개질기(622) 중 어느 하나가 손상 내지 파손되어도 전기를 계속하여 생산할 수 있으므로 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 예열부(7)를 더 포함할 수 있다.
상기 예열부(7)는 상기 분기부(3)에서 상기 개질기(622)로 공급되는 연료를 예열(豫熱)하기 위한 것이다. 상기 예열부(7)는 상기 분기부(3)와 상기 개질기(622) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 예열부(7)는 상기 분기부(3)에서 상기 개질기(622)로 유동하는 연료를 공급받을 수 있다. 상기 예열부(7)는 상기 이코노마이저(6211)의 후단에 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 예열부(7)는 상기 이코노마이저(6211)에서 물을 가열하고 배출되는 엔진배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 예열부(7)는 상기 이코노마이저(6211)에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 개질기(622)에 공급되는 연료를 예열할 수 있다. 예컨대, 상기 예열부(7)는 상기 분기부(3)와 상기 개질기(622)를 연결하는 관로, 및 상기 이코노마이저(6211)에서 배출된 엔진배기가스가 유동하는 관로를 근접 설치함으로써, 상기 연료와 상기 엔진배기가스가 서로 열교환하도록 하여 상기 연료를 가열할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 개질기(622)가 상기 예열부(7)에 의해 예열된 연료를 공급받을 수 있으므로, 상기 연료전지(61)의 전기 화학반응에 필요한 적정온도까지 온도를 높이기 위한 가열장치를 별도로 설치할 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 더 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공간 활용도를 더 증대시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(6)은 상기 개질기(622)가 상기 예열부(7)에 의해 예열된 연료를 공급받을 수 있으므로, 상기 연료전지(61)의 전기 화학반응에 필요한 적정온도까지 신속하게 도달할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 정전과 같은 비상상황에 신속하게 전기를 생산할 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 가열부(8)를 더 포함할 수 있다.
상기 가열부(8)는 상기 물탱크(4)에서 상기 이코노마이저(6211)로 공급되는 원료수. 즉, 물을 가열하기 위한 것이다. 상기 가열부(8)는 상기 물탱크(4)와 상기 이코노마이저(6211) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 가열부(8)는 상기 물탱크(4)에서 상기 이코노마이저(6211)로 유동하는 물을 공급받을 수 있다. 상기 가열부(8)는 상기 연료전지(61)와 상기 연소기(623) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 가열부(8)는 상기 연료전지(61)에서 배출되는 연료전지배기가스를 공급받을 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지배기가스는 상기 공기극(Cathode)(611a) 및 상기 연료극(Anode)(611b) 중 적어도 하나로부터 배출되는 것일 수 있다. 상기 가열부(8)는 상기 연료전지(61)에서 배출되는 연료전지배기가스를 열원으로 상기 이코노마이저(6211)에 공급되는 물을 가열할 수 있다. 예컨대, 상기 가열부(8)는 상기 물탱크(4)와 상기 개질기(622)를 연결하는 관로, 및 상기 연료전지(61)와 상기 연소기(623)를 연결하는 관로를 근접 설치함으로써, 상기 물과 상기 연료전지배기가스가 서로 열교환하도록 하여 상기 물을 가열할 수 있다. 이에 따라, 상기 이코노마이저(6211)는 가열된 물 및 스팀(H2O) 중 적어도 하나를 공급받을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 이코노마이저(6211)가 상기 가열부(8)에 의해 가열된 물 및 스팀(H2O) 중 적어도 하나를 공급받을 수 있으므로, 상기 가열부(8)를 거치지 않은 물을 공급받는 경우에 비해 상기 이코노마이저(6211)가 생산하는 스팀(H2O)의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 스팀터빈(104) 및 상기 개질기(622)에 공급하는 스팀(H2O)의 양을 증가시킬 수 있으므로, 상기 이코노마이저(6211)가 가열되지 않는 물을 공급받는 경우에 비해 전기 생산량을 더 증가시킬 수 있다.
도시되지 않았으나, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 예열부(7)와 상기 연소기(623)를 관로로 연결시킴으로써, 상기 예열부(7)에서 상기 연료를 예열시키고 배출되는 엔진배기가스를 상기 연소기(623)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 연소기(623)가 상기 개질기(622)의 개질반응에 필요한 열을 용이하게 공급하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 외부로 배출되는 배기가스의 양을 최소화시킴으로써 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)과 같은 오염물질이 환경을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 선박
2 : 연료압축부 3 : 분기부
4 : 원료수공급부 5 : 전력변환부
6 : 연료전지시스템 7 : 예열부
8 : 가열부 10 : 발전시스템
20 : 연료저장탱크 30 : 공기공급부
61 : 연료전지 62 : 수소생성부
63 : 제어부

Claims (6)

  1. 선체에 설치되고, 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 압축하는 연료압축부;
    상기 연료압축부에서 상기 엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부;
    원료수를 공급하기 위한 원료수공급부;
    상기 분기부에서 분기된 연료 및 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템; 및
    상기 연료전지시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
    상기 연료전지시스템은,
    원료수를 전처리하기 위한 원료수처리부, 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 원료수처리부에서 전처리된 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및
    연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 원료수처리부는 상기 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저를 포함하고,
    상기 연료극(anode)은 상기 개질기로부터 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질기에 공급되는 연료의 온도가 높아지도록 상기 이코노마이저에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 개질기에 공급되는 연료를 예열하기 위한 예열부를 포함하는 선박.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이코노마이저에 공급되는 원료수의 온도가 높아지도록 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 상기 이코노마이저로 공급되는 원료수를 가열하기 위한 가열부를 포함하는 선박.
  4. 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 전처리하기 위한 원료수처리부, 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 엔진으로 공급하는 연료를 압축하는 연료압축부에서 상기 엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부에서 공급되는 연료와 상기 원료수처리부에서 전처리된 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및
    연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하고,
    상기 원료수처리부는 상기 엔진에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 공급되는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저를 포함하며,
    상기 연료극(anode)은 상기 개질기로부터 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀이 개질반응되어 생성된 수소가 포함된 연료를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 개질기에 공급되는 연료의 온도가 높아지도록 상기 이코노마이저에서 배출되는 엔진배기가스를 열원으로 상기 개질기에 공급되는 연료를 예열하기 위한 예열부를 포함하는 연료전지시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이코노마이저에 공급되는 원료수의 온도가 높아지도록 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 열원으로 상기 원료수공급부에서 상기 이코노마이저로 공급되는 원료수를 가열하기 위한 가열부를 포함하는 연료전지시스템.
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