KR20180075285A - 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선체에 설치되고 물을 공급하기 위한 물공급부, 상기 물공급부와 이격되게 설치되고 전기를 생산하기 위한 복수개의 보조엔진, 상기 보조엔진들로부터 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 수요처가 요구하는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 복수개의 이코노마이저, 상기 이코노마이저들에 연결되게 설치되고 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 전기히터, 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 상기 보조엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부, 및 상기 분기부에서 공급되는 연료 및 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템을 포함하고, 상기 연료전지시스템은 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부, 및 연료극(Anode), 공기극(Cathode), 및 상기 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 전기히터에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되고, 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되는 배기가스의 양이 증가하도록 상기 보조엔진에서 상기 이코노마이저로 공급되는 보조엔진배기가스와 합류되어 상기 이코노마이저에 공급되는 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 메인엔진, 선박에 설치된 전기장치들이 사용하는 전기를 생산하기 위한 보조엔진, 메인엔진과 보조엔진에서 각각 배출되는 배기가스를 이용하여 스팀(H2O)을 생산하기 위한 이코노마이저(Economizer), 및 이코노마이저에서 배출되는 스팀으로 전기를 생산하기 위한 메인터빈이 설치된다. 상기 보조엔진은 메인엔진에 비해 용량이 작으므로 복수개가 설치된다. 상기 이코노마이저는 복수개가 상기 엔진들에 각각 연결되도록 설치되어, 각각의 엔진에서 배출되는 배기가스를 열원으로 물을 가열하여 스팀(H2O)으로 변화시킨다. 상기 이코노마이저를 통해 생산된 스팀(H2O)은 난방용, 연료유 가열, 전기 생산 등 다양하게 사용된다.
한편, 선박은 메인엔진이 가동하지 않을 경우, 보조엔진을 이용하여 스팀(H2O) 및 전기를 생산한다. 예컨대, 선박이 항해하지 않고 항구에 정박 중인 경우, 복수개의 보조엔진 중 일부의 보조엔진을 이용하여 스팀(H2O) 및 전기를 생산한다. 그러나, 일부의 보조엔진만으로는 스팀(H2O) 및 전기의 수요량을 충족시키지 못하는 문제가 있다.
종래 기술에 따른 선박은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 보조보일러를 선체에 추가로 설치한다. 상기 보조보일러는 연료를 연소시킬 때 발생하는 열로 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생산한 후 생산한 스팀(H2O)을 수요처에 추가로 공급하거나 상기 보조엔진에 연결되는 이코노마이저에 스팀(H2O)을 공급하여 전기 생산량을 증대시킨다. 그러나, 종래 기술에 따른 선박은 다음과 같은 문제가 있다.
첫째, 종래 기술에 따른 선박은 보조보일러가 연료저장부로부터 연료를 공급받아 연소시켜야 하므로 보조보일러의 크기가 크다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 선박은 공간이 제한되는 선체에서 상기 보조보일러가 차지하는 비중이 높아지게 되므로, 상기 보조보일러로 인해 선체 공간에 대한 손실이 증가하여 선체에 대한 공간 활용도를 저하시키는 문제가 있다.
둘째, 종래 기술에 따른 선박은 상기 보조보일러의 크기가 크므로, 주변에 설치된 장치들과 이격된 간격이 좁다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 선박은 상기 보조보일러와 상기 주변 장치 사이로 작업자가 진입하기 어려우므로, 상기 보조보일러 및 주변 장치들에 대한 유지보수 작업 및 교체 작업을 수행하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 선체에 대한 공간 활용도를 저하시키지 않으면서 정박 시에도 충분한 양의 스팀(H2O) 및 전기를 공급할 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 물을 공급하기 위한 물공급부; 상기 물공급부와 이격되게 설치되고, 전기를 생산하기 위한 복수개의 보조엔진; 상기 보조엔진들로부터 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 수요처가 요구하는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 복수개의 이코노마이저; 상기 이코노마이저들에 연결되게 설치되고, 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 전기히터; 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 상기 보조엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부; 및 상기 분기부에서 공급되는 연료 및 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템을 포함할 수 있다. 상기 연료전지시스템은 상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및 연료극(Anode), 공기극(Cathode), 및 상기 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 전기히터에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급될 수 있다. 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되는 배기가스의 양이 증가하도록 상기 보조엔진에서 상기 이코노마이저로 공급되는 보조엔진배기가스와 합류되어 상기 이코노마이저에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 전기히터는 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 저장하기 위한 전력저장부를 포함할 수 있다. 상기 전기히터는 상기 전력저장부에 연결되게 설치되되, 상기 수요처가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하는 경우 상기 전력저장부에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 전기를 생산하기 위한 복수개의 보조엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부에서 공급되는 연료와 상기 보조엔진들로부터 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 물을 공급하기 위한 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 수요처가 요구하는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 복수개의 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및 연료극(Anode), 공기극(Cathode), 및 상기 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 이코노마이저들에 연결되게 설치되고, 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 전기히터에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급될 수 있다. 상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되는 배기가스의 양이 증가하도록 상기 보조엔진에서 상기 이코노마이저로 공급되는 보조엔진배기가스와 합류되어 상기 이코노마이저에 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템에 있어서, 상기 전기히터는 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템은 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 저장하기 위한 전력저장부를 포함할 수 있다. 상기 전기히터는 상기 전력저장부에 연결되게 설치되되, 상기 수요처가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하는 경우 상기 전력저장부에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 연료전지를 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 전기 생산량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 보조엔진에서 배출되는 보조엔진배기가스와 합류시켜 이코노마이저에 공급하도록 구현됨으로써 스팀(H2O) 생산량을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 전기히터 및 연료전지를 이용하여 스팀(H2O)을 생산하도록 구현됨으로써, 정박시에도 충분한 양의 스팀(H2O)을 수요처에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 보조보일러를 생략시킬 수 있으므로 선체에 대한 공간 활용도를 높여 탑승객 및 화물의 선적량을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 전기히터가 보조보일러에 비해 크기가 작으므로 주변 장치들과 이격된 간격을 넓힐 수 있으므로, 전기히터 및 주변 장치들에 대한 유지보수 작업 및 교체 작업을 용이하게 수행하도록 할 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 연료전지시스템을 설명하기 위한 개략적인 블록도
도 8은 본 발명에 따른 선박에서 복수개의 보조엔진 중 일부만 작동하는 경우를 설명하기 위한 개략적인 블록도
도 9는 본 발명에 따른 선박에서 전력저장부를 설명하기 위한 개략적인 블록도
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 선체에 설치되는 복수개의 보조엔진 중 일부만 작동하는 경우에도 스팀(H2O) 및 전기를 충분하게 공급하기 위한 것이다. 특히, 본 발명에 따른 선박(1)은 연료전지를 이용함으로써 전기 생산량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스를 보조엔진에서 배출되는 보조엔진배기가스와 합류시켜 이코노마이저에 공급하도록 구현됨으로써 스팀(H2O) 생산량을 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박(1)은 보조보일러에 비해 크기가 작은 전기히터를 이용함으로써 보조보일러를 이용하는 경우에 비해 선체의 공간 활용도를 증대시킬 수 있고 전기히터와 전기히터의 주변에 설치되는 주변장치들에 대한 유지보수 작업 및 교체 작업을 원활하게 수행하도록 할 수 있다.
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(7)을 포함한다. 상기 엔진배기시스템(100)은 메인엔진(101), 메인이코노마이저(102), 스팀터빈(103), 보조엔진(3) 및 이코노마이저(4)를 포함할 수 있다. 상기 메인엔진(101)은 상기 메인이코노마이저(102)에 연결되게 설치되고, 상기 메인이코노마이저(102)는 상기 스팀터빈(103)에 연결되게 설치된다. 상기 보조엔진(3)은 상기 이코노마이저(4)에 연결되게 설치된다. 상기 보조엔진(3)과 상기 이코노마이저(4)는 각각 복수개가 상기 선체(11)에 설치될 수 있다. 여기서, 상기 메인엔진(101) 및 상기 보조엔진(3)은 디젤엔진 또는 가스엔진일 수 있다. 상기 연료전지시스템(7)은 크게 연료전지(71) 및 수소생성부(72)를 포함한다. 상기 연료전지시스템(7)은 상기 연료전지(71) 및 상기 수소생성부(72) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(73)를 포함하여 구현될 수도 있다.
상기 발전시스템(10)은 엔진 배기시스템(100), 연료저장탱크(20), 공기공급부(30), 전력변환부(40), 물공급부(2), 전기히터(5), 및 분기부(6)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 수소생성부(72)로부터 연료를 공급받고, 상기 수소생성부(72)는 연료를 저장하는 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받도록 구현된다. 상기 수소생성부(72)는 엔진이 디젤엔진(101)일 경우, 연료저장탱크(20)에 저장된 디젤연료를 상기 분기부(6)를 통해 공급받을 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 엔진이 가스엔진일 경우, 연료저장탱크(20)에 저장된 가스연료를 상기 수소생성부(72)를 거치지 않고 상기 분기부(6)를 통해 직접 공급받을 수도 있다.
상기 엔진 배기시스템(100)은 메인엔진(101), 메인이코노마이저(102), 스팀터빈(103), 복수개의 보조엔진(3) 및 복수개의 이코노마이저(4)를 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 메인엔진(101)은 연료와 공기가 혼합되어 연소됨에 따라 배기가스가 발생된다. 상기 메인이코노마이저(102)는 상기 메인엔진(101)에서 배출되는 메인엔진배기가스를 이용하여 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열함으로써, 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 메인엔진(101)에서 배출되는 메인엔진배기가스는 고온이므로, 물을 가열하는 열원이 될 수 있다. 상기 메인이코노마이저(102)에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 스팀터빈(103)에 공급될 수 있다. 상기 스팀터빈(103)은 상기 메인이코노마이저(102)에서 공급되는 스팀(H2O)을 이용하여 메인발전기(미도시)를 구동시켜 전기를 생산할 수 있다. 상기 메인발전기가 생산한 전기는 상기 선체(11)에 설치되는 전기장치 및 상기 전기히터(5)에 공급될 수 있다. 상기 스팀터빈(103)에서 전기를 생산하고 배출되는 스팀(H2O)은 수요처(50, 도 7에 도시됨)로 공급될 수 있다. 상기 수요처(50)는 스팀(H2O)을 공급받아 다양하게 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 수요처(50)는 난방용, 연료유를 가열하는 열원 등으로 스팀(H2O)을 사용할 수 있다.
상기 메인엔진(101)은 선박(1)이 항해 중인 경우에 가동되고, 선박(1)이 항구에 정박 중인 경우에는 가동되지 않는다. 선박(1)이 항구에 정박 중인 경우에는 추진장치를 가동시킬 필요가 없기 때문이다. 이에 따라, 선박(1)이 항구에 정박 중인 경우에는 상기 메인엔진(101)으로부터 배기가스가 배출되지 않으므로, 상기 메인이코노마이저(102)가 스팀(H2O)을 생성할 수 없다. 따라서, 이 경우에는 전기 생산을 위한 복수개의 보조엔진(3) 중 일부를 가동시켜 상기 보조엔진(3)에서 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 그러나, 이 경우 상기 수요처(50)에서 요구하는 스팀(H2O)의 양이 많으면, 상기 보조엔진(3)만으로는 수요를 감당하지 못할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 선박(1)은 전기히터(5)로 물을 가열하여 스팀(H2O)을 추가로 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박(1)은 연료전지(71)에서 배출되는 연료전지배기가스를 상기 보조엔진배기가스와 합류시켜 상기 이코노마이저(4)에 공급하도록 구현됨으로써, 상기 이코노마이저(4)가 공급받는 배기가스의 유량을 증가시켜 스팀(H2O) 생산량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 수요처(50)에 충분한 양의 스팀(H2O)을 공급할 수 있으므로, 상기 수요처(50)의 요구를 만족시킬 수 있다. 여기서, 스팀(H2O)을 생성한다는 것은 물이 열원에 의해 가열되어 스팀(H2O)으로 상변화되는 것을 의미한다.
상기 메인엔진(101), 상기 보조엔진(3) 및 상기 연료전지시스템(7)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 보조엔진(3) 사이에는 상기 연료전지시스템(7)에 연료를 공급하기 위한 분기부(6)가 설치될 수 있다.
상기 공기공급부(30)는 상기 메인엔진(101), 상기 보조엔진(3) 및 상기 연료전지시스템(7)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 공기공급부(30)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 공기공급부(30)는 공기(Air)가 이동하기 위한 관로 및 공기를 이동시키기 위한 이송력을 발생시키는 압축기, 임펠러와 같은 이송장치를 포함할 수 있다.
상기 전력변환부(40)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력변환부(40)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)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(40)는 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)으로부터 공급된 전기를 수요처(50)로 배출한다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(40)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.
상기 수요처(50)는 스팀(H2O) 및 전기를 공급받아 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 수요처(50)는 상기 메인이코노마이저(102), 상기 이코노마이저(4) 및 상기 전기히터(5)로부터 스팀(H2O)을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 상기 수요처(50)는 난방용, 연료유를 가열하는 열원 등으로 스팀(H2O)을 사용할 수 있다. 상기 수요처(50)는 상기 스팀터빈(103), 상기 보조엔진(3) 및 상기 연료전지시스템(7)이 생산한 전기를 공급받을 수 있다. 상기 수요처(50)는 공급받은 전기를 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비에 사용할 수 있다.
상기 물공급부(2)는 물(Water)을 공급하기 위한 것이다. 예컨대, 상기 물공급부(2)는 메인이코노마이저(102), 이코노마이저(4) 및 전기히터(5)에 물을 공급할 수 있다. 상기 물공급부(2)는 선체에 설치된다. 상기 물공급부(2)는 선체의 외부에 위치하는 물을 흡입하여 상기 메인이코노마이저(102), 상기 이코노마이저(4) 및 상기 전기히터(5)에 물을 공급할 수 있다. 상기 물공급부(2)는 선체의 내부에 물을 저장하는 물저장탱크가 설치되어 있을 경우, 상기 물저장탱크에 저장된 물을 흡입하여 상기 메인이코노마이저(102), 상기 이코노마이저(4) 및 전기히터(5)에 물을 공급할 수도 있다. 상기 물공급부(2)는 물을 이동시키기 위한 관로, 및 상기 관로를 따라 물이 이동하도록 이송력을 발생시키는 펌프를 포함할 수 있다. 상기 물공급부(2)는 관 또는 파이프와 같은 관로를 통해 상기 메인이코노마이저(102), 상기 이코노마이저(4) 및 상기 전기히터(5)에 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 물공급부(2)는 상기 메인이코노마이저(102), 상기 이코노마이저(4) 및 상기 전기히터(5)에 각각 물을 공급할 수 있다. 상기 물공급부(2)는 상기 선박(1)이 항구에 정박 중인 경우에는 상기 메인이코노마이저(102)에 물을 공급하지 않고, 상기 이코노마이저(4) 및 상기 전기히터(5)에만 물을 공급할 수 있다.
상기 보조엔진(3)은 전기를 생산하기 위한 것이다. 상기 보조엔진(3)은 상기 물공급부(2)와 이격되게 위치하도록 상기 선체에 설치될 수 있다. 상기 보조엔진(3)은 전기를 생산하기 위한 발전용 엔진이므로, 추진용 엔진인 메인엔진(101)에 비해 용량이 작다. 이에 따라, 상기 보조엔진(3)은 복수개가 선체에 설치될 수 있다. 예컨대, 상기 보조엔진(3)은 제1보조엔진(31) 및 제2보조엔진(32)을 포함할 수 있다. 상기 보조엔진(3)은 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32) 이외에 제3보조엔진, 제4보조엔진 등 복수개의 보조엔진을 더 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 보조엔진(3)이 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)을 포함하는 것을 예로 들어 설명한다. 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)은 각각 제1발전기 및 제2발전기를 포함하여 구성됨으로써, 가동 시 상기 발전기들이 각각 전기를 생산하도록 할 수 있다. 상기 보조엔진(3)이 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)을 포함함으로써, 상기 이코노마이저(4)는 상기 제1보조엔진(31)에 연결되게 설치되는 제1이코노마이저(41), 및 상기 제2보조엔진(32)에 연결되게 설치되는 제2이코노마이저(42)를 포함할 수 있다.
상기 제1보조엔진(31)은 연료와 공기를 공급받아 혼합하여 연소시켜 구동력을 발생시킴으로써, 제1발전기가 전기를 생산하도록 할 수 있다. 상기 제1보조엔진(31)은 상기 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받고, 상기 공기공급부(30)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 제1보조엔진(31)은 선박(1)이 정박 중인 경우에 가동될 수 있지만, 이에 한정되지 않으며 상기 선박(1)이 항해 중인 경우에도 가동될 수 있다. 상기 제1발전기에 의해 생산된 전기는 상기 전기히터(5) 및 수요처(50) 중 적어도 한 곳에 공급될 수 있다. 상기 제1보조엔진(31)이 가동하면 상기 제1보조엔진(31)으로부터 보조엔진배기가스가 배출될 수 있다. 상기 제1보조엔진(31)에서 배출되는 고온의 보조엔진배기가스는 관로를 통해 상기 제1이코노마이저(41)에 공급될 수 있다.
상기 제2보조엔진(32)은 연료와 공기를 공급받아 혼합하여 연소시켜 구동력을 발생시킴으로써, 제2발전기가 전기를 생산하도록 할 수 있다. 상기 제2보조엔진(33)은 상기 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받고, 상기 공기공급부(30)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 제2보조엔진(32)은 선박(1)이 정박 중인 경우에 가동될 수 있지만, 이에 한정되지 않으며 상기 선박(1)이 항해 중인 경우에도 가동될 수 있다. 상기 제2발전기에 의해 생산된 전기는 상기 전기히터(5) 및 수요처(50) 중 적어도 한 곳에 공급될 수 있다. 상기 제2보조엔진(32)이 가동하면 상기 제2보조엔진(32)으로부터 보조엔진배기가스가 배출될 수 있다. 상기 제2보조엔진(32)에서 배출되는 고온의 보조엔진배기가스는 관로를 통해 상기 제2이코노마이저(42)에 공급될 수 있다. 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)은 선체에 저장되는 연료의 양에 따라 모두 가동되거나 어느 하나만 가동될 수 있다. 예컨대, 저장된 연료의 양이 많으면 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)은 모두 가동될 수 있다. 또한, 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)은 상기 수요처(50)에서 요구하는 스팀(H2O)의 양이 많을 경우에도 모두 가동될 수 있다. 그러나, 선박(1)이 항구에 정박하는 경우에는 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)과 같은 유해물질의 배출량을 최소화시키기 위해 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32) 중 어느 하나만 가동될 수 있다. 항구는 환경오염에 대한 규제가 엄격한 구역에 포함되기 때문이다. 예컨대, 항구는 오염물질의 배출이 제한되는 배출제한구역(ECA)에 포함될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32) 중 어느 하나만 가동하더라도 전기를 이용하여 물을 가열시키는 전기히터(5)를 사용하여 스팀(H2O)을 추가로 공급함으로써, 상기 수요처(50)의 요구를 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라 환경오염에 대한 규제도 만족시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 연료전지(7)에서 배출되는 연료전지배기가스를 상기 보조엔진배기가스에 합류시켜 상기 이코노마이저(4)에 공급되도록 함으로써, 상기 이코노마이저(4)가 생산하는 스팀(H2O)의 양을 증가시킬 수 있다.
상기 이코노마이저(4)는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 것이다. 상기 이코노마이저(4)는 상기 보조엔진(3) 및 상기 물공급부(2)에 관로를 통해 각각 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 이코노마이저(4)는 상기 보조엔진(3)으로부터 고온의 보조엔진배기가스를 공급받을 수 있고, 상기 물공급부(2)로부터 물을 공급받을 수 있다. 상기 이코노마이저(4)는 상기 보조엔진(3)으로부터 배출되는 보조엔진배기가스가 배출되는 관로의 내부에 상기 물공급부(2)로부터 공급되는 물이 유동하는 관로를 설치함으로써, 물을 가열할 수 있다. 따라서, 상기 이코노마이저(4)는 상기 보조엔진(3)에서 배출되는 배기가스를 열원으로 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 이코노마이저(4)는 복수개가 설치될 수 있다. 예컨대, 상기 이코노마이저(4)는 제1이코노마이저(41) 및 제2이코노마이저(42)를 포함할 수 있다.
상기 제1이코노마이저(41)는 관로를 통해 상기 물공급부(2), 상기 제1보조엔진(31), 및 상기 수요처(50)에 각각 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1이코노마이저(41)는 상기 물공급부(2)로부터 물을 공급받고, 상기 제1보조엔진(31)으로부터 보조엔진배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41)는 상기 제1보조엔진(31)에서 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1이코노마이저(41)는 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41)에서 생성된 스팀(H2O)은 관로를 통해 상기 수요처(50)에 공급될 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41)에서 물을 가열한 보조엔진배기가스는 선체의 외부로 배출될 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41)에서 물을 가열하고 배출되는 보조엔진배기가스는 플루가스(Flue Gas)일 수 있다.
상기 제2이코노마이저(42)는 관로를 통해 상기 물공급부(2), 상기 제2보조엔진(32), 및 상기 수요처(50)에 각각 연결되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2이코노마이저(42)는 상기 물공급부(2)로부터 물을 공급받고, 상기 제2보조엔진(32)으로부터 보조엔진배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 제2이코노마이저(42)는 상기 제2보조엔진(32)에서 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2이코노마이저(42)는 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 제2이코노마이저(42)에서 생성된 스팀(H2O)은 관로를 통해 상기 스팀저장부(6)에 공급될 수 있다. 상기 제2이코노마이저(42)에서 물을 가열한 보조엔진배기가스는 선체의 외부로 배출될 수 있다. 상기 제2이코노마이저(42)에서 물을 가열하고 배출되는 보조엔진배기가스는 플루가스(Flue Gas)일 수 있다.
상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)는 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32)이 가동함에 따라 가동될 수 있다. 즉, 상기 제1보조엔진(31)이 가동하면, 상기 제1이코노마이저(41)가 가동될 수 있다. 상기 제2보조엔진(32)이 가동하면, 상기 제2이코노마이저(42)가 가동될 수 있다. 상기 선박(1)이 항구에 정박하는 경우에는 상기 제1보조엔진(31) 및 상기 제2보조엔진(32) 중 어느 하나만 가동을 하므로, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42) 중 어느 하나만 가동될 수 있다. 이 경우, 상기 물공급부(2)는 가동되는 이코노마이저에만 물을 공급할 수 있다. 따라서, 가동되는 이코노마이저에 공급된 물은 스팀(H2O)으로 생성되어 상기 수요처(50)에 공급될 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)는 상기 물공급부(2)에 연결된 관로에 상기 전기히터(5)가 관로를 통해 연결됨으로써, 상기 전기히터(5)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42) 중 적어도 하나는 상기 전기히터(5)가 생산한 스팀(H2O)을 공급받을 수 있다.
상기 전기히터(5)는 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 것이다. 상기 전기히터(5)는 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에 각각 연결되게 설치될 수 있다. 또한, 상기 전기히터(5)는 관로를 통해 상기 물공급부(2)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기히터(5)는 전기를 이용하여 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열함으로써, 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 전기히터(5)는 전기를 이용하여 열선과 같은 전열부재의 온도를 높여 전열부재와 물을 접촉시킴으로써, 물을 가열할 수 있다. 상기 전기히터(5)에서 생성된 스팀(H2O)은 관로를 통해 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42) 중 적어도 하나에 공급될 수 있다. 이 경우, 상기 전기히터(5)에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 물공급부(2)와, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)를 연결하는 관로를 통해 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42) 중 적어도 하나에 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 물공급부(2)에서 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)로 공급되는 물은 상기 전기히터(5)에서 생성된 스팀(H2O)과 합류됨으로써, 합류되기 전보다 온도가 높아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에 공급되는 물의 온도를 미리 높임으로써, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)가 생성하는 스팀(H2O)의 양을 증가시킬 수 있다. 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 수요처(50)로 공급될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에 공급되는 물의 온도를 미리 높임으로써, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)가 스팀(H2O)을 생성하는데 필요한 부하를 감소시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에 대한 사용수명을 연장시킬 수 있으므로, 상기 제1이코노마이저(41) 및 상기 제2이코노마이저(42)에 대한 유지보수 비용 및 교체 비용을 절감할 수 있다. 상기 전기히터(5)는 한 개만 설치될 수 있으나, 스팀(H2O) 생성량을 증가시키기 위해 복수개가 설치될 수도 있다.
상기 전기히터(5)는 상기 제1보조엔진(31), 상기 제2보조엔진(32) 및 상기 연료전지(71)에 각각 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 전기히터(5)는 상기 제1보조엔진(31)의 제1발전기, 상기 제2보조엔진(32)의 제2발전기 및 상기 연료전지(71)에 전선으로 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기히터(5)는 상기 제1보조엔진(31), 상기 제2보조엔진(32) 및 상기 연료전지(71) 중 적어도 하나가 생산한 전기를 공급받을 수 있다. 상기 전기히터(5)는 공급받은 전기를 이용하여 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 전기히터(5)에 전기를 공급하기 위한 발전장치를 별도로 설치할 필요가 없으므로, 선체에 대한 공간 활용도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 상기 전기히터(5)에 전기를 공급하기 위한 설치비용을 절감할 수 있다.
상기 전기히터(5)는 보조보일러처럼 연료와 공기가 혼합 연소되는 챔버가 필요하지 않으므로, 상기 보조보일러에 비해 크기가 작다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 전기히터(5)가 상기 보조보일러에 비해 협소한 공간에도 용이하게 설치될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 보조보일러에 비해 상기 선체에서 차지하는 비중을 낮출 수 있으므로 선체의 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 선박(1)은 보조보일러에 비해 전기히터(5)의 주변에 설치되는 주변장치들로부터 이격된 간격을 넓힐 수 있으므로, 상기 전기히터(5)와 상기 주변장치들 사이로 작업자가 용이하게 진입, 진출하도록 하여 전기히터(5) 및 주변장치들에 대한 유지보수 작업 및 교체 작업을 원활하게 수행하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(1)은 하여 전기히터(5) 및 주변장치들에 대한 유지보수 작업 시간 및 교체 작업 시간을 단축시켜 운항 시간이 지연되는 것을 방지할 수 있다.
상기 분기부(6)는 상기 연료저장탱크(20)와 상기 보조엔진(3) 사이에 위치하도록 설치된다. 상기 분기부(6)는 상기 연료저장탱크(20)에서 상기 보조엔진(3)으로 공급되는 연료를 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(6)는 상기 보조엔진(3), 상기 연료전지시스템(7)의 개질기(721) 및 연소기(722)로 각각 공급되도록 상기 연료저장탱크(20)에서 상기 보조엔진(3)으로 공급되는 연료를 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(6)는 상기 보조엔진(3), 상기 개질기(721) 및 상기 연소기(722)에 각각 관 또는 파이프와 같은 관로를 통해 연결될 수 있다. 상기 분기부(6)는 상기 관로들의 유로를 개방하거나 폐쇄함으로써, 상기 연료저장탱크(20)에 저장된 연료가 상기 보조엔진(3), 상기 개질기(721) 및 상기 연소기(722) 중 적어도 한 곳으로 공급되도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 분기부(6)는 삼방밸브(Three Way Valve)일 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(721)는 상기 연료저장탱크(20)에서 상기 보조엔진(3)으로 공급되는 연료 중 일부를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(721)는 상기 보조엔진(3)에 공급되는 연료를 제외한 나머지 잔여 연료를 공급받을 수 있다. 상기 분기부(6)는 상기 보조엔진(3)으로 공급되는 연료를 차단하고, 상기 연료저장탱크(20)에서 상기 개질기(721)로 연료가 공급되도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(721)는 잔여 연료를 공급받는 경우보다 더 많은 양의 연료를 공급받음으로써, 상기 연료전지(71)의 연료극(Anode)(711b)에 더 많은 양의 수소가 포함된 연료를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 연료전지(71)는 더 많은 양의 전기를 생산할 수 있다. 상기 분기부(6)는 상기 연료저장탱크(20)와 상기 메인엔진(101) 사이에 위치하도록 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 연료, 스팀(H2O), 및 공기를 이용하여 전기를 생산한다. 본 발명에 따른 선박(1)은 상기 분기부(6)를 통해 상기 연료전지시스템(7)에 연료를 공급할 수 있고, 상기 이코노마이저(4)를 통해 상기 연료전지시스템(7)에 스팀(H2O)을 공급할 수 있으며, 상기 공기공급부(30)를 통해 상기 연료전지시스템(7)에 공기를 공급할 수 있다. 상기 공기공급부(30)는 연료전지시스템(7)의 연소기(722) 및 공기극(Cathode)(711a)에 공기를 공급할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 전기를 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 연료전지(71)에서 배출되는 연료전지배기가스를 상기 보조엔진(3)에서 배출되어 상기 이코노마이저(4)로 공급되는 보조엔진배기가스에 합류시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 이코노마이저(4)는 공급받는 배기가스의 양이 증가됨으로써, 스팀(H2O) 생산량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(1)은 스팀(H2O) 및 전기에 대한 수요처(50)의 요구량을 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 가정이나 자동차와 같은 소형 구조물에 사용될 수 있고, 선박 등과 같이 대형 구조물에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 연료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 시스템과 연동하도록 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.
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 연료전지(71), 및 수소생성부(72)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 연료전지(71), 상기 수소생성부(72) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(73)를 포함하여 구현될 수도 있다. 본 명세서에서는 수소생성부(72)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(72)에서 생성되어 연료전지(71)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
상기 연료전지(71)는 상기 수소생성부(72)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(71)는 개질기(721)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 상기 공기공급부(30)에서 공급된 공기와의 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(71)는 연료전지 스택(stack)을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 공기극(cathode)(711a)과 연료극(anode)(711b) 사이에 전해질(electrolyte)층(711c)이 형성되고, 연료극(anode)(711b)과 공기극(cathode)(711a)에는 수소공급 및 공기공급, 열회수를 위한 분리판(separator)이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다. 여기서, 상기 연료극(anode)(711b)은 상기 개질기(721)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(721)는 상기 분기부(6)에서 분기되어 공급되는 연료, 및 상기 이코노마이저(4)에서 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시킴으로써, 수소가 포함된 연료를 생산할 수 있다. 상기 연료극(anode)(711b)은 엔진이 가스엔진일 경우, 상기 개질기(721)를 거치지 않고 상기 분기부(6)로부터 직접 연료를 공급받을 수도 있다.
상기 연료전지(71)는 온도센서와 온도 유지용 기기. 즉 히터나 공기극 팬과 연료극 팬, 냉각판 등을 포함할 수 있다. 상기 온도센서는 연료전지 스택의 온도, 공기극(cathode)(711a)의 온도, 연료극(anode)(711b)의 온도를 센싱한다. 상기 히터에 의해 연료전지를 가열하여 운전에 필요한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 상기 공기극 팬은 연료전지 스택의 공기극(cathode)(711a)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 연료극 팬은 연료전지 스택의 연료극(anode)(711b)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 공기극 팬 및 연료극 팬은 연료전지 스택에 사용되는 열교환기의 일부 구성으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)이 제어부(73)를 포함하는 경우, 상기 제어부(73)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 히터나 공기극 팬과 연료극 팬을 제어하여 상기 연료전지(71)의 운전온도를 적절하게 유지한다. 예를 들어, 제어부(73)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(7)에 구비되는 연료전지(71)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)(711)는 공기극(cathode)(711a)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(711c)을 통해 연료극(anode)(711b)으로 이동한다. 연료극(anode)(711b)에서는 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(711c)을 통해 연료극(anode)(711b)으로 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응하여 물(H20)과 전자(e-)가 생성된다. 공기극(cathode)(711a)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(711a)과 연료극(anode)(711b)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고체산화물 연료전지(SOFC)(711)는 연료극(anode)(711b)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)(711a)에서는 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다.
도 4b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(712)는 연료극(anode)(712a)에 형성된 촉매층(712b)에서 수소(H2)가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 생성된다. 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)(712c)을 통해 공기극(cathode)(712d)으로 이동한다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(712)는 공기극(cathode)(712d)에 형성된 촉매층(712e)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 물(H20)을 생산한다. 연료극(anode)(712a)에 형성된 촉매층(712b)과 공기극(cathode)(712d)에 형성된 촉매층(712e)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.
고분자전해질 연료전지(PEMFC)(712)는 연료극(anode)(712a)의 촉매층(712b)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(712)는 공기극(cathode)(712d)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(72)는 원료를 이용하여 연료전지(71)의 연료극(anode)(711b)에 필요한 연료, 즉 수소(H2) 가스를 생성하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서는 상기 수소생성부(72)에 유입되는 것을 원료 및 원료수, 상기 수소생성부(72)에서 생성되어 상기 연료전지(71)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.
수소생성부(72)는 연료전지(71)의 종류에 따라 또는 전기 생성 효율 향상을 위해 그 구조가 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지(71)가 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우, 상기 수소생성부(72)는 개질기(Reformer)와 연소기를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지(71)가 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 상기 수소생성부(72)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(7)에 있어서, 상기 수소생성부(72)의 일례를 살펴보면, 다음과 같다.
상기 수소생성부(72)는 개질기(Reformer)(721) 및 연소기(722)를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 개질기(Reformer)(721)는 상기 분기부(6)에서 분기되어 공급되는 연료 및 상기 이코노마이저(4)로부터 공급되는 스팀(H20)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(721)는 상기 연소기(722)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 개질기(721)에서 나오는 개질가스를 연료로 정의한다.
상기 개질기(Reformer)(721)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(7)에 있어서, 상기 개질기(721)는 상기 연료전지(71)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(71)는 외부 개질형으로 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 있어서, 상기 개질기(721)는 상기 연료전지(71)의 내부에 개질촉매층의 형태로 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 연료전지(71)는 내부 개질형으로 구현된다.
상기 연소기(722)는 상기 개질기(Reformer)(721)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(722)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(721)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(721) 내에 발생한다. 상기 연소기(722)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(721)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다.
상기 연소기(722)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 연료저장탱크(20)에서 공급되는 원료, 상기 연료전지(71)의 연료전지 스택의 연료극(anode)(711b)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 연료로 사용할 수 있다. 상기 연소기(722)는 상기 공기공급부(30)로부터 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 있어서, 상기 연소기(722)는 추가로 상기 연료전지(71)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)(711a)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다.
도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(72)는 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도센서는 개질기(Reformer)(721)의 온도를 검출한다. 상기 개질기(Reformer)(721)의 온도는 상기 개질기(Reformer)(721)의 구성 및 상기 분기부(6)에서 공급되는 연료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지시스템(7)이 상기 제어부(73, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(73)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 연소기(722)의 원료 연소량을 증감시켜 상기 개질기(Reformer)(721)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(73)는 최적 온도 범위에 대하여 ±20℃ 정도의 범위 내로 제어하도록 구현될 수 있다.
여기서, 상기 개질기(Reformer)(721)에서 개질반응을 통해 발생하는 가스에는 수소(H2)뿐 아니라 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된다. 상기 연료전지(71)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(71)의 수명을 단축시킨다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 10 ∼ 20 ppm 이하로 줄이기 위해, 상기 수소생성부(72)는 수성가스화반응기(WGS)(723)를 더 포함할 수 있다.
상기 수성가스화반응기(WGS)(723)는 일산화탄소(CO)와 스팀(H20)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(723)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(7)이 제어부(73, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(73)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)(723)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(7)이 상기 제어부(73, 도 3에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(73)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(7)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 연료전지시스템을 설명하기 위한 개략적인 블록도, 도 8은 본 발명에 따른 선박에서 복수개의 보조엔진 중 일부만 작동하는 경우를 설명하기 위한 개략적인 블록도, 도 9는 본 발명에 따른 선박에서 전력저장부를 설명하기 위한 개략적인 블록도이다. 여기서, 도 1 내지 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.
도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 엔진 배기시스템(100), 연료저장탱크(20), 물공급부(2), 전기히터(5), 분기부(6) 및 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)을 포함한다. 본 발명에 따른 선박(1)은 공기공급부(30), 전력변환부(40) 및 수요처(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 엔진 배기시스템(100)은 메인엔진(101), 메인이코노마이저(102), 스팀터빈(103), 보조엔진(3) 및 이코노마이저(4)를 포함할 수 있다. 상기 연료전지시스템(7)은 연료전지(71), 수소생성부(72) 및 제어부(73)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 수소생성부(72)는 개질기(721) 및 연소기(722)를 포함할 수 있다. 상기 연료전지(71)는 연료를 공급받는 연료극(anode)(711b)과 공기를 공급받는 공기극(cathode)(711a)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박(1)에 있어서, 상기 엔진 배기시스템(100), 상기 공기공급부(30), 상기 전력변환부(40), 상기 수요처(50), 상기 연료저장탱크(20), 상기 물공급부(2), 상기 전기히터(5), 상기 분기부(6) 및 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 대한 상세한 설명은 전술한 바와 같으므로 이하에서는 실시예에 따른 구성 및 효과에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 있어서, 상기 개질기(721)는 관로를 통해 상기 분기부(6)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 개질기(721)는 상기 분기부(6)에 의해 분기된 연료를 공급받을 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(721)는 상기 연료저장탱크(20)에서 상기 보조엔진(3)으로 공급되는 연료 중 일부를 공급받을 수 있다. 상기 개질기(721)는 관로를 통해 상기 이코노마이저(4)에 연결될 수 있다. 상기 개질기(721)는 상기 분기부(6)에서 공급된 연료 및 상기 이코노마이저(4)에서 공급된 스팀(H20)을 개질반응시킴으로써, 상기 연료극(anode)(711b)에 공급하기 위한 수소를 포함한 연료를 생산할 수 있다. 상기 개질기(721)는 상기 이코노마이저(4)로부터 공급받는 스팀(H20)의 양에 따라 상기 연료극(anode)(711b)에 공급하는 연료의 양이 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 이코노마이저(4)에서 공급되는 스팀(H20)의 양이 많으면 수소의 양이 증가되므로, 상기 연료극(anode)(711b)에 공급하는 연료의 양이 많아질 수 있다. 상기 수요처(50)가 스팀(H20)을 사용하지 않을 경우, 상기 개질기(721)는 상기 이코노마이저(4)로부터 스팀(H20)을 전부 공급받을 수 있으므로, 상기 연료극(anode)(711b)에 공급하는 연료의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 이코노마이저(4)와 상기 수요처(50) 사이에는 스팀(H20)을 저장하기 위한 스팀저장부가 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 수요처(50)는 스팀(H20)이 필요할 경우에 상기 스팀저장부에 저장된 스팀(H20)을 사용할 수 있다. 상기 연료극(anode)(711b)은 엔진(101)이 가스엔진일 경우 상기 개질기(721)를 거치지 않고 상기 분기부(6)로부터 직접 연료를 공급받을 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 선체(11)에 설치된 연료저장탱크(20) 및 상기 이코노마이저(4)로부터 연료 및 스팀(H20)을 각각 공급받을 수 있으므로, 연료를 공급받기 위한 연료공급장치 및 스팀(H20)을 공급받기 스팀생성장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하기 위한 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 이코노마이저(4)로부터 스팀(H2O)을 공급받고, 상기 연료저장탱크(20)로부터 연료를 공급받을 수 있으므로, 상기 보조엔진(3)과 별도로 상기 연료전지(71)가 전기를 추가로 생산할 수 있어 전기 생산량을 증대시킬 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 보조엔진(3) 및 상기 이코노마이저(4)가 손상 내지 파손되더라도 상기 전기히터(5)를 통해 스팀(H20)을 공급받을 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 보조엔진(3) 및 상기 이코노마이저(4) 중 적어도 하나가 손상 내지 파손되더라도 전기를 계속하여 생산할 수 있으므로 전기 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 있어서, 상기 연료전지(71)는 전선을 통해 상기 전기히터(5)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지(71)는 생산한 전기를 상기 전기히터(5)에 공급할 수 있다. 상기 전기히터(5)는 전선을 통해 복수개의 보조엔진(3)에 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기히터(5)는 상기 복수개의 보조엔진(3) 및 상기 연료전지(71) 중 적어도 하나가 생산한 전기를 이용하여 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H20)을 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 보조엔진(3)이 손상 내지 파손되더라도 상기 전기히터(5)에 계속하여 전기를 공급할 수 있으므로, 스팀(H20) 생산이 중단되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에 따른 선박(1)은 복수개의 보조엔진(3) 중 일부만 작동하는 경우. 즉, 항구에 정박하는 경우에도 상기 전기히터(5)를 이용하여 스팀(H20)을 추가로 생산할 수 있으므로, 스팀(H20) 생산량을 증가시켜 수요처(50)가 요구하는 스팀요구량을 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템(7)에 있어서, 상기 연료전지(71)는 관로를 통해 복수개의 이코노마이저(4)에 각각 연결되도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지(71)는 연료전지배기가스를 복수개의 이코노마이저(4) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다. 예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 복수개의 보조엔진(3) 중 제1보조엔진(31)만 작동될 경우, 상기 연료전지(71)는 상기 제1보조엔진(31)에서 상기 제1이코노마이저(41)로 공급되는 보조엔진배기가스에 연료전지배기가스를 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전지(71)에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 제1보조엔진(31)에서 상기 제1이코노마이저(41)로 공급되는 보조엔진배기가스에 합류될 수 있다. 상기 연료전지배기가스는 상기 공기극(Cathode)(711a) 및 상기 연료극(anode)(711b) 중 적어도 하나로부터 배출되는 것일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 이코노마이저(4)에 공급하는 배기가스의 유량을 증가시켜 상기 이코노마이저(4)가 상기 연료전지배기가스를 공급받기 전에 비해 더 많은 양의 스팀(H20)을 생산하도록 함으로써, 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H20)의 요구량을 더욱 만족시킬 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 선박(1)은 전력저장부(8)를 더 포함할 수 있다.
상기 전력저장부(8)는 전기를 저장하기 위한 것이다. 상기 전력저장부(8)는 전선을 통해 일측이 복수개의 보조엔진(3) 및 연료전지(71)에 각각 연결되게 설치될 수 있다. 상기 전력저장부(8)는 전기를 저장할 수 있는 전기저장장치(Energy Storage System)일 수 있다. 이에 따라, 상기 전력저장부(8)는 상기 복수개의 보조엔진(3) 및 상기 연료전지(71) 중 적어도 하나가 생산한 전기를 공급받아 저장할 수 있다. 도시되지 않았으나, 상기 전력저장부(8)는 상기 메인발전기에 연결되게 설치됨으로써, 상기 메인엔진(101)이 가동될 경우 상기 메인발전기가 생산한 전기를 저장할 수도 있다. 상기 전력저장부(8)는 대용량의 전기저장장치 한 개일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 전기를 저장할 수 있으면 저용량의 전기저장장치가 복수개 연결된 것일 수도 있다. 이 경우, 상기 저용량의 전기저장장치는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 전력저장부(8)는 타측이 전선을 통해 상기 전기히터(5)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 전력저장부(8)는 상기 전기히터(5)가 가동될 경우, 상기 전기히터(5)에 전기를 공급할 수 있다. 상기 전기히터(5)는 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하는 경우에 가동될 수 있다. 이 경우, 상기 전기히터(5)는 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 기준스팀요구량은 상기 수요처(50)가 평균적으로 사용하는 스팀(H2O)의 양을 의미하며, 작업자에 의해 미리 설정될 수 있다. 상기 전기히터(5)는 기설정된 기준스팀요구량에 따라 가동되거나 가동되지 않을 수 있다.
예컨대, 상기 전기히터(5)는 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하면 가동될 수 있다. 이 경우, 상기 전기히터(5)는 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기를 이용하여 가동될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기히터(5)는 상기 물공급부(2)에서 상기 이코노마이저(4)로 공급되는 물이 예열되도록 상기 물공급부(2)에서 공급되는 물을 가열할 수 있다.
예컨대, 상기 전기히터(5)는 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량 이하이면 가동되지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 이코노마이저(4)가 생산하는 스팀(H2O)의 양으로 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양을 만족시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은상기 전기히터(5)가 가동되는 경우에만 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 추가로 생산하므로, 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기가 낭비되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 상기 전기히터(5)의 사용수명을 증대시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 전력저장부(8)가 항해 중인 경우에는 상기 메인발전기로부터 전기를 공급받아 저장하고, 정박 중인 경우에는 상기 제1발전기, 상기 제2발전기, 및 상기 연료전지(71) 중 적어도 하나로부터 생산된 전기를 공급받아 저장할 수 있으므로, 상기 전기히터(5)를 가동시키기 위한 전기가 부족해지는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 전기히터(5)가 가동될 경우를 대비하여 상기 전력저장부(8)가 상시 전기를 저장하고 있으므로, 상기 제1보조엔진(31), 상기 제2보조엔진(32), 및 상기 연료전지(71) 중 적어도 하나가 손상 내지 파손되어 가동되지 못하는 경우에도 상기 전기히터(5)가 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지시스템(7)은 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 많을 경우, 상기 전력저장부(8)에 저장된 전기를 이용하여 상기 전기히터(5)를 신속하게 가동시켜 상기 수요처(50)가 요구하는 스팀(H2O)의 양만큼 스팀(H2O)을 신속하게 공급할 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 : 물공급부 3 : 보조엔진
4 : 이코노마이저 5 : 전기히터
6 : 분기부 7 : 연료전지시스템
8 : 전력저장부 31 : 제1보조엔진
31 : 제2보조엔진 41 : 제1이코노마이저
42 : 제2이코노마이저 71 : 연료전지
72 : 수소생성부 73 : 제어부

Claims (6)

  1. 선체에 설치되고 물을 공급하기 위한 물공급부;
    상기 물공급부와 이격되게 설치되고, 전기를 생산하기 위한 복수개의 보조엔진;
    상기 보조엔진들로부터 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 수요처가 요구하는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 복수개의 이코노마이저;
    상기 이코노마이저들에 연결되게 설치되고, 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 전기히터;
    연료를 저장하는 연료저장탱크에서 상기 보조엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부; 및
    상기 분기부에서 공급되는 연료 및 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 연료전지시스템을 포함하고,
    상기 연료전지시스템은,
    상기 분기부에서 공급되는 연료와 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및
    연료극(Anode), 공기극(Cathode), 및 상기 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 전기히터에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되고,
    상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되는 배기가스의 양이 증가하도록 상기 보조엔진에서 상기 이코노마이저로 공급되는 보조엔진배기가스와 합류되어 상기 이코노마이저에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기히터는 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 선박.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 저장하기 위한 전력저장부를 포함하고,
    상기 전기히터는 상기 전력저장부에 연결되게 설치되되, 상기 수요처가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하는 경우 상기 전력저장부에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박.
  4. 연료를 저장하는 연료저장탱크에서 전기를 생산하기 위한 복수개의 보조엔진으로 공급되는 연료를 분기시키는 분기부에서 공급되는 연료와 상기 보조엔진들로부터 배출되는 보조엔진배기가스를 열원으로 물을 공급하기 위한 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 수요처가 요구하는 스팀(H2O)을 생성하기 위한 복수개의 이코노마이저에서 공급되는 스팀을 개질반응시키는 개질기 및 연소기를 포함하는 수소생성부; 및
    연료극(Anode), 공기극(Cathode), 및 상기 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하고,
    상기 이코노마이저들에 연결되게 설치되고, 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하여 스팀(H2O)을 생성하기 위한 전기히터에서 생성된 스팀(H2O)은 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되며,
    상기 연료전지에서 배출되는 연료전지배기가스는 상기 복수개의 이코노마이저 중 적어도 하나에 공급되는 배기가스의 양이 증가하도록 상기 보조엔진에서 상기 이코노마이저로 공급되는 보조엔진배기가스와 합류되어 상기 이코노마이저에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기히터는 상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 이용하여 상기 물공급부에서 공급되는 물을 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 보조엔진 및 상기 연료전지 중 적어도 하나가 생산한 전기를 저장하기 위한 전력저장부를 포함하고,
    상기 전기히터는 상기 전력저장부에 연결되게 설치되되, 상기 수요처가 요구하는 스팀(H2O)의 양이 기설정된 기준스팀요구량을 초과하는 경우 상기 전력저장부에 저장된 전기를 이용하여 스팀(H2O)을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021063793A1 (en) * 2019-10-01 2021-04-08 Haldor Topsøe A/S Offshore reforming installation or vessel
US11905173B2 (en) 2018-05-31 2024-02-20 Haldor Topsøe A/S Steam reforming heated by resistance heating

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100062093A (ko) * 2008-12-01 2010-06-10 현대중공업 주식회사 왕복동 엔진의 과급기와 배기 가스를 이용한 연료전지 시스템
JP2014074354A (ja) * 2012-10-03 2014-04-24 Toyota Motor Corp 駆動システム
KR20150112280A (ko) * 2014-03-27 2015-10-07 대우조선해양 주식회사 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템
KR20160019692A (ko) * 2014-08-12 2016-02-22 대우조선해양 주식회사 전기 가열 시스템 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100062093A (ko) * 2008-12-01 2010-06-10 현대중공업 주식회사 왕복동 엔진의 과급기와 배기 가스를 이용한 연료전지 시스템
JP2014074354A (ja) * 2012-10-03 2014-04-24 Toyota Motor Corp 駆動システム
KR20150112280A (ko) * 2014-03-27 2015-10-07 대우조선해양 주식회사 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템
KR20160019692A (ko) * 2014-08-12 2016-02-22 대우조선해양 주식회사 전기 가열 시스템 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11905173B2 (en) 2018-05-31 2024-02-20 Haldor Topsøe A/S Steam reforming heated by resistance heating
WO2021063793A1 (en) * 2019-10-01 2021-04-08 Haldor Topsøe A/S Offshore reforming installation or vessel

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