KR20180133267A

KR20180133267A - 선박용 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20180133267A
Application number: KR1020170069511A
Authority: KR
Inventors: 성용욱; 김재관; 이승재
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-12-14
Also published as: KR102316741B1

Abstract

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택; 혼합탱크로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인; 상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인; 상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인; 상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인; 및 증발가스를 포함하는 연료탱크와, 상기 혼합탱크와 연료탱크를 연결하고 상기 연료탱크 또는 상기 혼합탱크 내의 가스를 교환하는 가스교환라인;을 포함하고, 상기 혼합탱크에는 상기 애노드 배출라인 또는 캐소드 배출라인에서 공급되는 유체를 분사하는 분사부가 마련될 수 있다.

Description

선박용 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR A SHIP}

본 발명은 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

이들 중 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 상기 고분자 전해질 연료전지는 일반적으로 수소 가스를 연료로 사용하나, 수소 가스의 보관, 이동의 불편함으로 인해 수소를 포함한 탄화수소를 개질(reform)하여 생성된 수소를 연료로 사용할 수 있다.

한편, 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질 연료전지와 달리 액상의 연료를 사용함에 따라 연료 이동, 보관, 공급이 용이하며, 특히 앞서 언급한 개질기를 사용할 필요가 없기 때문에 연료전지 시스템을 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 메탄올 연료와 산소와의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 분리판(bipolar plate)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.

대한민국 등록특허 10-0811982(2008년03월03일. 등록)

본 발명은 보다 효율적으로 작동되는 선박용 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택; 혼합탱크로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인; 상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인; 상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인; 상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인; 증발가스를 포함하는 연료탱크와, 상기 혼합탱크와 연료탱크를 연결하고 상기 연료탱크 또는 상기 혼합탱크 내의 가스를 교환하는 가스교환라인을 포함하고, 상기 혼합탱크에는 상기 애노드 배출라인 또는 캐소드 배출라인에서 공급되는 유체를 분사하는 분사부가 마련될 수 있다.

상기 연료탱크 또는 상기 혼합탱크에는 열교환기가 마련되어 내부에 저장된 유체의 상변화를 조절할 수 있다.

상기 열교환기는 유체를 가열할 때는 상기 전지스택에서 발생되는 열 또는 선박의 엔진에서 발생되는 열을 사용하고, 유체를 냉각할 때는 해수나 담수를 사용할 수 있다.

상기 연료탱크에 설치되는 열교환기는 상기 연료탱크의 액체부와 기체부, 상기 혼합탱크의 액체부와 기체부에 각각 위치할 수 있다.

상기 혼합탱크의 액체부 상측에는 흡습부가 마련될 수 있다.

상기 가스교환라인에는 상기 연료탱크로부터 상기 혼합탱크로의 일방향 유체흐름만을 허용하는 체크밸브가 마련될 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 혼합탱크와 연료탱크를 연결하는 가스교환라인을 포함하고 혼합탱크에 마련된 분사부를 통해 가스를 액화시킴으로써, 연료탱크로부터 혼합탱크로의 연료 이송을 수행할 수 있다.

또한, 혼합탱크와 연료탱크에는 각각 열교환기가 마련되어, 혼합탱크 또는 연료탱크의 분압을 용이하게 조절 가능하다.

또한, 혼합탱크의 액체부 상측에는 흡습부가 마련되고, 가스교환라인에는 연료탱크로부터 혼합탱크로의 일방향 유체흐름만을 허용하는 체크밸브가 마련되어, 혼합탱크 내에서의 기체 수분량을 감소와 연료탱크로의 역류를 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 직접 메탄올형 연료 전지 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템의 혼합탱크와 연료탱크를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템의 혼합탱크와 연료탱크를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템의 혼합탱크와 연료탱크를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 탄화수소를 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 산소는 순수한 산소 형태로 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.

연료전지는 상온 또는 100 이하에서 작동하는 고분자 전해질 및 직접 메탄올 연료전지, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 800 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료로서 수소 대신에 액상의 메탄올을 물과 혼합한 후 연료로 사용한다. 직접 메탄올 연료전지는 전해질막과, 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지는 막-전극 어셈플리(Membrane Electrode Assembly : MEA)를 구비한다. 전해질막으로는 플루오르화 중합체 등을 사용하는데, 플루오르화 중합체는 메탄올이 지나치게 빠르게 스며들어, 농도가 높은 메탄올을 연료로 사용하는 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질막을 투과해 버리는 크로스오버(crossover)현상이 발생하여 연료전지 성능이 감소된다. 따라서 메탄올의 농도를 낮추기 위하여 메탄올과 물을 혼합한 적정한 농도의 메탄올 수용액을 연료전지 시스템에 공급하게 된다.

이러한 직접 메탄올 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여, 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.

도 1은 종래 기술에 의한 직접 메탄올 연료전지 시스템을 도시한 블록도를 나타내는데, 이하에서는 이를 참조하여 직접 메탄올 연료전지에 대해 설명하기로 한다.

직접 메탄올 연료전지는 캐소드 및 애노스에서 회수된 물과 연료탱크(61)에서 공급되는 고농도 메탄올을 혼합해서 적당한 농도 (예를 들면 1M)의 메탄올 수용액을 혼합탱크(21)에 저장한다. 메탄올 수용액의 농도를 맞추기 위해서 혼합탱크(21)에는 메탄올 농도 센서(21a)가 설치되어 있고, 메탄올 수용액의 농도가 낮아지게 되면 메탄올 연료펌프(62)를 가동하여 혼합탱크(21)내에로 고농도의 메탄올을 공급하여 적절한 메탄올 농도를 유지하도록 한다. 또한 혼합탱크(21)에는 레벨센서도 설치되어 있다. 메탄올 수용액의 수위가 낮아지게 되면, 캐소드 배출라인에 설치된 분리기(52)에 저장된 물을 워터펌프(53)를 통해서 공급하여 일정한 수위를 유지하도록 한다. 메탄올 수용액은 피드펌프(22)로 애노드 투입부(10a)를 통해 전지스택(10)에 공급되며, 전지스택(10)에서 반응하지 않은 미반응 물질 및 반응생성물인 CO₂ 가스는 애노드 토출구(10b)를 통해서 배출된다. 이때 이것의 온도는 전지스택(10)의 온도, 즉 40~90도씨 정도이며 이를 열교환하여 온도를 낮춘 후 혼합탱크(21)로 다시 회수하여 액체(미반응 메탄올 및 물)는 재사용하고 가스인 CO₂는 외부로 배출한다.

공기는 송풍기(41), 필터기(42), 캐소드 투입부(10c)를 통해서 전지스택(10)으로 공급되며, 전지스택(10)에서 반응하고 남은 가스, 즉 캐소드 배출가스는 (cathode off gas)는 캐소드 토출부(10d)를 통해서 배출된다. 이 때 캐소드 배출가스에는 전지스택(10)의 전기화학반응으로 생성된 물 및 수증기를 포함하고 있어, 이를 응축기(51)에서 열교환하여 응축한 후 분리기(52)에서 물과 가스로 분리한 뒤, 물은 혼합탱크(21)로 재회수하여 사용하며, 응축되지 않는 가스는 외부로 배출한다.

도 1을 참조하면, 직접 메탄올 연료전지는 도시된 바와 같이 메탄올과 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전지스택(10)과, 전지스택(10)에 공급하고자 하는 고농도 연료를 저장하는 연료탱크(61)와, 전지스택(10)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하는 응축기(31)와, 응축기(31)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료탱크(61)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 메탄올 수용액을 저장하는 혼합탱크(21)를 구비한다.

전지스택(10)에는 전해질막과, 전해질막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위 전지가 복수 개 제공된다. 그리고 이러한 전지스택(10)은 애노드 투입부(10a)와 애노드 토출부(10b), 캐소드 투입부(10c)와 캐소드 토출부(10d)를 가진다.

애노드 전극은 혼합탱크(21)로부터 공급되는 혼합 연료에 포함된 메탄올을 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 이 때 생성된 수소이온(H+)은 전해질막을 통해서 캐소드 전극으로 이동하게 되고, 캐소드 전극에서는 외부에서 공급되는 공기 중의 산소와 상기 수소이온과의 전기화학적 반응에 의해 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 또한 상기 전기화학 반응은 발열반응으로 열도 동시에 발생시킨다. 발생된 전기 에너지는 전력 변환장치(미도시)를 통해 전류/전압 등이 출력 규격에 맞게 변환되어 외부 부하로 출력된다.

또한, 연료전지는 연료탱크(61)내 고농도 연료를 혼합탱크(21)로 전달하기 위한 연료펌프(62) 및 혼합탱크(21)내 혼합연료를 연료 전지 스택의 애노드로 전달하기 위한 피드펌프(22)를 포함하며, 연료 전지 시스템의 발전 상태에 따라 연료펌프(62) 및 피드펌프(22), 응축기(31)의 동작을 제어하기 위한 구동 제어부(미도시)를 구비할 수 있다. 구동 제어부는 혼합탱크(21)로부터 전지스택(10)의 애노드 전극에 공급되는 메탄올 혼합 연료의 농도를 일정하게 유지하는 등의 작업을 수행하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지시킨다.

애노드 토출부(10b)에서는 미반응 연료와 전기화학반응의 생성물인 CO₂ 및 물이 혼합되어 배출된다. 배출되는 미반응 연료는 응축기(31)로 이동하며, 응축기(31)에서 응축된 미반응 연료는 혼합탱크(21)로 수집된다. 미반응 연료에 함유된 이산화탄소 등 기체 성분은 혼합탱크(21)에서 분리되어 외부로 유출될 수 있다. 혼합탱크(21)에 수집된 미반응 연료와 연료탱크(61)에서 공급되는 고농도 연료는 혼합된 후에 전지스택(10)의 애노드 전극으로 공급된다.

애노드 공급라인(20)은 혼합탱크(21)로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급한다. 이러한 애노드 공급라인(20)에는 혼합탱크(21)와 피드펌프(22)와 필터기(23)를 포함하고, 애노드 배출라인(30)은 애노드 토출부(10b)와 혼합탱크(21)를 연결한다.

캐소드 공급라인(40)은 산소를 포함하는 공기를 가압 및 공급하기 위한 송풍기(41)와, 공기 정화를 위한 필터기(42)를 포함하고, 캐소드 투입부(10c)에 유체를 공급한다.

캐소드 배출라인(50)은 캐소드 토출부(10d)에서 캐소드 배출물을 내보내기 위해 마련되며, 캐소드 배출라인(50)에는 캐소드 배출물을 응축하는 응축기(51)와, 응축기(51)를 거친 캐소드 배출물을 분리하기 위한 분리기(52)와, 캐소드 배출라인(50) 내에 유체 이동을 강제하기 위한 워터펌프(53)과, 정화를 위한 필터장치(54)를 포함한다. 이때, 분리기(52)는 응축기(51)를 거친 캐소드 배출물을 혼합탱크(21) 쪽으로 안내하는 제1 분리부(52a), 과잉액을 배출하는 제2 분리부(52b)와, 기체성분을 배출하기 위한 제3 분리부(52c)로 분리하여 토출할 수 있다.

연결라인(60)은 연료탱크(61)와 혼합탱크(21) 사이를 연결하며, 연료펌프(62)로 유체의 일방향 흐름을 구현한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템의 혼합탱크와 연료탱크를, 도 3과 4는 각각 제2실시예와 제3실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템의 혼합탱크와 연료탱크를 도시한다. 이하에서 설명하는 본 발명의 일실시예에 의한 선박용 연료전지 시스템에 대한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 전술한 연료전지 시스템에 대한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.

도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템은 캐소드 투입부(10c)와 토출부(10d), 애노드 투입부(10a)와 토출부(10b)를 가지는 전지스택(10), 혼합탱크(100)로부터 애노드 투입부(10a)에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인(20), 애노드 토출부(10b)와 혼합탱크(100)를 연결하는 애노드 배출라인(30), 캐소드 투입부(10c)에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인(40), 캐소드 토출부(10d)에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인(50), 증발가스를 포함하는 연료탱크(200)와, 혼합탱크(100)와 연료탱크(200)를 연결하고 연료탱크(200) 또는 혼합탱크(100) 내의 가스를 교환하는 가스교환라인(300)을 포함하고, 혼합탱크(100)에는 애노드 배출라인(30) 또는 캐소드 배출라인(50)에서 공급되는 유체를 분사하는 분사부(110)가 마련될 수 있다.

혼합탱크(100) 내부에는 액체가 저장되는 액체부(100a), 상기 액체에서 증발한 기체로 이루어진 기체부(100b)로 나눌 수 있다. 마찬가지로 연료탱크(200) 내부에도 액체가 저장되는 액체부(200a)와 상기 액체부(200a)에서 증발한 기체로 이루어진 기체부(200b)로 나눌 수 있다. 그 중 연료탱크(200)의 기체부(200b)는 액체부(200a)에서 증발한 메탄올 증기를 주 성분으로 하고 있으며, 이러한 메탄올 증기는 휘발성이 높아서 연료탱크(200)의 압력을 높이게 된다. 예를 들면 40도씨에서의 메탄올의 증기압력은 0.36 bar로, 연료탱크(200)를 40도씨에 방치했을 경우에 내부의 압력은 자연적으로 0.36 bar가 증가하게 된다. 이러한 연료탱크(200)에서의 압력 증가를 제어하기 위해서 통상의 경우에는 연료탱크(200) 외부로 배출되는 압력배출구(미도시)를 구축하나, 이러한 구성에 의하면 메탄올 증기가 외부로 누출되는 위험을 가지고 있다.

본 발명에 의해서 연료탱크(200)에 연결된 가스교환라인(300)을 통해서 메탄올 증기는 혼합탱크(100)로 공급될 수 있다. 또한 가스교환라인(300)을 통해서 공급된 메탄올 증기는 혼합탱크(100)에 설치된 분사부(110)를 통해서 분사되는 애노드 배출물 및 캐소드 배출물에 녹아들 수 있다. 애노드 배출물 및 캐소드 배출물은 일부 전지스택(10)에서 미반응한 메탄올이 포함되어 있으나, 주성분은 물로 구성되어 있다. 메탄올은 흡습성이 매우 높아서 물에 매우 잘 녹는 물질이므로, 분사부(100)를 통해서 분사되는 애노드 및 캐소드 배출물에 의해서 메탄올 증기는 혼합탱크(100)의 액체부(100a)로 회수될 수 있다.

이와 같은 구성에 의해서 연료탱크(200)의 압력으로 자연스럽게 혼합탱크(100)으로 메탄올을 공급할 수 있으며, 연료탱크(200)의 압력이 증가하는 것도 방지할 수 있으며, 또한 회수되는 애노드 및 캐소드 배출물을 이용하여 자연적으로 혼합탱크(200)에서의 메탄올 농도를 조절할 수 있다. 한편 필요에 따라 혼합탱크(100)의 분사구(11)으로 공급되는 애노드 배출물 및 캐소드 배출물은 분사구를 통하지 않고 직접 혼합탱크(100)으로 공급되는 바이패스 라인(미도시)를 구성하여 혼합탱크(100)에서의 메탄올 농도를 제어할 수도 있다.

또한 상기 분사구(110)은 메탄올 증기를 물에 더 잘 녹이기 위해서 스프레이 타입을 적용 할 수 있다. 또한 가스교환장치(300)에는 연료탱크(200)에서 혼합탱크(100)의 일방향으로 메탄올 증기가 흐를 수 있도록 체크밸브(미도시)가 추가될 수도 있다.

이처럼, 가스교환라인(300)은 메탄올 연료탱크(200)에서 메탄올 증기가 존재하는 상부에 마련되고, 이를 혼합탱크(100)로 연결하여 메탄올 증기가 혼합탱크(100)에도 공급될 수 있게 설치될 수 있다. 혼합탱크(100)에는 애노드 배출라인(30) 또는 캐소드 배출라인(50)에서 공급되는 배출물이 공급되는데, 이러한 배출물의 공급방식을 스프레이 타입(spray type)의 분사부(110) 형태로 구성하는 것이다. 혼합탱크(100)의 상부에서 애노드 배출라인(30) 또는 캐소드 배출라인(50)의 유체, 즉 배출물을 분사하면 메탄올 증기는 물에 녹아서 하부에 물과 메탄올 혼합물 (액체)로 저장할 수 있다. 그리고 이 혼합 액체는 전지스택(10)으로 공급될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료가스 시스템은 제2 연료탱크(200) 또는 혼합탱크(100)에 열교환기(120, 210, 220)가 마련되어 내부에 저장된 유체의 상변화를 조절할 수 있다. 이때, 열교환기(120, 210, 220)는 유체를 가열할 때는 전지스택(10)에서 발생되는 열 또는 선박의 엔진에서 발생되는 열을 사용하고, 유체를 냉각할 때는 해수나 담수를 사용할 수 있다. 메탄올 증기압은 온도의 함수이고, 온도가 증가하게 되면 메탄올 증기압도 증가하게 되는데, 열교환기(120, 210, 220)를 구비하여 메탄올 연료 사용량이 많거나 적은 경우에 따라 메탄올 증기량을 늘리거나 줄이는 것이다. 예를 들면 메탄올 증기압 P는 exp(A-B/T) 와 같은 수식 (1)으로 표시할 수 있고, 여기서 A, B는 상수이며, T는 온도값으로, A는 약 20, B는 약 5,000 정도의 값을 가진다. 즉 온도가 증가할 경우 메탄올 증기압도 증가하는 것을 수식으로 확인할 수 있다.

연료탱크(200)에 설치되는 열교환기(210, 220)는 연료탱크(200) 내에 액체부(200a)와 기체부(200b)에 각각 위치하고, 혼합탱크(100)의 열교환기(120)는 기체부(100b)에 메탄올 농도를 조절하기 위해 마련되거나, 도시되지는 않았으나 액체부(100a)에 가열을 위해 마련될 수 있다.

예를 들면, 연료탱크(200)의 온도가 상승하여 기체부(200b)의 압력, 즉 메탄올 증기압이 상승하게 되면 기체부(200b)에 설치된 열교환기(220)에 냉매(cooling medium)를 통과시켜 기체부(200a)의 온도를 낮춰서 기체부(200b)의 압력을 감소시킬 수 있다. 기체부(200b)의 압력의 감소로 가스교환장치(300)를 통해서 혼합탱크(100)으로 전달되는 메탄올 증기의 양을 감소시킬 수 있다. 이 때의 열교환기(200)에 사용하는 냉매는 기체부(200b)의 온도보다 낮은 매체를 사용할 수 있으며, 선박의 경우 해수를 사용할 수 있다. 반대로, 액체부(200a)에 설치된 열교환기(210)에 열매(heating medium)를 공급하여 액체부(200a)의 온도를 증가시킬 수 있다. 이 경우 수식 (1)에 의해서 메탄올 증기압은 높아지게 되고, 가스교환장치(300)을 통해서 혼합탱크(100)으로 전달되는 메탄올 증기의 양을 증가시킬 수 있다. 또한 마찬가지의 원리로 혼합탱크(100)에 설치된 열교환기(120)에 냉매(cooling medium)을 통과시켜 기체부(100a)의 압력을 낮추거나 높일 수도 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료가스 시스템은 혼합탱크(100)의 액체부(100a) 상측에는 흡습부(120)가 마련되고, 가스교환라인(300)에는 연료탱크(200)로부터 혼합탱크(100)로의 일방향 유체흐름만을 허용하는 체크밸브(310)가 마련될 수 있다.

혼합탱크(100)의 가운데에는 물을 흡수하는 흡습부(130)가 설치될 수 있다. 흡습부(130)는 상부 분사부(110)에서 뿌려지는 물을 흡수하며, 흡수량 이상이 되면, 중력에 의해 자연스럽게 아래의 액체부로 액체상태로 떨어지게 된다. 나아가, 흡습부(130)는 혼합탱크(100) 내에서의 기체 수분량을 감소시킬 수 있기에, 연료탱크(200)로의 메탄올의 역류를 방지할 수 있다. 또, 선박 모션에 의해서 혼합탱크(100)의 물과 메탄올이 연료탱크(200)로 오버플로우 되는 것을 방지하는 효과도 가져온다.

나아가, 혼합탱크(100)에는 물이 있고, 연료탱크(200)에는 메탄올이 저장되어 있어, 선박과 같이 좌우나 상하 움직임이 있는 상황에서는 거꾸로 혼합탱크(100)의 수분이 연료탱크(200)로 역류하여 연료탱크(200)의 메탄올에 흡수될 수 있는데, 이를 방지하게 위해 연료탱크(200)와 혼합탱크(100) 사이에는 체크밸브(310)가 설치될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 전지스택 10a: 애노드 투입부
10b: 애노드 토출부 10c: 캐소드 투입부
10d: 캐소드 토출부 20: 애노드 공급라인
21: 혼합탱크 21a: 농도센서
22: 피드펌프 23: 필터기
30: 애노드 배출라인 31: 응축기
40: 캐소드 공급라인 41: 송풍기
42: 필터기 50: 캐소드 배출라인
51: 응축기 52: 분리기
52a: 제1 분리부 52b: 제2 분리부
52c: 제3 분리부 53: 워터펌프
54: 필터장치 60: 연결라인
61: 연료탱크 62: 연료펌프
100: 혼합탱크 100a: 액체부
100b: 기체부 110: 분사부
120: 열교환기 130: 흡습부
200: 연료탱크 200a: 액체부
200b: 기체부 210: 열교환기
220: 열교환기 300: 가스교환라인
310: 체크밸브

Claims

캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택;
혼합탱크로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인;
상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인;
상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인;
상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인;
증발가스를 포함하는 연료탱크;와,
상기 혼합탱크와 연료탱크를 연결하고 상기 연료탱크 또는 상기 혼합탱크 내의 가스를 교환하는 가스교환라인;을 포함하고,
상기 혼합탱크에는 상기 애노드 배출라인 또는 캐소드 배출라인에서 공급되는 유체를 분사하는 분사부가 마련되는 선박용 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료탱크 또는 상기 혼합탱크에는 열교환기가 마련되어 내부에 저장된 유체의 상변화를 조절하는 선박용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 열교환기는
유체를 가열할 때는 상기 전지스택에서 발생되는 열 또는 선박의 엔진에서 발생되는 열을 사용하고, 유체를 냉각할 때는 해수나 담수를 사용하는 선박용 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 연료탱크의 액체부와 기체부, 상기 혼합탱크의 액체부와 기체부에 각각 위치하는 선박용 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 혼합탱크의 액체부 상측에는 흡습부가 마련되는 선박용 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 가스교환라인에는 상기 연료탱크로부터 상기 혼합탱크로의 일방향 유체흐름만을 허용하는 체크밸브가 마련되는 선박용 연료전지 시스템.