KR20190072950A - 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에서 전기 에너지를 생산 후 발생하는 청수를 밸러스트 탱크로 보냄으로써, 밸러스트 수 처리 장치(BWTS) 없이도 운용 가능한, 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 밸러스트 탱크를 구비한 선박에 있어서, 해수의 나트륨을 사용하여 수소를 발생하는 수소 발생 장치와, 상기 수소 발생 장치에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에서 발생한 청수(Fresh Water)를 배출하는 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 배출된 청수를 상기 밸러스트 탱크로 보내는 이송관을 포함하는, 선박 운용 시스템이 제공된다.

Description

연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법{SHIP OPERATION SYSTEM AND METHOD USING FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING OF THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 시스템에서 전기 에너지를 생산 후 발생하는 청수를 밸러스트 탱크로 보냄으로써, 밸러스트 수 처리 장치(BWTS) 없이도 운용 가능한, 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화물선은 선적 화물이 충분하지 않을 경우 물속에서 추진기 및 방향타의 효율적인 작동과 균형 유지 및 안정성을 높이기 위해 밸러스트 탱크(ballast water tank)에 해수를 담은 상태로 운항되는데, 밸러스트 탱크 내에 적재되는 물을 일반적으로 밸러스트 수(ballast water)라 부른다.
밸러스트 수는 선박의 흘수와 트림(trim: 선박의 앞뒤 경사)을 조절하기 위하여 적재하는 중량물로서, 선박의 균형 유지와 안정성을 높이는 기능을 하게 되며, 화물을 충분히 적재하지 않은 경우에 추진기와 방향타가 물속에서 효과적으로 작동되게 하는 보조기능을 수행하게 된다.
밸러스트 수는 선박이 철재로 건조되기 시작한 1870년대 후반부터 사용되고 있으며, 선박에 따라 밸러스트 수를 적재하지 않고 광석이나 모래 등을 밸러스트로 사용하는 경우도 있으나, 오늘날에는 해수나 담수를 밸러스트로 사용하는 것이 보편화되어 있다.
한편, 항만이나 수로 또는 대양에서 해수 또는 담수를 취수하여 밸러스트 탱크에 적재되는 밸러스트 수에는 통상 취수된 해수 또는 담수에 포함된 여러 가지 해양생물이 포함되며, 이들이 밸러스트 수와 함께 취수되어 선박의 밸러스트 탱크로 옮겨진다.
밸러스트 수의 취수와 배출은 선박이 기항하는 국가의 산업발전 정도, 자원 등의 보존 여부 등에 따라 차이가 있을 수 있는데, 선박의 특성상 밸러스트 수를 대량으로 적재해야 하는 유조선이나 산적 화물선(bulk carrier)의 경우, 산유국이나 철광석 등의 원료 수출국이 수입국에 비하여 밸러스트 수에 기생하는 각종 병원균이나 외래 해양 생물종의 위험에 노출될 가능성이 많다.
국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)의 자료에 따르면, 전세계적으로 매년 100억 톤 이상의 밸러스트 수를 운송하는 것으로 추정되고 있다.
밸러스트 수의 가장 큰 문제점은 기본적으로 밸러스트 수가 외래 해양 생물종을 전파하는 매체로 이용된다는 점인데, 즉 밸러스트 수 내에 포함된 특정 해역의 생물 또는 병원균 등이 밸러스트 수를 담고 있는 선박에 의해 전혀 다른 타 해역으로 이송되어 그 해역의 환경과 생태계를 교란시키는 부작용을 유발하게 된다.
이에, 국제해사기구(IMO)에서는 2004년 2월 국제협약을 체결하여 2009년부터 순차적으로 밸러스트수 처리 장치(BTWS: Ballast Water Treatment System)를 선박에 탑재하도록 하여 위반시 해당 선박의 입항을 전면금지하도록 하였다.
이러한 밸러스트 수 처리 장치의 의무 설치 규정이 강화됨에 따라 선박에는 밸러스트 수 처리 장치를 탑재할 공간, 보다 구체적으로 저장공간, 저장공간에 해수를 공급하는 공급라인 및 저장 공간에서 선외로 배출하는 배출라인 등의 설치공간이 필요한 실정이다. 이에, 밸러스트 수 처리 장치를 선박에 설치하지 않고도 밸러스트 탱크에 청수를 공급하고 밸러스트 탱크의 청수가 선외로 배출시킬 수 있는 선박 운용 시스템이 요구된다.
또한, 선박의 엔진, 예컨대 메인 발전기에 의해 발전된 전기 에너지를 추진 모터에 공급하여 추진기를 구동시키는데, 선박의 발전 및 추진을 위해 메인 발전기에서 오염물질이 배출되므로, 항구에 인접한 해역 등 환경오염 규제가 적용되는 해역에서 오염물질 배출량 제로를 달성할 수 있는 선박 운용 시스템의 요구가 존재한다.
대한민국 등록특허공보 제366250호(2011.05.17) "선박용 밸러스트 시스템"
본 발명의 목적은, 연료 전지 시스템에서 전기 에너지를 생산 후 발생하는 청수를 밸러스트 탱크로 보냄으로써, 밸러스트 수 처리 장치(BWTS) 없이도 운용 가능한, 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밸러스트 탱크를 구비한 선박에 있어서, 해수의 나트륨을 사용하여 수소를 발생하는 수소 발생 장치와, 상기 수소 발생 장치에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에서 발생한 청수(Fresh Water)를 배출하는 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템; 및 상기 연료 전지 시스템에서 배출된 청수를 상기 밸러스트 탱크로 보내는 이송관을 포함하는, 선박 운용 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 운용 시스템은 상기 연료 전지 시스템에 해수를 공급하기 위한 해수 공급 펌프; 상기 해수 공급 펌프와 상기 연료 전지 시스템 사이에 설치되는 밸브; 및 상기 밸브의 개도를 제어하여 상기 연료 전지 시스템에 공급되는 해수의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 선박의 밸러스트(Ballast)를 위해 추가적인 밸러스트 수의 양을 결정하고, 결정된 밸러스트 수의 양에 맞춰지도록 상기 연료 전지 시스템에 공급되는 해수의 유량을 조절할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 조절된 해수의 유량에 상응하게 상기 연료 전지에서 발생되는 청수의 발생량도 조절될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은 상기 밸브의 개도를 제어하여 조절된 해수의 유량이 일정 유량을 초과한 초과유량에 의해 생산된 전력을 버스를 거쳐 배터리에 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 운용 시스템은 상기 연료 전지 시스템에 의해 생산된 전기 에너지를 공급받는 전기식 추진 모터; 및 상기 전기식 추진 모터의 회전에 따라 구동되는 프로펠러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밸러스트 탱크 및 연료 전지 시스템을 구비한 선박 운용 시스템의 운용 방법으로서, 상기 연료 전지 시스템에 해수를 공급하는 단계; 상기 공급된 해수의 나트륨을 사용하여 수소 발생 장치에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지에서 발생한 청수(Fresh Water)를 배출하는 단계; 및 상기 배출된 청수를 이송관을 통해 상기 밸러스트 탱크로 보내는 단계를 포함하는, 선박 운용 시스템의 운용 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면 연료 전지 시스템에서 전기 에너지를 생산 후 발생하는 청수를 밸러스트 탱크로 보냄으로써, 밸러스트 수 처리 장치(BWTS) 없이도 운용 가능한 효과가 있다. 이에, 선박 공간을 최적화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료 전지 시스템에서 생산된 전기 에너지를 전기식 추진 모터에 제공함으로써, 연료비 소모를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 오염물질 배출량 제로를 달성할 수 있는 효과도 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면 선박의 밸러스트를 위해 필요한 밸러스트 수의 양에 맞춰 연료 전지 시스템에 공급되는 해수의 유량이 조절함으로써, 해수의 유량이 일정 유량을 초과한 초과 유량에 의해 생산된 전기 에너지를 배터리에 충전하여 활용할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템을 설명하기 위한 도면을 도시하고 있고, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 시스템을 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템은 선박의 밸러스트를 위해 구비된 복수의 밸러스트 탱크(10)와, 밸러스트 탱크(10)에 청수를 공급하는 연료 전지 시스템(20)과, 연료 전지 시스템(20)에 공급되는 해수의 유량을 조절하기 위한 밸브(B)의 개도를 제어하는 제어부(15)를 포함하여 이루어진다.
연료 전지 시스템(20)에는 해수가 공급된다. 해수는 해수 공급 펌프(5)를 통해 연료 전지 시스템(20)에 공급된다.
도 2를 참조하면 연료 전지 시스템(20)은 해수 공급 펌프(5)를 통해 공급받은 해수의 나트륨을 사용하여 수소를 발생하는 수소 발생 장치(21)와, 수소 발생 장치(21)에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(22)와, 연료 전지(22) 내부에서 발생한 물, 즉 청수(Fresh Water)를 배출하는 배출부(23)를 포함한다.
연료 전지(22)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전장치로서, 수소는 수소 발생 장치(21)로부터 공급받고, 산소는 공기에 포함된 산소를 이용하게 된다.
특히, 연료 전지(22)는 소정의 물을 포함한 수소와 소정의 물을 포함한 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 발생하게 되며, 적정 온도로 가열되었을 때 보다 효율적으로 작동하게 된다.
이러한 연료 전지(22)는 수소와 산소의 반응으로 전기 에너지를 생산할 때 물(청수)도 같이 발생하게 되는데, 연료 전지(22) 내부에서 발생한 청수는 배출부(23)와 연결된 이송관(L)을 통해 밸러스트 탱크(10)로 안내된다. 선박의 밸러스트를 필요로 하지 않을 때는 수소 발생 장치(21)로 안내된다.
수소 발생 장치(21)는 물을 내부에 공급받아 수소를 발생하도록 구성된 것으로, 수소 발생 장치(21)의 내부에는 물과 반응하여 수소를 발생시키는 수소발생재료가 내장되며, 수소발생재료는 물과 반응시에 수소와 열을 발생하게 된다.
연료 전지 시스템(20)은 일정량의 전기 에너지를 생산하기 위한 미리 정해진 일정량의 해수를 공급받고, 공급받은 일정량의 해수에 의해 생산된 전기 에너지를 버스를 거쳐 전기식 추진 모터(40)에 제공한다.
또한, 연료 전지 시스템(20)은 전기식 추진 모터(40)에 제공하는 일정량의 전기 에너지를 제외한 나머지 전기 에너지를 버스를 거쳐 배터리(30)에 충전한다.
전기식 추진 모터(40)는 추진기(50)와 연결되어, 연료 전지 시스템(20)으로부터 공급받은 전기 에너지에 따라 구동된다.
전기식 추진 모터(40)와 추진기(50) 사이에는 미도시된 클러치가 설치되어, 정박시 클러치를 단속하여 추진기(50)의 동력이 공급되지 않도록 한다.
전기식 추진 모터(40)의 회전에 따라 추진기(50)는 구동되어, 선박을 추진시킨다. 이에 전기식 추진 모터(40)에 인가되는 전기 에너지를 연료 전지 시스템(20)에서 공급받아 연료비 소모를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소 배출량이 제로인 선박 운용 시스템을 구축할 수 있다.
해수 공급 펌프(5)와 연료 전지 시스템(20) 사이에는 밸브(B)가 설치된다. 밸브(B)의 개도는 제어부(15)의 제어를 받는다.
제어부(15)는 선박의 밸러스트가 불필요한 경우 연료 전지 시스템(20)에 미리 정해진 일정량의 유량이 공급되도록 밸브(B)의 개도가 제어되지만, 선박의 밸러스트가 필요한 경우 추가적으로 필요한 밸러스트 수의 양을 결정하여 결정된 밸러스트 수의 양에 맞춰지도록 밸브(B)의 개도를 제어하여 연료 전지 시스템(20)에 공급되는 해수의 유량을 조절한다.
이때, 선박의 밸러스트가 필요하여 밸러스트 탱크(10)에 추가적으로 공급되는 밸러스트 수의 양만큼 늘리기 위해 일정량의 유량보다 더 많은 유량이 연료 전지 시스템(20)에 공급되도록 밸브(B)의 개도를 제어하면, 일정량의 유량보다 더 많은 유량이 연료 전지 시스템(20)에 공급되어 결국 연료 전지 시스템(20)에서 생산되는 전기 에너지의 양 또한 일정량보다 많아져 연료 전지(22)에서 발생되는 청수의 발생량도 증가하게 된다. 이에, 일정량을 초과한 전기 에너지는 버스를 거쳐 배터리(30)에 충전되도록 하여 선박내 소요처에 공급되도록 하고, 연료 전지(22)에서 발생된 청수는 이송관(L)을 통해 밸러스트 탱크(10)로 보내진다.
밸러스트 수가 추가적으로 필요한 경우 제어부(15)는 연료 전지 시스템(20)에 공급되는 해수의 유량을 조정하여 청수 생산 속도를 높인다. 이에 따라, 연료 전지 시스템(20)의 반응시간이 빨라져 원하는 수량의 청수가 생산 가능하다.
이송관(L)은 연료 전지 시스템(20)과 선박내 배치된 밸러스트 탱크(10)를 연결하는 연결라인으로서, 연료 전지 시스템(20)의 배출부(23)에서 배출된 청수를 밸러스트 탱크(10)로 이송한다.
도 1에서는 선박의 좌현과 우현에 하나의 밸러스트 탱크(10)가 배치된 것으로 도시하고 있지만, 선박의 좌현과 우현에 복수개의 밸러스트 탱크가 각각 배치되며, 복수개의 밸러스트 탱크와 연료 전지 시스템(20)은 개별적으로 이송관(L)에 의해 연결되어 있다.
연료 전지 시스템(20)에서 발생된 청수를 밸러스트 탱크(10)의 밸러스트 수로 사용함으로써, 밸러스트 탱크(10)에 밸러스트 수를 채우거나 밸러스트 탱크(10)에서 선외로 밸러스트 수를 배출할 때 BWTS를 거쳐지 않아도 되어 BWTS를 제거해도 운용 가능하다. 이에, BWTS 설치에 따른 설치공간과 배관라인의 제거로 인해 선박 공간을 확보할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 시스템을 이용한 선박 운용 방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용한 선박 운용 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 도시하고 있다.
여기서는 선박의 밸러스트를 위해 추가적인 밸러스트 수의 양이 필요한 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면 본 발명에 의한 선박 운용 시스템은 해수 공급 펌프(5)를 통해 공급되는 해수의 유량을 밸브(B)의 개도에 따라 조절하여 조절된 해수의 유량을 연료 전지 시스템(20)에 공급한다(S11). 밸브(B)의 개도는 제어부(15)의 제어를 받는다.
보다 구체적으로, 제어부(15)는 선박의 밸러스트를 위해 어느쪽에 배치된 밸러스트의 탱크에 얼마 만큼의 추가적인 밸러스트 수의 양이 필요한지를 결정하고, 결정된 밸러스트수의 양에 맞춰지도록 밸브(B)의 개도를 제어하여 연료 전지 시스템(20)에 공급되도록 한다.
선박 운용 시스템은 연료 전지 시스템(20)에 의해, 해수의 나트륨을 사용하여 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 통해 전기 에너지를 생산하는 연료 전지(22)에서 발생한 청수를 배출한다(S13).
선박 운용 시스템은 이송관(L)을 통해 연료 전지 시스템(20)의 배출부(23)에서 배출된 청수를 추가적인 밸러스트 수가 필요한 밸러스트 탱크(10)로 보낸다(S15). 이에, 연료 전지 시스템(20)에서 발생한 청수를 밸러스트 탱크(10)의 밸러스트 수로 사용함으로써 선박에 BWTS 없이도 운용 가능하다. BWTS 없이도 선박의 운용이 가능해짐에 따라 BWTS 설치에 따른 설치공간 및 배관라인 제거로 선박 공간을 최적화할 수 있다.
이후, 선박 운용 시스템은 연료 전지 시스템(20)에 의해, 미리 정해진 일정량의 전기 에너지를 전기식 추진 모터(40)에 제공한다(S17). 선박 운용 시스템은 연료 전지 시스템(20)에서 생산된 일정량의 전기 에너지를 제외한 나머지 전기 에너지는 버스를 거쳐 배터리(30)에 충전시킨다. 이에, 선박 내 전력이 필요한 곳에 공급되도록 하여 연료 전지 시스템(20)에서 생산된 전기 에너지를 활용할 수 있다.
전기식 추진 모터(40)는 연료 전지 시스템(20)으로부터 제공된 전기 에너지에 따라 구동된다. 이에, 종래 메인 발전기에 의해 발생된 전기 에너지를 공급받아 구동될 때와 비교해볼 때 연료비 소모를 최소화할 수 있고, 탄소배출량 제로를 달성할 수 있다.
전기식 추진 모터(40)의 회전에 따라 추진기(50)를 구동시킨다(S19). 추진기(50)의 구동에 따라 선박이 추진된다. 정박시에는 전기식 추진 모터(40)와 추진기(50) 사이의 클러치를 통해 전기식 추진 모터(40)와 추진기(50)를 분리시켜 추진기(50)로 동력 전달을 차단한다.
본 실시예에서는 선박의 밸러스트가 필요한 경우로 한정하여 설명하고 있지만, 선박의 밸러스트가 필요 없는 경우에도 운용 가능함은 물론이다. 선박의 밸러스트가 필요 없는 환경에서 연료 전지 시스템(20)은 연료 전지(22)에서 발생된 청수를 수소 발생 장치(21)로 보내고, 선박의 밸러스트가 필요한 환경에서 연료 전지 시스템(20)의 연료 전지(22)에서 발생된 청수를 밸러스트 탱크(10)로 보내도록 구현 가능하다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
5 : 해수 공급 펌프 10 : 밸러스트 탱크
15 : 제어부 20 : 연료 전지 시스템
30 : 배터리 40 : 전기식 추진 모터
50 : 추진기

Claims (7)

  1. 밸러스트 탱크를 구비한 선박에 있어서,
    해수의 나트륨을 사용하여 수소를 발생하는 수소 발생 장치와, 상기 수소 발생 장치에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지와, 상기 연료 전지에서 발생한 청수(Fresh Water)를 배출하는 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템; 및
    상기 연료 전지 시스템에서 배출된 청수를 상기 밸러스트 탱크로 보내는 이송관을 포함하는, 선박 운용 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에 해수를 공급하기 위한 해수 공급 펌프;
    상기 해수 공급 펌프와 상기 연료 전지 시스템 사이에 설치되는 밸브; 및
    상기 밸브의 개도를 제어하여 상기 연료 전지 시스템에 공급되는 해수의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함하는, 선박 운용 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 선박의 밸러스트(Ballast)를 위해 추가적인 밸러스트 수의 양을 결정하고, 결정된 밸러스트 수의 양에 맞춰지도록 상기 연료 전지 시스템에 공급되는 해수의 유량을 조절하는, 선박 운용 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 조절된 해수의 유량에 상응하게 상기 연료 전지에서 발생되는 청수의 발생량도 조절되는, 선박 운용 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 상기 밸브의 개도를 제어하여 조절된 해수의 유량이 일정 유량을 초과한 초과유량에 의해 생산된 전력을 버스를 거쳐 배터리에 충전하는, 선박 운용 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템에 의해 생산된 전기 에너지를 공급받는 전기식 추진 모터; 및
    상기 전기식 추진 모터의 회전에 따라 구동되는 프로펠러를 더 포함하는, 선박 운용 시스템.
  7. 밸러스트 탱크 및 연료 전지 시스템을 구비한 선박 운용 시스템의 운용 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템에 해수를 공급하는 단계;
    상기 공급된 해수의 나트륨을 사용하여 수소 발생 장치에서 발생된 수소와, 공기 또는 산소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료 전지에서 발생한 청수(Fresh Water)를 배출하는 단계; 및
    상기 배출된 청수를 이송관을 통해 상기 밸러스트 탱크로 보내는 단계를 포함하는, 선박 운용 시스템의 운용 방법.
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