KR20200123884A - 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템 - Google Patents

선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20200123884A
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Abstract

본 발명은 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템은 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 신재생 에너지 발전부, 선박에 탑재되어 선박평형수를 보관 및 처리하며, 상기 신재생 에너지 발전부에서 생산된 전력을 공급받아 전기분해로 수소를 생산하는 수전해조 기능을 담당하는 선박평형수 처리시스템, 및 상기 선박평형수 처리시스템에서 생산된 수소와 산소를 이용하여 전기화학반응으로 선박에 필요한 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지를 포함한다.

Description

선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템{SOLID OXIDE FUEL CELL SYSTEM USING BALLAST WATER TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박평형수 처리시스템을 통해 수소를 생산하여 발전하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 통하여 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 일반적인 열기관에 비하여 에너지 변환 효율이 월등히 높기 때문에 연료 소비와 오염물질 및 온실가스 배출을 크게 감소시킬 수 있다.
일반적으로 연료전지는 수소 연료를 사용하여 작동하는 것으로 알려져 있으며 수소경제 구축을 위한 기반시설이 갖추어지기까지는 상용화가 제한될 것으로 인식되어 왔다. 그러나 600~1000℃의 고온에서 작동하는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소뿐만 아니라 천연가스, 프로판가스, LPG 등의 기존 탄화수소계열 연료와 바이오 연료 등 미래 대체 연료까지도 고가의 외부 개질기 없이 내부 개질을 통하여 자유롭게 사용할 수 있기 때문에 수소 기반시설 구축 여부에 상관 없이 폭 넓은 상용화가 이루어 질 수 있다.
또한 SOFC 자체의 연료 변환 효율이 45∼65%에 달하며 양질의 폐열을 활용한 열 병합 시스템을 통해서는 85% 이상의 시스템 효율을 얻을 수 있기 때문에 제1세대 인산형 연료전지(PAFC), 제2세대 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 뒤를 잇는 제3세대 연료전지라 불리며 차세대 친환경 전기 발전 방식으로 주목을 받고 있다.
한편, 최근 들어 선박의 발전시스템으로서, 선박용 고체산화물연료전지 시스템이 몇몇 소개되고 있다. 다만, 종래의 선박용 고체산화물연료전지 시스템은 고체산화물연료전지의 연료인 수소를 화석연료의 개질을 통해 생산하였다. 이에 따라, 종래의 선박용 고체산화물연료전지 시스템은 화석연료(예: 천연가스 등) 개질기, 고체산화물연료전지, 가스 터빈 등을 포함하여 구성되어 있었다.
따라서, 선박에 탑재된 선박평형수 처리시스템(BWTS: Ballast Water Treatment System)을 이용하여 전기분해로 청정 수소를 생산하고 제로 에미션(zero emission) 시스템을 구현할 수 있는 기술적 해결 방안이 요청된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0019466호(2009.02.25. 공개일)
본 발명의 목적은 선박에 기 탑재된 선박평형수 처리시스템을 이용하여 수소를 생산하여 발전하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 신재생에너지와 가스 터빈에서 생산된 전력으로 수소를 생산하고 연료전지에서 전력을 생산할 수 있어 제로 에미션 시스템의 구현이 가능한 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템은, 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 신재생 에너지 발전부; 선박에 탑재되어 선박평형수를 보관 및 처리하며, 상기 신재생 에너지 발전부에서 생산된 전력을 공급받아 전기분해로 수소를 생산하는 수전해조 기능을 담당하는 선박평형수 처리시스템; 및 상기 선박평형수 처리시스템에서 생산된 수소와 산소를 이용하여 전기화학반응으로 선박에 필요한 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지;를 포함한다.
이때, 상기 신재생 에너지 발전부는, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 굿웨더 발전유닛; 및 번개, 바람, 파도 중 적어도 하나를 이용하여 전력을 생산하는 오버캐스트 발전유닛;을 포함하여, 기후에 의한 출력 변동성을 대비할 수 있다.
또한, 상기 오버캐스트 발전유닛은, 번개로부터 에너지를 모아 전력을 생산하는 LIPC(Laser Induced Plasma Channel), 풍력 발전 장치, 파력 발전 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 일기의 변화에 대응할 수 있는 수전해를 위한 전력 공급 시스템을 구현할 수 있다. 예를 들어, 맑은 날에는 태양광을 이용하여 전력을 생산하고, 흐린 날에는 번개, 풍력, 조파, 그리고 선박의 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산하여 수전해를 위한 전력으로 공급할 수 있다. 또한, 날씨와 무관하게는 후술할 가스 터빈에서 생산된 추가 전력을 이용하여 수전해를 위한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 상기 선박평형수 처리시스템은, 전기분해로 수소 생산에 사용된 선박평형수의 부족분을 해수 도입을 통해 보충할 수 있다.
또한, 상기 선박평형수 처리시스템은, 전기분해로 생산한 수소를 상기 고체산화물 연료전지의 애노드(anode)로 공급할 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지에서 생산된 전력은 선박의 구동에 제공되거나, 또는 선박 내의 필요 부하에 제공될 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지에 공기를 공급하여 전기화학반응에 이용되는 산소를 제공하는 압축기;를 더 포함한다.
이때, 상기 압축기에서 공급되는 공기는 상기 고체산화물 연료전지의 캐소드(cathode)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지에서 미 사용된 고온의 가스를 공급받아 추가 전력을 생산하는 가스 터빈;을 더 포함한다.
또한, 상기 가스 터빈에서 생산된 추가 전력은 상기 선박평형수 처리시스템으로 공급되어 전기분해로 수소를 생산하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면 선박에 기 탑재된 선박평형수 처리시스템을 이용하여 수소를 생산하여 고체산화물 연료전지 시스템에서 필요한 전력을 생산할 수 있다.
예를 들어, 선박평형수 처리시스템에 신재생에너지와 가스터빈이 생산한 전력을 공급하여 수소를 생산한다. 그리고 생산된 수소를 고체산화물 연료전지에 공급하여 전기화학반응을 일으켜 선박에 필요한 전력을 생산한다. 이로써 제로 에미션(zero emission) 시스템의 구현이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 기후에 의한 출력 변동성이 큰 신재생에너지의 특징을 고려하여 수전해에 필요한 전력을 생산하는 유닛을 굿웨더 유닛(good weather unit)과 오버캐스트 유닛(overcast unit)으로 구분하여 설치하여, 기후 변동성에 대비할 수 있다.
예를 들어, 굿웨더 유닛은 맑은 날씨 조건에서 태양광으로 전력을 생산하고 수전해로 수소를 생산할 수 있다. 오버캐스트 유닛은 흐린 날씨에 번개와, 번개로부터의 에너지를 모을 수 있는 LIPC(laser induced plasma channel)에서 전력을 생산하고, 또는 풍력과 파력으로 전력을 생산하는 장치로 전력을 생산하여 수전해로 수소를 생산할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 일기의 변화에 대응이 가능한 수전해 전력공급 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 선박에 기 설치된 선박평형수 처리시스템을 수전해에 이용할 수 있어 수전해를 위한 전해조를 별도로 구비하지 않을 수 있는 장점이 있다. 이때, 수소를 생산하는데 사용된 선박평형수는 해수를 통해 보충하고, 이에 대한 처리는 기존의 선박평형수 처리시스템으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 선박평형수 처리시스템을 통해 생산한 수소는 연료전지의 애노드(anode)로 공급되고 연료전지에서 생성된 전력으로 선박을 구동하거나 기타 부하에 공급하여 사용할 수 있다. 이때, 컴프레서는 공기를 연료전지의 캐소드(cathode)로 공급하며 미 사용된 고온의 가스는 가스 터빈으로 공급되어 추가 전력 생성하는데, 이렇게 가스 터빈에서 생성된 전력도 수전해를 위한 전력으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템에서 굿웨더 발전유닛과 오버캐스트 발전유닛의 구현 예를 나타낸 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템을 간략히 도시한 개념도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템에서 굿웨더 발전유닛과 오버캐스트 발전유닛의 구현 예를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템(100)은 신재생 에너지 발전부(110), 선박평형수 처리시스템(140), 및 고체산화물 연료전지(150)를 포함한다.
신재생 에너지 발전부(110)는 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
구체적인 예로서, 신재생 에너지 발전부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 굿웨더 발전유닛(120)과 오버캐스트 발전유닛(130)을 포함한다.
굿웨더 발전유닛(120)은 맑은 날에 전력을 생산할 수 있는 발전장치로서, 바람직하게는 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광 발전장치를 포함할 수 있다.
이와 같이, 굿웨더 발전유닛(120)을 통해 생산된 전력은 수전해로 수소를 생산하는데 이용될 수 있다.
오버캐스트 발전유닛(130)은 흐린 날 또는 악천후에 번개, 바람, 파도 중 하나 이상을 이용하여 전력을 생산하는 발전장치를 말한다.
예를 들어, 오버캐스트 발전유닛(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 LIPC(laser induced plasma channel)(131)을 포함할 수 있다.
LIPC(131)은 번개로부터의 에너지를 모아 전력을 생산하는 장치이다.
이외에도 오버캐스트 발전유닛(130)은 바람(즉, 풍력), 파도(즉, 조파)를 이용하여 전력을 생산하는 발전장치를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 일기의 변화에 대응하여 수전해로 수소를 생산하는데 필요한 전력을 생산할 수 있다. 맑은 날에는 태양광을 이용하여 전력을 생산하고, 흐린 날에는 번개, 풍력, 조파, 그리고 선박의 운동 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 이와 함께, 날씨와 무관하게 후술할 가스 터빈(180)에서 생산된 추가 전력을 이용하여 수전해로 수소를 생산하는데 필요한 전력을 공급할 수 있다.
선박평형수 처리시스템(140)은 선박에 기 탑재된 시스템 중 하나로서, 선박평형수를 보관, 관리 및 처리하는 시스템이다.
본 발명에서의 선박평형수 처리시스템(140)은 신재생 에너지 발전부(110)에서 생산된 전력을 공급받아 전기분해로 수소를 생산하는 수전해조 기능을 제공할 수 있다.
만일, 선박평형수 처리시스템(140)에 보관된 선박평형수가 전기분해로 수소의 생산에 사용되고 나면, 선박평형수 처리시스템(140)에 보관된 선박평형수의 부족분이 발생될 수 있다.
이를 위해, 선박평형수 처리시스템(140)에는 해수 보충유닛(190)이 연결되어, 수소의 생산으로 인해 부족해진 선박평형수를 해수 도입을 통해 보충할 수 있다.
한편, 선박평형수 처리시스템(140)에서 전기분해로 생산된 수소는 고체산화물 연료전지(150)로 공급된다.
구체적인 예로서, 선박평형수 처리시스템(140)에서 생산된 수소는 고체산화물 연료전지(150)의 애노드(anode)로 공급될 수 있다.
고체산화물 연료전지(150)는 선박평형수 처리시스템(140)에서 생산된 수소와 산소를 이용하여 전기화학반응으로 선박에 필요한 전력을 생산할 수 있다.
이와 같이, 고체산화물 연료전지(150)에서 생산된 전력은 선박 구동부(170)로 공급되어 선박의 구동, 즉 추진에 이용될 수 있다. 또는 고체산화물 연료전지(150)에서 생산된 전력은 선박 내의 필요 부하에 제공될 수 있다.
한편, 압축기(160)는 고체산화물 연료전지(150)에 공기를 공급한다.
고체산화물 연료전지(150)는 선박평형수 처리시스템(140)에서 공급된 수소와, 압축기(160)에서 공급된 공기 중의 산소를 전기화학반응 시키는데, 이를 통해 선박에 필요한 전력을 생산할 수 있다.
구체적인 예로서, 압축기(160)에서 공급되는 공기는 고체산화물 연료전지(150)의 캐소드(cathode)로 공급될 수 있다.
고체산화물 연료전지(150)에서 미 사용된 고온의 가스는 가스 터빈(180)으로 공급된다.
가스 터빈(180)은 고체산화물 연료전지(150)에서 미 사용된 고온의 가스를 공급받아 추가적으로 전력을 생산한다.
이처럼, 가스 터빈(180)에서 생산된 추가 전력은 다시 선박평형수 처리시스템(140)으로 공급되며, 선박평형수를 이용하여 전기분해로 수소를 생산하는데 필요한 전력으로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 선박에 기 탑재된 선박평형수 처리시스템을 이용하여 수소를 생산하여 고체산화물 연료전지 시스템에서 필요한 전력을 생산할 수 있다. 예를 들어, 선박평형수 처리시스템에 신재생에너지와 가스터빈이 생산한 전력을 공급하여 수소를 생산한다. 그리고 생산된 수소를 고체산화물 연료전지에 공급하여 전기화학반응을 일으켜 선박에 필요한 전력을 생산한다. 이로써 제로 에미션(zero emission) 시스템의 구현이 가능한 장점이 있다.
나아가, 기후에 의한 출력 변동성이 큰 신재생에너지의 특징을 고려하여 수전해에 필요한 전력을 생산하는 유닛을 굿웨더 유닛(good weather unit)과 오버캐스트 유닛(overcast unit)으로 구분하여 설치하여, 기후 변동성에 대비할 수 있다. 예를 들어, 굿웨더 유닛은 맑은 날씨 조건에서 태양광으로 전력을 생산하고 수전해로 수소를 생산할 수 있다. 오버캐스트 유닛은 흐린 날씨에 번개와, 번개로부터의 에너지를 모을 수 있는 LIPC(laser induced plasma channel)에서 전력을 생산하고, 또는 풍력과 파력으로 전력을 생산하는 장치로 전력을 생산하여 수전해로 수소를 생산할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 일기의 변화에 대응이 가능한 수전해 전력공급 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
더 나아가, 선박에 기 설치된 선박평형수 처리시스템을 수전해에 이용할 수 있어 수전해를 위한 전해조를 별도로 구비하지 않을 수 있는 장점이 있다. 이때, 수소를 생산하는데 사용된 선박평형수는 해수를 통해 보충하고, 이에 대한 처리는 기존의 선박평형수 처리시스템으로 구현할 수 있다.
한편, 선박평형수 처리시스템을 통해 생산한 수소는 연료전지의 애노드(anode)로 공급되고 연료전지에서 생성된 전력으로 선박을 구동하거나 기타 부하에 공급하여 사용할 수 있다. 이때, 컴프레서는 공기를 연료전지의 캐소드(cathode)로 공급하며 미 사용된 고온의 가스는 가스 터빈으로 공급되어 추가 전력 생성하는데, 이렇게 가스 터빈에서 생성된 전력도 수전해를 위한 전력으로 사용할 수 있는 유리한 기술적 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템
110: 신재생 에너지 발전부
120: 굿웨더 발전유닛
130: 오버캐스트 발전유닛
131: LIPC
140: 선박평형수 처리시스템
150: 고체산화물 연료전지
160: 압축기
170: 선박 구동부
180: 가스 터빈
190: 해수 보충유닛

Claims (9)

  1. 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 신재생 에너지 발전부;
    선박에 탑재되어 선박평형수를 보관 및 처리하며, 상기 신재생 에너지 발전부에서 생산된 전력을 공급받아 전기분해로 수소를 생산하는 수전해조 기능을 담당하는 선박평형수 처리시스템; 및
    상기 선박평형수 처리시스템에서 생산된 수소와 산소를 이용하여 전기화학반응으로 선박에 필요한 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지;
    를 포함하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신재생 에너지 발전부는,
    태양광을 이용하여 전력을 생산하는 굿웨더 발전유닛; 및
    번개, 바람, 파도 중 적어도 하나를 이용하여 전력을 생산하는 오버캐스트 발전유닛;
    을 포함하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오버캐스트 발전유닛은,
    번개로부터 에너지를 모아 전력을 생산하는 LIPC(Laser Induced Plasma Channel), 풍력 발전 장치, 파력 발전 장치 중 적어도 하나를 포함하는
    선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선박평형수 처리시스템은,
    전기분해로 수소 생산에 사용된 선박평형수의 부족분을 해수 도입을 통해 보충하는 것을 특징으로 하는
    선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선박평형수 처리시스템은,
    전기분해로 생산한 수소를 상기 고체산화물 연료전지의 애노드(anode)로 공급하는 것을 특징으로 하는
    선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지에서 생산된 전력은 선박의 구동에 제공되거나, 또는 선박 내의 필요 부하에 제공되는 것을 특징으로 하는
    선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지에 공기를 공급하여 전기화학반응에 이용되는 산소를 제공하는 압축기;
    를 더 포함하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압축기에서 공급되는 공기는 상기 고체산화물 연료전지의 캐소드(cathode)로 공급되는 것을 특징으로 하는
    선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지에서 미 사용된 고온의 가스를 공급받아 추가 전력을 생산하는 가스 터빈;
    을 더 포함하는 선박평형수 처리시스템을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템.
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