KR20240045754A - 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법 - Google Patents

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KR20240045754A
KR20240045754A KR1020220125448A KR20220125448A KR20240045754A KR 20240045754 A KR20240045754 A KR 20240045754A KR 1020220125448 A KR1020220125448 A KR 1020220125448A KR 20220125448 A KR20220125448 A KR 20220125448A KR 20240045754 A KR20240045754 A KR 20240045754A
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조희주
구규완
김신형
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한화오션 주식회사
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Abstract

본 발명은 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소를 저장하기 위한 모바일용 에너지 공급 시스템은, 연료를 저장하는 연료 저장부, 상기 연료를 개질하여 개질가스를 형성하는 연료 개질부, 상기 연료 개질부로부터 개질 된 개질가스를 고순도 정제하여 고순도 수소를 생산하는 수소 정제부, 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 저장하는 수소 저장부 및 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 연료 전지부를 포함한다.

Description

모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법{Energy supply system for mobile and operating method thereof}
본 발명은 모바일 수소 공급 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다. 상세하게는, 탄소를 포함하는 액체연료를 연료로 사용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 전기를 생산하거나, 고압 압축하여 수소를 저장할 수 있는 모바일용 수소 공급 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지 고간의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지로서, 수소 에너지가 각광받고 있다.
일반적으로 수소는 제조방법에 따라 부생수소, 수전해수소, 개질 수소로 구분된다. 상기 부생수소는 석유화학(나프타 분해) 공정이나 제철 공정에서 화학반응에 의해 부수적으로 생산되는 수소이며, 수전해 수소는 전기화학 반응에 기인한 물 분해 방식으로 수전해 장치를 이용하여 물에 전기를 가하면 생성되는 수소이다. 또한 상기 개질 수소는 천연가스, 석탄, 석유 등 탄화수소계 화석연료의 개질 반응을 통해 생성되는 수소이다.
상기와 같은 방법으로 제조 된 수소는 밀도가 작은 것으로 대량으로 저장하기 위하여 액화, 고압압축, 액체유기화합물과 같은 기술을 활용하게 된다.
도 1은 일반적인 수소 생산방법에 따른 수소 저장 방법을 도식화 한 것으로, 도 1(a)는 부생 수소 및 수전해 수소의 저장방법에 관한 것이다. 부생 수소 및 수전해 수소의 경우 화학공정 또는 수전해공정을 통해 생산된 수소를 고압압축을 거쳐 수소 트레일러에 저장하게 된다. 이때, 저장용기에 20MPa압력으로 단위 부피(m3)당 14.8kg의 수소를 저장할 수 있는 것으로 최대 충전양이 한정되어 있다.
또한, 수전해수소의 경우 물의 단위 부피 당 83.3kg의 수소를 생산할 수 있지만 1kg의 수소를 생산하기 위하여 50kWh 내지 57 kWh의 전기에너지가 필요한 것으로, 고용량 전기공급 설비를 필요로 한다.
도 1(b)는 액화수소의 저장방법에 관한 것이다. 액화수소는 수소를 저온에서 액체 상태로 수소를 저장하는 것으로, -253℃(대기압 기준)로 액화시킬 경우 단위 부피당(m3) 70kg의 수소를 저장할 수 있다. 하지만, 액화의 경우 고성능 단열재를 사용하는 극저온 저장용기를 갖춰야 한다는 단점이 있다.
도 1(c)는 유기화합물의 저장방법에 관한 것이다. 유기화합물 저장방법은 수소화 반응을 통해 유기화합물에 수소를 저장하고, 탈수소화 반응을 통해 유기화합물로부터 수소를 배출하는 것으로, 유기화합물로서 N-에틸카바졸(N-ethylcarbazole), 메틸사이클로헥산(MCH, Methyl cyclohexane) 등을 사용할 수 있다. N-에틸카바졸(N-ethylcarbazole)의 경우 이론적 수소저장 능력이 5.8wt%이지만 수소화 반응 시 170℃/약 70bar, 탈수소화 반응 시 200℃/대기압 조건을 필요로 한다. 또한, 메틸사이클로헥산(MCH, Methyl cyclohexane)의 경우 이론적 수소저장 능력이 6wt%이지만 수소화 반응 시 200℃/20 bar, 탈수소화 반응 시 350℃/3bar 조건을 필요로 하는 것으로, 시스템 효율을 고려하였을 때 더 적은 수소를 저장하게 되며, 유기화합물에 저장한 후 수소를 탈장하는 기술이 상용화되어 있지 않아 연구개발이 필요한 실정이다.
도 1(d)는 연료개질을 이용하여 제조한 수소의 저장방법에 관한 것이다.
연료를 개질하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 전기를 발생시키거나, 생산된 수소를 고압으로 압축하여 고압수소 저장탱크에 저장한다. 연료개질의 경우 연료와 물을 공급하여 개질반응을 하는 것으로, 다량의 물을 공급할 수 있는 설비를 갖추어야 한다. 또한, 연료의 종류에 따라 반응온도가 다르며, 생성된 개질가스를 수소 정제장치에 공급하기 위해 수소정제장치의 운전온도까지 냉각되어야 하므로 냉각수가 필요하다. 또한, 수소를 고압상태로 저장할 경우, 수소 압축 장치를 통해 고압으로 압축하고, 이때 압축에 의한 내부에너지 및 손실은 열로 방출되며, 열을 냉각 시키기 위하여 냉각수가 필요하다. 즉, 이 같은 냉각을 냉각수로 하는 경우 유용한 열에너지를 외부로 배출하게 되어 전체 시스템 효율을 감소시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은 탄소를 포함한 액체연료를 연료로 하여 고순도 수소를 생산하는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 수소 트레일러를 이용하지 않고 수소를 공급할 수 있어 이동 소요에 따른 운영비를 절감하는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)을 회수하고 재사용함으로써 외부로부터 공급받아야 하는 물의 양을 감소시키고, 시스템 부피를 최소화 하며 운용 비용을 절약할 수 있는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)을 연소가스의 직접 냉각 매체로 사용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소를 저장하기 위한 모바일용 에너지 공급 시스템에 있어서, 연료를 저장하는 연료 저장부, 상기 연료를 개질하여 개질가스를 형성하는 연료 개질부, 상기 연료 개질부로부터 개질 된 개질가스를 고순도 정제하여 고순도 수소를 생산하는 수소 정제부 및 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 저장하는 수소 저장부 및 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 연료 전지부를 포함하는 모바일용 에너지 공급 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 연료 저장부는 상기 연료를 저장하는 연료 저장탱크, 상기 연료 저장탱크로부터 상기 연료 개질부로 연료를 공급하는 제1 연료 공급펌프, 상기 연료 저장탱크로부터 상기 연료를 연소하기 위한 연료가 공급되는 연소용 연료 공급라인 및 상기 연료 저장탱크로부터 상기 연소용 연료 공급라인으로 연료를 공급하는 제2 연료 공급펌프를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 개질부는 연료를 개질하는 개질기, 상기 개질기에 공급하기 위한 공정수를 저장하는 공정수 저장탱크, 및 상기 공정수 저장탱크로부터 상기 개질기로 공정수를 공급하기 위한 공정수 공급펌프(220)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소 저장부는, 상기 고순도 수소를 고압 압축하는 압축기 및 상기 고압 압축된 고순도 수소를 저장하는 수소저장 압력용기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 모바일용 에너지 공급 시스템은 고온의 연소가스를 냉각하기 위한 냉각기, 상기 냉각된 연소가스를 배출가스 및 응축수로 분리하는 기액분리기 및 상기 응축수를 저장하는 응축수 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전방법에 있어서, 연료를 공급하는 연료 공급단계, 상기 공급된 연료를 개질 반응하여 개질가스를 형성하는 연료개질단계, 상기 개질가스를 고순소 수소 및 미분리 개질가스로 정제하는 수소정제단계, 및 상기 고순도 수소를 공급하는 수소 공급단계를 포함하는 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 수소정제단계는 상기 미분리 개질가스를 회수하는 개질가스 회수단계를 더 포함하는 것으로, 상기 미분리 개질가스 회수단계는 상기 미분리 개질가스를 연소용 연료 공급라인으로 주입하여 상기 미분리 개질가스 및 연소용 연료가 혼합되는 혼합단계, 상기 혼합된 연료를 연소하여 연소가스를 형성하는 연소단계, 상기 연소가스를 기액분리기로 배출가스 및 응축수로 분리하는 기액분리 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 응축수는 응축수 저장탱크로 저장되고, 상기 응축수 저장탱크에 저장된 응축수는 공정수 저장탱크로 재공급되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소 공급단계는 제1수소 공급단계 및 제2 수소 공급단계를 포함하는 것으로, 상기 제1 수소 공급단계는 상기 고순도 수소를 압축기로 공급하고 고압 압축하여, 상기 고압 압축한 수소를 압력용기에 저장하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2수소 공급단계는 상기 고순도 수소를 연료전지로 공급하여 전기 및 반응수를 생산하고, 상기 반응수는 응축수 저장탱크로 이송하는 것일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 의하면, 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 수소 트레일러를 이용하지 않고 수소를 공급할 수 있어 이동 소요에 따른 운영비를 절감하는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)을 회수하고 재사용함으로써 외부로부터 공급받아야 하는 물의 양을 감소시킬 수 있어 시스템 부피를 최소화 하고 운용 비용을 절약할 수 있는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)을 연소가스의 직접 냉각 매체로 사용함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 수소를 생산하고 저장하는 기술을 도식화한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템의 공정 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템의 공정단계를 도식화 한 것이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 및 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되어 있거나 '접속'되어 있다고 언급될 때에는 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있으나 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서, 이에 의하여 본 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명의 실시예들은 이 분야의 통상의 기술자에게 다양한 응용을 가질 수 있음은 당연하다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템의 공정 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 모바일용 에너지 공급 시스템은 연료 저장부, 연료 개질부, 수소 정제부 및 수소 저장부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연료 저장부는 연료를 저장하는 연료 저장탱크(100)를 포함하고, 상기 연료 저장탱크(100)는 연료를 공급하기 위한 제1연료 공급펌프(110) 및 제2연료 공급펌프(120)를 포함한다.
상시 연료 저장탱크(100)는 수소를 생산하기 위한 연료를 저장하는 것으로, 상기 연료는 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)를 비롯하여 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(LEG: Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas), 메탄올(Methanol, MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 등과 같은 탄화수소 계열의 액화가스 연료일 수 있다.
또한, 상기의 연료는 개질이나 분리 등의 공정에 의해 수소를 생산할 수 있는 모든 연료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 개질 가능한 연료는 해상 가스유(MGO: Marine Gas Oil)나 해상 디젤유(MDO: Marine Diesel Oil) 또는 일반 중유(HFO: Heavy Fuel Oil) 등을 포함할 수도 있는데, 이 경우에는 액상 연료를 분해하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화(methanation)를 거쳐 개질이 용이하도록 할 수 있다.
상기 제1 연료 공급펌프(110)는 상기 연료 저장탱크(100) 및 연료 개질부 사이에 배치되는 것으로, 상기 연료 저장탱크(100)로부터 연료의 개질 반응에 필요한 연료를 공급할 수 있다. 또한, 상기 제2 연료 공급펌프(120)는 상기 연료 저장탱크(100) 및 연료 개질부 사이에 배치되는 것으로, 상기 연료 저장탱크(100)로부터 연료의 연소 반응에 필요한 연료를 공급할 수 있다.
상기 연료 개질부는 연료의 개질 반응을 통해 개질 가스를 형성하는 것으로, 상기 연료의 개질은 상기 연료 저장탱크(100)내에 원료로서 제공되는 연료를 수소를 포함하는 연료로 전환하는 것을 의미한다.
상세하게는, 상기 연료 개질부는 개질기(200)를 포함하는 것으로, 상기 개질기(200)에서 연료를 개질반응하여 개질 가스를 형성한다. 이때, 상기 연료의 개질 반응을 진행하기 위하여 개질 반응의 종류에 따라 열에너지가 필요한 것으로, 상기 개질 반응에 필요한 열에너지를 공급하기 위하여 상기 연료 저장탱크(100)로부터 연소용 연료를 상기 개질기(200)에 공급하여 연소가스를 생성할 수 있다. 이에, 상기 개질기(200)는 연소가스를 형성할 수 있는 연소부가 포함되어 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 개질기(200)의 하부에 연소부가 배치되는 것으로, 상기 연소부에서 연소가스를 형성하고, 상기 연소가스로 개질기(200) 내부에 열에너지를 공급할 수 있다. 또한, 상기 개질기(200)의 상부는 상기 연료 저장탱크(100)와 개질용 연료 공급라인과 연결되고, 상기 개질용 연료 공급라인 상에 제1 연료 공급펌프(110)가 배치되어 상기 개질기(200)로 개질용 연료를 공급할 수 있다. 또한, 상기 개질기(200)의 하부는 상기 연료 저장탱크(100)와 연소용 연료 공급라인과 연결되고, 상기 연소용 연료 공급라인 상에 제2 연료 공급펌프(120)가 배치되어 상기 개질기(200)로 연소용 연료를 공급할 수 있다.
상기 연료의 개질 반응은 상기 개질기(200)에 공급된 연료 및 물(순수)이 개질 반응하여 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 것으로, 상기 개질 반응은 수증기 개질, 부분산화개질, 자열 개질 기술을 이용할 있으며, 개질방식에 따라 열에너지의 양을 다르게 공급할 수 있다.
예를 들어, 상기 수증기 개질(Stean reforming)의 경우 탄화수소 연료와 함께 물을 반응물로 공급하여 수소를 생성하는 것으로, 개질 반응 시 열에너지를 공급해야 한다. 상기 부분산화개질(Partial Oxidation)의 경우 탄화수소 연료와 함께 산소를 공급하여 연료의 부분산화를 유도하는 것으로, 개질 반응 시 열이 발생하여 별도의 열에너지를 공급하지 않을 수 있다. 상기 자열 개질의 경우 수증기개질 및 부분산화개질의 조합으로, 부분산화반응에서 생성된 열을 흡열반응인 수증기 개질 반응에 공급하여 수소를 생산하는 것으로, 흡열량 및 발열량을 조절할 수 있어 자립운전이 가능하며, 부분산화반응에서 생성된 열을 제외하고 부족한 열에너지를 공급할 수 있다. 이에, 상기 개질 반응에 필요한 물(순수)을 공급하기 위하여 상기 연료 개질부는 공정수 저장탱크(210) 및 공정수 공급펌프(220)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 개질 반응에 필요한 연소가스를 형성하기 위하여 연소장치(230)가 더 구비 될 수 있다. 상세하게는, 상기 연료 저장탱크(100) 및 상기 연소장치(230)는 연소용 연료 공급라인에 의해 연결될 수 있으며, 상기 연료 저장탱크(100)로부터 상기 연소용 연료 공급라인에 연료를 공급하는 제2 연료 공급펌프(120)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 연소장치(230)에서 생성된 연소가스를 연료 개질부로 공급하기 위하여 연소가스 공급라인을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 연소장치(230)는 상기 연료 저장탱크(100)로부터 연료를 공급받아 연소가스를 형성하고, 형성된 연소가스는 연료 개질부로 공급할 수 있다.
상기 수소 정제부는 상기 연료 개질부로부터 개질 된 개질 가스를 고순도 정제하여 고순도 수소 및 부산물인 미분리 개질가스로 분리하는 것으로, 수소정제장치(300)를 포함 할 수 있다.
이때, 상기 수소정제장치(300)는 압력차 흡장 장치(PSA: Pressure swing adsorption), 수성가스화반응기(WGS: Water Gas Shift reactor)등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수소 저장부는 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 저장하는 것으로, 상기 고순도 수소를 고압 압축하는 압축기(310) 및 고압 압축된 고순도 수소를 저장하는 수소저장 압력용기(320)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 고순도 수소를 고압 압축하여 수소저장 압력용기(320)에 저장함으로써 별도의 수소 트레일러를 이용하지 않고 수소를 공급할 수 있어 이동소요에 따른 운영비를 절감하는 효과가 있다.
상기 연료 전지부는 상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 것으로, 연료전지(330)를 포함할 수 있다.
상세하게는, 상기 연료전지(330)는 연료 개질부에서 공급되는 고순도 수소와 공기극으로 공급되는 산소가 전기화학 반응을 일으킴으로써 전기 및 반응수를 생산하는 것으로, 상기 연료 전지부는 반응에 필요한 산소를 공급하기 위하여 공기 주입부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 모바일용 에너지 공급 시스템은 냉각기(410), 기액분리기(400) 및 응축수 저장탱크(420)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각기(410) 및 기액분리기(400)는 상기 개질기(200)와 연결되어 배치되는 것으로, 상기 개질기(200)를 통과한 연소가스가 공급될 수 있다.
상기, 개질기(200)를 통과한 연소가스는 고온의 물 및 이산화탄소를 포함하는 것으로, 상기 냉각기(410)로 공급되어 상기 연소가스를 냉각시키고 상기 기액분리기(400)로 공급되어 배출가스 및 응축수로 분리하게 되며, 상기 배출가스는 외부로 배출되게 된다.
상기 응축수 저장탱크(420)는 상기 기액분리기(400)를 이용해 분리된 응축수를 저장하는 것으로, 상기 응축수는 상기 공정수 저장탱크(210)로 재공급되게 된다. 또한, 본 발명의 시스템이 정상상태에 도달하였을 경우 상기 기액분리기(400)로 공급하여 연소가스의 냉각부하를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 응축수 저장탱크(420)는 상기 연료전지(300)와 연결되는 것으로, 연료전지(300)로부터 발생한 반응수가 상기 응축수 저장탱크(420)에 저장되게 되며, 저장된 반응수는 응축수와 함께 상기 공정수 저장탱크(210)로 재공급 되거나 기액분리기(400)로 공급될 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 방법을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지 공급 시스템의 공정단계를 도식화 한 것이다.
도 4를 참고하면, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전방법은 연료 공급단계, 연료 개질단계, 수소 정제단계 및 수소 공급단계를 포함한다.
상기 연료 공급단계는 연료 저장탱크(100)에 저장되어 있는 연료를 공급하는 것으로, 제1 연료공급 단계 및 제2 연료 공급단계를 포함한다.
상기 제1 연료공급단계는 제1 연료공급펌프(110)를 이용하여 개질기에 연료를 공급하는 것으로, 연료 저장탱크(100)로부터 연료의 개질 반응에 필요한 연료를 공급할 수 있다.
상기 제2 연료공급단계는 제2 연료 공급펌프(120)를 이용하여 연소용 연료 공급라인에 연소용 연료를 공급하는 것으로, 연료 저장탱크(100)로부터 연료의 연소가스 형성에 필요한 연료를 공급할 수 있다. 이때, 연소가스를 형성하기 위하여 상기 연소용 연료는 연료 연소용 연료 공급라인을 통해 연소장치(미도시)로 공급될 수 있다.
상기 연료 개질단계는 개질기(200)에서 연료를 개질 반응하여 개질가스를 형성하는 것으로, 상기 개질가스는 상기 연료 저장탱크(100)로부터 연료를 공급받아 수소를 포함하는 개질 가스를 형성하게 된다.
상세하게는, 상기 개질 반응을 위하여 공정수(물) 및 열 에너지를 필요로 하는 것으로, 상기 공정수 저장탱크(210)에 저장되어 있는 공정수를 공정수 공급펌프(220)를 이용하여 상기 개질기(200)로 공급하여 공정수를 공급하고, 상기 제2 연료공급단계를 통해 만들어진 연소가스를 개질기(200)로 공급하여 열 에너지를 공급하게 된다. 이때, 상기 연료 개질방법은 수증기 개질, 부분산화개질, 자열 개질 기술을 이용할 있으며, 개질방식에 따라 열에너지의 양을 다르게 공급할 수 있다.
상기 수소 정제단계는, 상기 수소를 포함하는 개질가스를 정제하는 것으로, 상기 개질가스를 수소정제장치(300)에 공급하고 정제하여 고순도 수소 및 미분리 개질가스로 분리한다.
나아가, 상기 분리된 고순도 수소는 수소 공급단계를 통하여 수소를 공급하는 것으로, 상기 수소 공급단계는 제1 수소 공급단계 및 제2수소 공급단계를 포함한다.
상세하게는, 상기 제1 수소 공급단계는 상기 고순도 수소를 압축하여 저장하는 것으로, 상기 고순도의 수소를 압축기(310)로 공급하여 고압 압축하고, 상기 고압 압축한 고순도 수소를 압력용기(320)에 저장하게 된다.
이때, 상기 고순도 수소를 고압 압축하여 수소저장 압력용기(320)에 저장함으로써 별도의 수소 트레일러를 이용하지 않고 수소를 공급할 수 있어 이동소요에 따른 운영비를 절감하는 효과가 있다.
상기 제2 수소 공급단계는 상기 고순도 수소를 연료로 사용하여 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 것으로, 수소정제장치(300)로부터 정제된 고순도의 수소를 상기 연료전지(300)로 공급하고, 상기 연료전지(300)를 가동하여 생기를 생산할 수 있다.
이때, 부산물로서 반응수가 함께 생성되는 것으로 상기 반응수는 응축수 저장탱크(420)에 저장되며, 응축수 저장탱크(420)에 저장 된 반응수는 공정수 저장탱크(210)로 재공급 할 수 있다.
한편, 상기 수소정제 단계는 상기 미분리 개질가스를 회수하는 미분리 개질가스 회수단계를 더 포함한다.
상기 미분리 개질가스 회수단계는 상기 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 등을 포함하는 미분리 개질가스를 연소용 연료 공급라인으로 주입하여 상기 미분리 개질가스 및 연소용 연료가 혼합되는 혼합단계, 상기 혼합된 연료를 연소하여 연소가스를 형성하는 연소단계 및 상기 연소가스를 기액분리기(400)로 공급하여 배출가스 및 응축수로 분리하는 기액분리단계를 포함한다.
이때, 상기 연소가스는 고온으로, 완전 연소되어 이산화탄소 및 물을 포함하는 것으로, 상기 기액분리기(400)로 공급되기 전 냉각기(410)를 통과하여 고온의 연소가스를 냉각시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기액분리단계를 통해 분리된 배출가스는 외부로 배출되며, 상기 응축수는 응축수 저장탱크(420)로 저장되어 공정수 저장탱크(210)로 재공급되어 개질 반응 시 공정수로 재사용 될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템이 정상상태에 도달하였을 경우, 상기 응축수 저장탱크(420)에 저장되어 있는 응축수/반응수의 일부는 기액분리기(400)에 공급하여 연소가스 냉각부하를 감소시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 모바일용 에너지 시스템은 시스템으로부터 응축수를 회수하고, 수요처의 연료전지로부터 반응수를 회수하여 재사용함에 따라 외부로부터 공급받아야하는 물의 양을 감소시킬 수 있어 운용비용을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)를 연소가스의 직접 냉각 매체로 사용함에 따라 시스템의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 수소 트레일러를 이용하지 않고 수소를 공급할 수 있어 이동 소요에 따른 운영비를 절감하는 효과가 있다.
또한, 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전 중 발생하는 물(응축수 및 반응수)을 회수하고 재사용함으로써 외부로부터 공급받아야 하는 물의 양을 감소시킬 수 있어 시스템 부피를 최소화 하고 운용 비용을 절약할 수 있는 모바일용 에너지 공급 시스템 및 이의 운전방법을 제공하는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료 저장탱크, 110: 제1연료 공급펌프, 120: 제2연료 공급펌프
200: 개질기, 210: 공정수 저장탱크, 220: 공정수 공급펌프, 230: 연소장치
300: 수소정제장치, 310: 압축기, 320: 압력용기, 330: 연료전지
400: 기액분리기, 410: 냉각기, 420: 응축수 저장탱크, 430: 공정수 회수펌프

Claims (10)

  1. 수소를 저장하기 위한 모바일용 에너지 공급 시스템에 있어서,
    연료를 저장하는 연료 저장부;
    상기 연료를 개질하여 개질가스를 형성하는 연료 개질부;
    상기 연료 개질부로부터 개질 된 개질가스를 고순도 정제하여 고순도 수소를 생산하는 수소 정제부;
    상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 저장하는 수소 저장부; 및
    상기 수소 정제부로부터 정제된 고순도 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 연료 전지부; 를 포함하는, 모바일용 에너지 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 저장부는,
    상기 연료를 저장하는 연료 저장탱크;
    상기 연료 저장탱크로부터 상기 연료 개질부로 연료를 공급하는 제1 연료 공급펌프;
    상기 연료 저장탱크로부터 상기 연료를 연소하기 위한 연료가 공급되는 연소용 연료 공급라인; 및
    상기 연료 저장탱크로부터 상기 연소용 연료 공급라인으로 연료를 공급하는 제2 연료 공급펌프를 포함하는, 모바일용 에너지 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 개질부는,
    상기 연료를 개질하는 개질기;
    상기 개질기에 공급하기 위한 공정수를 저장하는 공정수 저장탱크; 및
    상기 공정수 저장탱크로부터 상기 개질기로 공정수를 공급하기 위한 공정수 공급펌프; 를 포함하는, 모바일용 에너지 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장부는,
    상기 고순도 수소를 고압 압축하는 압축기; 및
    상기 고압 압축된 고순도 수소를 저장하는 수소저장 압력용기; 를 포함하는,
    모바일용 에너지 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모바일용 에너지 공급 시스템은,
    고온의 연소가스를 냉각하기 위한 냉각기;
    상기 냉각된 연소가스를 배출가스 및 응축수로 분리하는 기액분리기; 및
    상기 응축수를 저장하는 응축수 저장탱크; 를 더 포함하는 모바일용 에너지 공급 시스템.
  6. 모바일용 에너지 공급 시스템의 운전방법에 있어서,
    연료를 공급하는 연료 공급단계;
    상기 공급된 연료를 개질 반응하여 개질가스를 형성하는 연료개질단계;
    상기 개질가스를 고순도 수소 및 미분리 개질가스로 정제하는 수소정제단계; 및
    상기 고순도 수소를 공급하는 수소 공급단계; 를 포함하는, 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수소정제단계는 상기 미분리 개질가스를 회수하는 미분리 개질가스 회수단계를 더 포함하는 것으로,
    상기 미분리 개질가스 회수단계는
    상기 미분리 개질가스를 연소용 연료 공급라인으로 주입하여 상기 미분리 개질가스 및 연소용 연료가 혼합되는 혼합단계;
    상기 혼합된 연료를 연소하여 연소가스를 형성하는 연소단계; 및
    상기 연소가스를 기액분리기로 공급하여 배출가스 및 응축수로 분리하는 기액분리단계; 를 포함하는 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응축수는 응축수 저장탱크로 저장되고,
    상기 응축수 저장탱크에 저장된 응축수는 공정수 저장탱크로 재공급되는 것인, 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수소 공급단계는 제1수소 공급단계 및 제2수소 공급단계를 포함하는 것으로,
    상기 제1수소 공급단계는,
    상기 고순도 수소를 압축기로 공급하여 고압 압축하고,
    상기 고압 압축한 고순도 수소를 압력용기에 저장하는 것인, 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2수소 공급단계는 상기 고순도 수소를 연료전지로 공급하여 전기 및 반응수를 생산하고,
    상기 반응수는 응축수 저장탱크로 이송하는 것인, 모바일용 에너지 공급 시스템 운전방법.
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