WO2011138988A1 - Ｌｎｇ 운반선의 전기 생산 장치 및 방법 - Google Patents

Ｌｎｇ 운반선의 전기 생산 장치 및 방법 Download PDF

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이은배
김현진
최정호
최용석
이성근
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for producing electricity for an LNG carrier, and more particularly, to an apparatus and method for producing electricity required for an LNG carrier for storing and transporting liquefied liquefied natural gas in an LNG storage tank at a production location. It is about.
  • the LNG carrier is a vessel that stores and stores Liquefied Natural Gas (LNG) in which LNG is liquefied at low temperature in a LNG storage tank.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • Examples of such propulsion devices for LNG carriers include steam turbine propulsion units using steam, diesel engine propulsion units having a propulsion diesel engine, dual fuel electric propulsion units having a dual fuel engine, a generator and an electric motor for propulsion. have.
  • Steam turbine propulsion devices have low propulsion efficiency. Therefore, in recent years, a diesel engine propulsion apparatus and a double fuel electric propulsion apparatus having high propulsion efficiency are mainly used as propulsion apparatuses for LNG carriers.
  • the dual fuel engine and the generator produce electricity to supply electricity to the propulsion electric motor as well as to supply the electric equipment in the ship.
  • the number of dual fuel engines and generators is increased and installed.
  • an eco-friendly fuel cell may be employed as a device for producing electricity required by a ship.
  • a fuel cell obtains electricity by electrochemically reacting fuel for fuel cell (for example, syngas or hydrogen containing hydrogen).
  • fuel for fuel cell for example, syngas or hydrogen containing hydrogen.
  • a hydrogen tank was installed in a ship, hydrogen was stored in this hydrogen tank, and hydrogen was supplied to the fuel cell from the hydrogen tank.
  • hydrogen tank has a disadvantage in that the amount of hydrogen stored is limited because of its limited size.
  • the vessel employing the conventional fuel cell is limited to the supply of fuel for the fuel cell, so that the fuel cell has not only a small fuel cell capacity, but also is applied only to a small vessel that operates a short distance. Due to the small production capacity, there is a limit to the use of electricity produced from fuel cells in shipboard electrical equipment.
  • a ship employing a conventional fuel cell does not have a separate engine for power generation, and operates an electric propulsion electric motor produced only in a fuel cell, the electric power for propulsion is small because of the small production capacity of the fuel cell. Since the output of the motor must be small, the vessel is not only slow but also consumes most of the power from the propulsion electric motor, so there is less surplus power. There is.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art, the fuel cell for the fuel cell during the operation period in the case of employing the fuel cell as a device for producing the electricity required in large vessels that operate a long distance, such as LNG carriers It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for producing electricity, which is configured to continuously supply fuel.
  • a device for producing the electricity required by the LNG carrier for storing and transporting LNG liquefied LNG at low temperature in a LNG storage tank in the LNG storage tank A reforming reactor for generating a synthesis gas by reforming the generated evaporation gas, and a fuel cell for producing electricity by electrochemically reacting the synthesis gas generated by the reforming reaction of the evaporation gas in the reforming reactor
  • An apparatus for producing electricity of an LNG carrier is provided.
  • the reforming reactor is preferably a steam reforming reactor that generates a synthesis gas by reforming the evaporated gas with steam.
  • the fuel cell includes a steam supply line for supplying steam generated incidentally in the process of electrochemically reacting syngas in the fuel cell to the steam reforming reactor.
  • the rear end of the steam reforming reactor is preferably a separator for separating and removing the ash (ash) generated in the process of reforming the boil-off gas.
  • the fuel cell is preferably connected to an electrical storage unit for storing the electricity produced by the fuel cell.
  • the reforming reactor, the separator, the fuel cell, the compressor, and the electric storage unit are formed as one fuel cell module.
  • the fuel cell is preferably any one of a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, and a polymer electrolyte fuel cell.
  • the fuel cell When the fuel cell is a solid oxide fuel cell, the fuel cell includes a carbon dioxide collector for capturing carbon dioxide generated during the electrochemical reaction of syngas in the solid oxide fuel cell and carbon dioxide collected from the carbon dioxide collector. It is preferable to further install a carbon dioxide storage tank for storing.
  • an aqueous gas conversion reactor is further installed at the rear end of the separator to convert carbon monoxide in the synthesis gas into water to convert carbon monoxide to remove carbon monoxide.
  • the rear end of the water gas conversion reactor is preferably provided with a carbon dioxide collector for collecting carbon dioxide generated in the process of removing carbon monoxide in the water gas conversion reactor and a carbon dioxide storage tank for storing the carbon dioxide collected by the carbon dioxide collector.
  • the reforming reactor, the separator, the fuel cell, the carbon dioxide collector, the carbon dioxide storage tank, the compressor, and the electrical storage unit are formed as one fuel cell module.
  • the reforming reactor, the separator, the fuel cell, the water gas conversion reactor, the carbon dioxide collector, the carbon dioxide storage tank, the compressor, and the electrical storage unit are formed as one fuel cell module.
  • the said LNG carrier has a propulsion apparatus.
  • the propulsion device is a dual fuel electric propulsion device having a dual fuel engine, a generator, and a propulsion electric motor, the generator being connected to an onboard electrical installation and the propulsion electric motor, the fuel cell module being parallel to the generator. It is preferable to connect with.
  • the propulsion device is a diesel engine propulsion device having a propulsion diesel engine, the fuel cell module is preferably connected to the electrical equipment in the ship.
  • the propulsion diesel engine is preferably a MEGI engine.
  • a waste heat recovery device is installed in the fuel cell to recover heat generated from the fuel cell.
  • the waste heat recovery device includes a steam turbine and a condenser.
  • the steam turbine is connected to the electrical storage.
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • the fuel cell is equipped with a waste heat recovery device for recovering heat generated from the fuel cell. It is preferred that the condenser is connected.
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • the fuel cell is connected to a combustor supplied with a high temperature syngas discharged from the fuel cell, and the combustor is connected to a gas turbine.
  • the gas turbine is connected to an electrical reservoir, and the compressor is connected to the combustor and the gas turbine.
  • syngas A fuel cell for producing electricity by reacting with electrochemical reaction is installed in the LNG carrier, and reformed reaction of the evaporated gas generated in the LNG storage tank to generate a synthesis gas, the synthesis gas generated by the reforming reaction to the fuel
  • a method for producing electricity of an LNG carrier which is supplied to a cell and electrochemically reacted in the fuel cell to produce electricity.
  • Steam generated in the process of electrochemically reacting syngas in the fuel cell is preferably used for the steam reforming reaction.
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell, it is preferable to supply carbon monoxide in syngas to the fuel cell together with hydrogen.
  • the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • electricity is generated by rotating a gas turbine using a high temperature and high pressure gas generated by burning a high temperature synthesis gas discharged from the fuel cell. It is preferable.
  • the LNG carrier is preferably propelled by a propulsion device.
  • the propulsion device is a dual fuel electric propulsion device having a dual fuel engine, a generator and an electric motor for propulsion, wherein the electricity produced in the fuel cell is combined with the electricity produced in the generator to provide onboard electrical installations and the propulsion. It is preferably supplied to an electric motor.
  • the propulsion device is a diesel engine propulsion device having a diesel engine for propulsion, and the electricity produced by the fuel cell is preferably supplied to the in-vessel electrical equipment.
  • the fuel cell fuel is generated by reforming and reacting the evaporated gas generated in the LNG carrier, and the fuel cell fuel thus produced is continuously supplied to the fuel cell.
  • the fuel cell can be used as a device for producing electricity required by a large ship that operates over a long distance such as an LNG carrier.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an LNG carrier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing blocks of elements constituting the fuel cell module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing blocks of elements constituting a fuel cell module according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing blocks of elements constituting the fuel cell module according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 schematically illustrates an apparatus for improving power generation efficiency using waste heat discarded in a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 schematically illustrates an apparatus in which steam generated by using waste heat discarded in a fuel cell according to an embodiment of the present invention may be used in steam vessels in ships.
  • FIG. 7 schematically illustrates an apparatus for increasing power generation efficiency using high temperature syngas discharged from a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view schematically illustrating a connection relationship between components in a vessel when the propulsion device of the LNG carrier according to the embodiment of the present invention is a dual fuel electric propulsion device.
  • FIG. 9 is a view schematically illustrating a connection relationship between components in a vessel when the propulsion device of an LNG carrier according to an embodiment of the present invention is a diesel engine propulsion device.
  • the LNG carrier 1 shown in FIG. 1 includes an LNG storage tank 10, a fuel cell module 20, a diesel storage tank 30 for fuel, a propulsion device 40, and a propeller 50.
  • the LNG storage tank 10 stores Liquefied Natural Gas (LNG) in which natural gas is liquefied to cryogenic temperature. Since the liquefaction temperature of natural gas is cryogenic at -163 ° C at atmospheric pressure, the LNG is at atmospheric pressure. Even slightly above -163 ° C evaporates.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • the LNG storage tank 10 is insulated, the external heat is continuously transferred to the LNG, so that LNG is continuously vaporized in the LNG storage tank 10 while transporting LNG by the LNG carrier. Boil-off gas is generated in the LNG storage tank 10.
  • the boil-off gas generated in the LNG storage tank 10 is supplied to the fuel cell module 20 and the propulsion device 40.
  • FIG. 2 is a block diagram showing blocks of elements constituting the fuel cell module according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel cell module 20 according to an embodiment of the present invention includes a steam reforming reactor 21, a separator 22, a fuel cell 23, a compressor 27, and an electric storage unit. (29).
  • Boil-off gas generated in the LNG storage tank 10 is supplied to the steam reforming reactor (21).
  • a steam reforming reactor which generates a synthesis gas by reforming the evaporation gas with steam as a reforming reactor is illustrated.
  • Reforming reactor a carbon dioxide reforming reactor that generates a synthesis gas by reforming the evaporation gas with carbon dioxide, a partial oxidation reforming reactor that produces a synthesis gas by partially oxidizing the evaporation gas with oxygen, and reforming the evaporation gas with steam and carbon dioxide
  • steam and carbon dioxide reforming reactors that produce syngas may be possible.
  • a reaction formula representing a process of generating a synthesis gas by steam reforming the evaporated gas in the steam reforming reactor 21 is as follows.
  • the boil-off gas is natural gas (CH 4 ) from which LNG is vaporized.
  • the steam reforming reaction is triggered by a catalyst such as nickel (Ni).
  • a catalyst such as nickel (Ni).
  • hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) which are synthesis gases, are generated.
  • H 2 ) and carbon monoxide (CO) which are synthesis gases
  • other substances are incidentally generated.
  • synthesis gas only hydrogen and carbon monoxide will be referred to as synthesis gas.
  • Other materials include ash and hydrogen sulfide (H 2 S) generated by the conversion of sulfur (S) contained in the evaporation gas in the course of reforming the evaporation gas.
  • the syngas generated by the reforming reaction of the boil-off gas in the steam reforming reactor 21 is supplied to the fuel cell 23 as the fuel cell fuel, and the fuel cell 23 is the fuel cell fuel supplied from the steam reforming reactor 21. Produces electricity by reacting syngas electrochemically.
  • a separator 22 is provided at the rear end of the steam reforming reactor 21.
  • the separator 22 separates and removes ash among other substances that occur incidentally in the process of reforming the boil-off gas in the steam reforming reactor 21.
  • the fuel cell 23 is provided at the rear end of the separator 22.
  • the compressor 27 compresses and supplies air to the fuel cell 23.
  • the electrical storage unit 29 is connected to the fuel cell 23 to store the electricity produced by the fuel cell 23.
  • the steam reforming reactor 21, the separator 22, the fuel cell 23, the compressor 27, and the electric storage unit 29 are formed as one fuel cell module 20.
  • the fuel cell 23 includes molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs), and polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs).
  • MCFCs molten carbonate fuel cells
  • SOFCs solid oxide fuel cells
  • PEMFCs polymer electrolyte fuel cells
  • Membrane Fuel Cell is preferably any one.
  • carbon monoxide supplied to the fuel cell 23 together with hydrogen is used for the reaction of producing hydrogen by reacting with water at the anode.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) generated at this time is sent to the air electrode is used in the reaction to produce carbon trioxide (CO 3 -2 ) in the air electrode. That is, when the fuel cell 23 is a molten carbonate fuel cell, carbon dioxide generated in the process of producing electricity is circulated inside the fuel cell without being discharged to the outside.
  • the fuel cell 23 is a solid oxide fuel cell
  • carbon monoxide is supplied to the fuel cell 23 together with hydrogen without removing carbon monoxide from the synthesis gas.
  • a reaction equation representing a process of producing electricity by electrochemically reacting hydrogen, carbon monoxide, with synthesis gas is as follows.
  • carbon monoxide supplied to the fuel cell 23 together with hydrogen is used for the reaction of producing hydrogen by reacting with water at the anode.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) generated at this time should be treated by a separate device.
  • FIG. 3 is a block diagram showing blocks of elements constituting the fuel cell module according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are used for the same components as the fuel cell module 20 of the embodiment of FIG. 2.
  • the fuel cell 23 when the fuel cell 23 is a solid oxide fuel cell, the carbon dioxide collector 25 and the carbon dioxide storage tank 26 in the fuel cell module 20 '. Since it is installed, since the carbon dioxide generated in the process of electrochemically reacting the synthesis gas in the fuel cell is not emitted to the atmosphere can solve the problem of environmental pollution due to carbon dioxide emissions.
  • the fuel cell 23 is a solid oxide fuel cell, as shown in FIG. 3, the steam reforming reactor 21, the separator 22, the fuel cell 23, the carbon dioxide collector 25, and the carbon dioxide storage are illustrated.
  • the tank 26, the compressor 27, and the electrical storage 29 are formed as another fuel cell module 20 ′.
  • the fuel cell 23 is a polymer electrolyte fuel cell
  • carbon monoxide in the syngas is removed to supply only hydrogen to the fuel cell 23.
  • a reaction equation representing a process of producing electricity by electrochemically reacting hydrogen is as follows.
  • FIG. 4 is a block diagram showing blocks of elements constituting the fuel cell module according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are used for the same components as the fuel cell module 20 of the embodiment of FIG. 2.
  • H 2 S hydrogen sulfide
  • S sulfuric acid
  • Sulfuric acid (H 2 SO 4 ) in liquid form is discharged from the water gas conversion reactor 24 and stored in a separate storage container (not shown).
  • reaction formula showing the process of converting carbon monoxide and hydrogen sulfide in the synthesis gas into carbon dioxide and sulfuric acid in the water gas conversion reactor 24 is as follows.
  • Hydrogen (H 2 ) generated in the water gas conversion reactor 24 is supplied to the fuel cell 23 as fuel for the fuel cell.
  • the carbon dioxide collector 25 is provided at the rear end of the water gas conversion reactor 24.
  • the carbon dioxide collector 25 collects carbon dioxide (CO 2 ) generated in the water gas shift reactor 24.
  • the carbon dioxide collector 25 is connected to a carbon dioxide storage tank 26 for storing carbon dioxide (CO 2 ) collected by the carbon dioxide collector 25.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the carbon dioxide collector 25 and the carbon dioxide storage tank 26 in the fuel cell module 20 " Since it is installed, the carbon dioxide generated in the process of removing the carbon monoxide contained in the synthesis gas supplied to the fuel cell 23 is not discharged into the atmosphere can solve the problem of environmental pollution due to carbon dioxide emissions.
  • Hydrogen (H 2 ) generated in the water gas conversion reactor 24 is supplied to the fuel cell 23 as fuel for the fuel cell.
  • the fuel cell 23 is a polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. 4, the steam reforming reactor 21, the separator 22, the fuel cell 23, the water gas conversion reactor 24, The carbon dioxide collector 25, the carbon dioxide storage tank 26, the compressor 27, and the electrical storage unit 29 are formed as another fuel cell module 20 ′′.
  • steam (H 2 O) is incidentally generated during the electrochemical reaction of the synthesis gas in the fuel cell (23), and the steam is supplied to the steam reforming reactor (21) through the steam supply line (L23). It is used for reforming the boil-off gas in the steam reforming reactor 21.
  • the molten carbonate fuel cell has an operating temperature of 650 ° C. and the solid oxide fuel cell has an operating temperature of 650-1,000 ° C., whereby the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell. Significant heat is generated. However, the hot heat generated in such fuel cells is generally discarded.
  • the present invention proposes a method of increasing power generation efficiency by using waste heat discarded in a fuel cell when the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell.
  • FIG. 5 schematically illustrates an apparatus for improving power generation efficiency by using waste heat discarded in a fuel cell when the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell.
  • the fuel cell 23 is provided with a waste heat recovery device 30 for recovering heat generated by the fuel cell 23.
  • the waste heat recovery device 30 is preferably a heat exchanger.
  • a steam turbine 31 and a condenser 33 are connected to the waste heat recovery device 30, and the steam turbine 31 is connected to an electrical storage unit 29.
  • the waste heat recovery device 30 converts water into steam of high temperature and high pressure by using heat generated from the fuel cell 23.
  • the high temperature and high pressure steam generated by the waste heat recovery device 30 is sent to the steam turbine 31 to rotate the steam turbine 31 to produce electricity.
  • the electricity produced in the steam turbine 31 is stored in the electrical storage 29.
  • the steam after rotating the steam turbine 31 is sent to the condenser 33, condensed, and then sent to the waste heat recovery device 30.
  • the high temperature, high pressure steam generated in the waste heat recovery apparatus 30 may be used in the steam vessel in the vessel.
  • the apparatus shown in FIG. 6 is configured such that steam generated in the waste heat recovery apparatus 30 is sent to the steam vessel 32 in the ship. Therefore, the waste steam recovery device 30 is connected to the steam vessel 32 and the condenser 33 in the vessel. The steam after being used at the steam vessel 32 in the ship is sent to the condenser 33, condensed, and then sent to the waste heat recovery device 30 again.
  • the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell
  • some of the syngas supplied to the fuel cell is discharged at a high temperature without being electrochemically reacted in the fuel cell. It is also possible to increase the power generation efficiency by using the discharged high-temperature synthesis gas.
  • FIG. 7 schematically illustrates an apparatus for improving power generation efficiency by using a high temperature syngas discharged from a fuel cell when the fuel cell is a molten carbonate fuel cell or a solid oxide fuel cell.
  • the fuel cell 23 is connected to a combustor 80 to which a high temperature syngas discharged from the fuel cell 23 is supplied.
  • a gas turbine 81 is connected to the combustor 80, and the gas turbine 81 is connected to an electrical storage unit 29.
  • the compressor 27 is connected to the combustor 80 and the gas turbine 81, high-pressure air is supplied from the compressor 27 to the combustor 80 and the gas turbine 81.
  • the combustor 80 combusts the high temperature synthesis gas discharged from the fuel cell 23 with the high pressure air to convert the high temperature and high pressure gas.
  • the hot and high pressure gas generated by the combustor 80 is sent to the gas turbine 81 to rotate the gas turbine 81 to produce electricity.
  • the electricity produced in the gas turbine 81 is stored in the electrical storage 29.
  • the gas after rotating the gas turbine 81 is discharged to the outside.
  • FIG. 8 is a view schematically illustrating a connection relationship between components in a vessel when the propulsion device of the LNG carrier according to the embodiment of the present invention is a dual fuel electric propulsion device.
  • the dual fuel electric propulsion device in the LNG carrier has a dual fuel engine 41, a generator 43, an AC / AC converter 45, a transformer 47 and a propulsion electric motor 49.
  • the propulsion electric motor 49 drives the propeller 50 through the clutch 48.
  • the generator 43 is connected to the ship's electrical equipment, that is, the ship's basic electrical equipment and cargo system electrical equipment and the propulsion electric motor 49.
  • the dual fuel engine 41 and the generator 43 are respectively illustrated as being installed two
  • the fuel cell module 20 is illustrated as being installed one
  • the fuel cell module 20 is a generator 43 Are connected in parallel. Accordingly, the electricity produced by the fuel cell module 20 is combined with the electricity produced by the generator 43, so that the ship's electrical equipment, that is, the ship's basic electrical equipment and cargo system electrical equipment and the propulsion electric motor 49. Is supplied.
  • the generators 43 are provided with a battery 60 in parallel, and a DC / AC converter 70 is disposed at the rear ends of the fuel cell module 20 and the battery 60, respectively.
  • the dual fuel engine 41 having a relatively large electricity production capacity and a large amount of exhaust gas is not operated.
  • the dual fuel engine 41 and the fuel cell module 20 are operated by operating both the dual fuel engine 41 and the fuel cell module 20. ) Operates the electric motor 49 for the electric furnace propulsion produced in the vessel and the electrical equipment in the ship, wherein the electricity produced by the dual fuel engine 41 and the fuel cell module 20 charges the battery 60 together. .
  • the propulsion device is a dual fuel electric propulsion device
  • the propulsion device is a dual fuel electric propulsion device
  • the dual fuel engines 41 and generators 43 are respectively provided.
  • FIG. 9 is a view schematically illustrating a connection relationship between components in a vessel when the propulsion device of an LNG carrier according to an embodiment of the present invention is a diesel engine propulsion device.
  • the diesel engine propulsion device in the LNG carrier has a diesel engine 42.
  • the diesel engine 42 drives the propeller 50 through the clutch 48.
  • FIG. 9 two fuel cell modules 20 are illustrated, and the fuel cell module 20 is connected to an electric facility in a ship, that is, a basic electric facility of a ship and a cargo system electric facility. Therefore, the electricity produced by the fuel cell module 20 is supplied to the ship's electrical equipment, that is, the ship's basic electrical equipment and cargo system electrical equipment.
  • the DC / AC converter 70 is disposed at the rear end of the fuel cell module 20.
  • the propulsion diesel engine is preferably a MEGI (Man B & W Engine Gas Injection) engine which is a high-pressure gas injection engine manufactured by Man B & W Diesel.
  • MEGI Man B & W Engine Gas Injection
  • the fuel for the fuel cell is generated by reforming the evaporated gas generated in the LNG carrier, and the fuel cell fuel thus produced can be continuously supplied to the fuel cell, Fuel cells may be employed as a device for producing electricity required for long-distance ships such as LNG carriers.
  • the LNG carrier has a fuel combustion engine such as a dual fuel engine or a propulsion diesel engine
  • the fuel cell fuel generated by reforming the evaporated gas generated in the LNG carrier can be continuously supplied to the fuel cell.
  • the fuel cell module is provided with only the fuel cell module and the electric motor for propulsion using only electricity produced by the fuel cell module. It will be appreciated that it is also possible to operate the electrical equipment on board the ship as well as to propel the ship.

Abstract

생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 LNG를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 개질반응기와, 상기 개질반응기에서 증발가스가 개질반응되어 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치가 제공된다.

Description

ＬＮＧ 운반선의 전기 생산 장치 및 방법
본 발명은 LNG 운반선의 전기 생산 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, LNG 운반선은 생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 선박이다.
이러한 LNG 운반선의 추진 장치로서는 스팀을 사용하는 스팀 터빈 추진 장치와, 추진용 디젤 엔진을 구비하는 디젤 엔진 추진 장치와, 이중 연료 엔진, 발전기 및 추진용 전기 모터를 구비하는 이중 연료 전기 추진 장치 등이 있다. 스팀 터빈 추진 장치는 추진 효율이 낮다. 따라서, 최근에는 LNG 운반선의 추진 장치로서 추진 효율이 높은 디젤 엔진 추진 장치나 이중 연료 전기 추진 장치가 주로 사용된다.
디젤 엔진 추진 장치를 적용한 LNG 운반선의 경우에, 선박내 전기설비, 즉, 전기를 사용하는 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비에 전기를 공급하기 위해 별도의 발전용 디젤 엔진과 발전기를 설치하여 전기를 생산하고 있다.
또한, 이중 연료 전기 추진 장치를 적용한 LNG 운반선의 경우에는, 이중 연료 엔진과 발전기에서 전기를 생산하여, 추진용 전기 모터에 전기를 공급할 뿐만 아니라 선박내 전기설비에 전기를 공급하고 있는데, 이에 필요한 전기를 얻기 위해 이중 연료 엔진과 발전기의 수를 그 만큼 더 증가시켜 설치하여 가동시키고 있다.
한편, 선박에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서 친환경적인 연료전지를 채용한 경우가 있다. 연료전지는 연료전지용 연료(예를 들어, 수소가 포함된 합성가스 또는 수소)를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 얻는 것이다. 종래에는, 연료전지용 연료가 예를 들어 수소인 경우에, 선박에 수소 탱크를 설치하고, 이 수소 탱크에 수소를 저장하여, 수소 탱크로부터 수소를 연료전지에 공급하였다. 그러나, 이러한 수소 탱크는 그 크기가 제한적이기 때문에 저장되는 수소의 양이 제한적인 단점이 있다.
따라서, 종래의 연료전지를 채용한 선박은, 연료전지용 연료의 공급에 한계가 있기 때문에 연료전지도 용량이 작은 것만 사용되었을 뿐만 아니라 단거리를 운항하는 소형 선박에만 적용되었고, 또한, 연료전지에 의한 전기 생산 용량이 작기 때문에 연료전지에서 생산된 전기를 선박내 전기설비에 사용하기에 한계가 있다. 특히, 종래의 연료전지를 채용한 선박에서 별도의 발전용 엔진을 구비하지 않고 연료전지에서만 생산된 전기로 추진용 전기 모터를 가동시키는 경우에, 연료전지에 의한 전기 생산 용량이 작기 때문에 추진용 전기 모터의 출력도 작은 것을 사용할 수 밖에 없어 선박의 속도가 느릴 뿐만 아니라 추진용 전기 모터에서 대부분의 전력을 소비해서 잉여 전력이 적으므로 연료전지에서 생산된 전기를 선박내 전기설비에 사용하기에 더욱 한계가 있다.
따라서, 본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 운반선과 같이 장거리를 운항하는 대형 선박에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서 연료전지를 채용한 경우에 운항 기간 중에 연료전지에 연료전지용 연료를 계속적으로 공급할 수 있도록 구성된 전기 생산 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 LNG를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 개질반응기와, 상기 개질반응기에서 증발가스가 개질반응되어 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치가 제공된다.
상기 개질반응기는 상기 증발가스를 스팀과 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 스팀 개질반응기인 것이 바람직하다.
상기 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 스팀을 상기 스팀 개질반응기에 공급하는 스팀 공급라인을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스팀 개질반응기의 후단에는 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 재(ash)를 분리 제거하는 분리기가 설치된 것이 바람직하다.
상기 연료전지로 공기를 압축하여 공급하는 압축기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 생산된 전기를 저장하는 전기 저장부가 연결된 것이 바람직하다.
상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것이 바람직하다.
상기 연료전지는 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기 및 상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 상기 분리기의 후단에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 수성 가스변환 반응기의 후단에는 상기 수성 가스변환 반응기에서 일산화탄소를 제거하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기 및 상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 이산화탄소 포집기와 상기 이산화탄소 저장탱크와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것이 바람직하다.
상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 수성 가스변환 반응기와 상기 이산화탄소 포집기와 상기 이산화탄소 저장탱크와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것이 바람직하다.
상기 LNG 운반선은 추진 장치를 구비한 것이 바람직하다.
상기 추진 장치는 이중 연료 엔진, 발전기 및 추진용 전기 모터를 구비하는 이중 연료 전기 추진 장치이고, 상기 발전기는 선박내 전기설비 및 상기 추진용 전기 모터에 연결되고, 상기 연료전지 모듈은 상기 발전기에 병렬로 연결된 것이 바람직하다.
상기 추진 장치는 추진용 디젤 엔진을 구비하는 디젤 엔진 추진 장치이고, 상기 연료전지 모듈은 선박내 전기설비에 연결된 것이 바람직하다.
상기 추진용 디젤 엔진은 MEGI 엔진인 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 장치가 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 장치에는 스팀 터빈과 응축기가 연결되고, 상기 스팀 터빈은 상기 전기 저장부에 연결된 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 장치가 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 장치에는 선박내 스팀 사용처와 응축기가 연결된 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기가 연결되고, 상기 연소기에는 가스 터빈이 연결되고, 상기 가스 터빈은 전기 저장부에 연결되고, 상기 연소기와 상기 가스 터빈에는 상기 압축기가 연결된 것이 바람직하다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일측면에 의하면, 생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 LNG를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 방법으로서, 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 상기 LNG 운반선에 설치하고, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 합성가스를 생성하고, 상기 개질반응되어 생성된 합성가스를 상기 연료전지로 공급하여 상기 연료전지에서 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법이 제공된다.
상기 증발가스를 스팀 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 스팀을 상기 스팀 개질반응에 사용하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 수소와 함께 상기 연료전지로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하여 수소만을 상기 연료전지로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 발생하는 열을 이용하여 스팀을 생성하고, 이렇게 생성된 스팀을 이용하여 스팀 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 발생하는 열을 이용하여 스팀을 생성하고, 이렇게 생성된 스팀을 선박내 스팀 사용처에 사용하는 것이 바람직하다.
상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 가스를 이용하여 가스 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 것이 바람직하다.
상기 LNG 운반선은 추진 장치에 의해 추진되는 것이 바람직하다.
상기 추진 장치는 이중 연료 엔진, 발전기 및 추진용 전기 모터를 구비하는 이중 연료 전기 추진 장치이고, 상기 연료전지에서 생산된 전기는, 상기 발전기에서 생산된 전기와 합쳐져서, 선박내 전기설비 및 상기 추진용 전기 모터로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 추진 장치는 추진용 디젤 엔진을 구비하는 디젤 엔진 추진 장치이고, 상기 연료전지에서 생산된 전기는, 선박내 전기설비로 공급되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 전기 생산 장치에 의하면, LNG 운반선에서 발생되는 증발가스를 개질반응시켜서 연료전지용 연료를 생성하고, 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 연료전지에 계속적으로 공급할 수 있으므로, LNG 운반선과 같이 장거리를 운항하는 대형 선박에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서 연료전지를 채용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 생성된 스팀은 선박내 스팀사용처에서 사용될 수도 있도록 하는 장치를 개략적으로 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 추진 장치가 이중 연료 전기 추진 장치인 경우에 선박 내에서의 각 구성요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 추진 장치가 디젤 엔진 추진 장치인 경우에 선박 내에서의 각 구성요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 개략도이다. 도 1에 도시된 LNG 운반선(1)은 LNG 저장탱크(10)와 연료전지 모듈(20)과 연료용 디젤 저장탱크(30)와 추진 장치(40)와 프로펠러(50)를 포함한다.
LNG 저장탱크(10)에는 천연가스가 극저온으로 액화된 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)가 저장되는데, 천연가스의 액화온도는 상압에서 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다.
LNG 저장탱크(10)의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크(10) 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장탱크(10) 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 연료전지 모듈(20)과 추진 장치(40)로 공급된다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈(20)은 스팀 개질반응기(21)와 분리기(22)와 연료전지(23)와 압축기(27)와 전기 저장부(29)를 포함한다.
LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 스팀 개질반응기(21)로 공급된다. 본 발명의 실시예에서는 개질반응기로서 증발가스를 스팀과 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 스팀 개질반응기를 예시하였지만, 스팀 개질반응기 외에 증발가스를 스팀 및 산소와 자열 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 자열 개질반응기, 증발가스를 이산화탄소와 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 이산화탄소 개질반응기, 증발가스를 산소와 부분산화 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 부분산화 개질반응기, 증발가스를 스팀 및 이산화탄소와 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 스팀 및 이산화탄소 개질반응기 등도 가능함을 알 수 있을 것이다.
스팀 개질반응기(21)에서 증발가스를 스팀 개질반응시켜 합성가스를 생성하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다. 증발가스는 LNG가 증발된 천연가스(CH4)이다.
CH4 + H2O → 3H2 + CO
여기에서, 스팀 개질반응은 니켈(Ni) 등의 촉매에 의해 촉발된다. 스팀 개질반응기(21)에서는 합성가스인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 생성되며, 이렇게 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 기타 물질이 부수적으로 발생된다. 본 명세서에서는 수소와 일산화탄소만을 합성가스라고 하기로 한다. 기타 물질에는 재(ash)와, 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 증발가스에 포함된 황(S) 성분이 변환되어 발생하는 황화수소(H2S)가 포함되어 있다.
스팀 개질반응기(21)에서 증발가스가 개질반응되어 생성된 합성가스는 연료전지용 연료로서 연료전지(23)에 공급되며, 연료전지(23)는 스팀 개질반응기(21)로부터 공급된 연료전지용 연료인 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산한다.
스팀 개질반응기(21)의 후단에는 분리기(22)가 설치되어 있다. 분리기(22)는 스팀 개질반응기(21)에서 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 기타 물질 중 재(ash)를 분리 제거한다.
연료전지(23)는 분리기(22)의 후단에 설치되어 있다.
압축기(27)는 연료전지(23)로 공기를 압축하여 공급한다.
전기 저장부(29)는 연료전지(23)에 연결되어 연료전지(23)에서 생산된 전기를 저장한다.
스팀 개질반응기(21)와 분리기(22)와 연료전지(23)와 압축기(27)와 전기 저장부(29)는 하나의 연료전지 모듈(20)로서 형성된다.
또한, 이러한 스팀 개질반응기, 분리기, 압축기, 연료전지 및 전기 저장부는 공지의 기술이므로 본 명세서에서는 그 구성에 대해 상세하게 설명하지 않기로 한다.
한편, 연료전지(23)는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane/Proton exchange Membrane Fuel Cell) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
연료전지(23)가 용융 탄산염형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지(23)로 공급한다. 용융 탄산염형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + CO3 -2 → H2O + CO2 + 2e-
CO + CO3 -2 → 2CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + CO2 + 2e- → CO3 -2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 + CO2 → H2O + CO2
여기에서, 수소와 함께 연료전지(23)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소(CO2)는 공기극으로 보내어져서 공기극에서 삼산화탄소(CO3 -2)를 생성하는 반응에 사용된다. 즉, 연료전지(23)가 용융 탄산염형 연료전지인 경우에는, 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 외부로 배출되지 않고 연료전지 내부에서 순환된다.
또한, 연료전지(23)가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 합성가스에서 일산화탄소를 제거하지 않고 일산화탄소를 수소와 함께 연료전지(23)로 공급한다. 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + O-2 → H2O + 2e-
CO + O-2 → CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + 2e- → O-2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 → H2O
여기에서, 수소와 함께 연료전지(23)로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소(CO2)는 별도의 장치에 의해 처리되어야 한다.
이렇게 연료전지(23)가 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 처리하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지(23)에는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기(25)가 설치되어 있고, 이산화탄소 포집기(25)에는 이산화탄소 포집기(25)에서 포집된 이산화탄소(CO2)를 저장하는 이산화탄소 저장탱크(26)가 연결되어 있다. 도 3은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 3에 도시된 실시예의 연료전지 모듈(20')에서 도 2의 실시예의 연료전지 모듈(20)과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하기로 한다.
본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈에 의하면, 연료전지(23)가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 연료전지 모듈(20')에 이산화탄소 포집기(25)와 이산화탄소 저장탱크(26)가 설치되어 있으므로, 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 연료전지(23)가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 스팀 개질반응기(21)와 분리기(22)와 연료전지(23)와 이산화탄소 포집기(25)와 이산화탄소 저장탱크(26)와 압축기(27)와 전기 저장부(29)는 다른 하나의 연료전지 모듈(20')로서 형성된다.
또한, 연료전지(23)가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하여 수소만을 연료전지(23)로 공급한다. 고분자 전해질형 연료전지에서 수소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 → 2H+ + 2e-
공기극 : 0.5O2 + 2H+ + 2e- → H2O
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 → H2O
여기에서, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리기(22)의 후단에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기(24)가 더 설치된다. 도 4는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈을 구성하는 요소들을 블록으로 표시한 블록 구성도이다. 도 4에 도시된 실시예의 연료전지 모듈(20")에서 도 2의 실시예의 연료전지 모듈(20)과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하기로 한다.
또한, 수성 가스변환 반응기(24)에서는, 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 증발가스에 포함된 황(S) 성분이 변환되어 발생하는 황화수소(H2S)를 물과 반응시켜 황산(H2SO4)으로 변환시켜 황화수소(H2S)를 제거한다. 액체 형태의 황산(H2SO4)은 수성 가스변환 반응기(24)에서 배출되어 별도의 저장용기(미도시)에 저장된다.
*합성가스 중의 일산화탄소와 황화수소를 수성 가스변환 반응기(24)에서 이산화탄소와 황산으로 변환시키는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
CO + H2O → CO2 + H2
H2S + 4H2O → H2SO4 + 4H2
수성 가스변환 반응기(24)에서 발생된 수소(H2)는 연료전지용 연료로서 연료전지(23)에 공급된다.
수성 가스변환 반응기(24)의 후단에는 이산화탄소 포집기(25)가 설치되어 있다. 이산화탄소 포집기(25)는 수성 가스변환 반응기(24)에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 포집한다.
이산화탄소 포집기(25)에는 이산화탄소 포집기(25)에서 포집된 이산화탄소(CO2)를 저장하는 이산화탄소 저장탱크(26)가 연결되어 있다. 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 연료전지 모듈에 의하면, 연료전지(23)가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 연료전지 모듈(20")에 이산화탄소 포집기(25)와 이산화탄소 저장탱크(26)가 설치되어 있으므로, 연료전지(23)로 공급되는 합성가스 중에 포함된 일산화탄소를 제거하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 대기중으로 배출하지 않으므로 이산화탄소 배출로 인한 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
수성 가스변환 반응기(24)에서 발생된 수소(H2)는 연료전지용 연료로서 연료전지(23)에 공급된다.
또한, 연료전지(23)가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 스팀 개질반응기(21)와 분리기(22)와 연료전지(23)와 수성 가스변환 반응기(24)와 이산화탄소 포집기(25)와 이산화탄소 저장탱크(26)와 압축기(27)와 전기 저장부(29)는 또 다른 하나의 연료전지 모듈(20")로서 형성된다.
이러한 수성 가스변환 반응기 및 이산화탄소 포집기는 공지의 기술이므로 본 명세서에서는 그 구성에 대해 상세하게 설명하지 않기로 한다.
한편, 연료전지(23)에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 스팀(H2O)이 부수적으로 발생하며, 이 스팀은 스팀 공급라인(L23)을 통해 스팀 개질반응기(21)에 공급되어 스팀 개질반응기(21)에서 증발가스를 개질반응시키는 데에 사용된다.
그리고, 용융 탄산염형 연료전지는 작동 온도가 650℃이고, 고체 산화물형 연료전지는 작동 온도가 650-1,000℃이므로, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서는 상당한 고온의 열이 발생한다. 그러나, 이러한 연료전지에서 발생하는 고온의 열은 일반적으로 버려진다.
따라서, 본 발명에서는, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 발전 효율을 높이는 방법을 제안한다.
도 5는 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 버려지는 폐열을 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지(23)에는 연료전지(23)에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 장치(30)가 부착 설치된다. 폐열 회수 장치(30)는 열교환기인 것이 바람직하다. 폐열 회수 장치(30)에는 스팀 터빈(31)과 응축기(33)가 연결되어 있고, 스팀 터빈(31)은 전기 저장부(29)에 연결되어 있다.
폐열 회수 장치(30)는 연료전지(23)에서 발생하는 열을 이용하여 물을 고온, 고압의 스팀으로 변환시킨다.
폐열 회수 장치(30)에서 생성된 고온, 고압의 스팀은 스팀 터빈(31)으로 보내어져 스팀 터빈(31)을 회전시켜서 전기를 생산한다. 스팀 터빈(31)에서 생산된 전기는 전기 저장부(29)에 저장된다.
스팀 터빈(31)을 회전시킨 후의 스팀은 응축기(33)로 보내어져 응축된 후 폐열 회수 장치(30)로 보내어진다.
또한, 폐열 회수 장치(30)에서 생성된 고온, 고압의 스팀은 선박내 스팀사용처에서 사용될 수도 있다. 도 6에 도시된 장치는, 폐열 회수 장치(30)에서 발생된 스팀이 선박내 스팀사용처(32)로 보내어지도록 구성된 것이다. 따라서, 폐열 회수 장치(30)에는 선박내 스팀사용처(32)와 응축기(33)가 연결된다. 선박내 스팀사용처(32)에서 사용된 후의 스팀은 응축기(33)로 보내어져 응축된 후 다시 폐열 회수 장치(30)로 보내어진다.
또한, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지로 공급된 합성가스 중의 일부는 연료전지에서 전기화학적으로 반응하지 않고 고온의 상태로 배출되는데, 이렇게 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높일 수도 있다.
도 7은 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우에, 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 이용하여 발전 효율을 높이는 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지(23)에는 연료전지(23)에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기(80)가 연결된다. 연소기(80)에는 가스 터빈(81)이 연결되어 있고, 가스 터빈(81)은 전기 저장부(29)에 연결되어 있다. 또한, 연소기(80)와 가스 터빈(81)에는 압축기(27)가 연결되어 있으므로, 압축기(27)로부터 연소기(80)와 가스터빈(81)으로 고압의 공기가 공급된다.
연소기(80)는 연료전지(23)에서 배출되는 고온의 합성가스를 고압의 공기와 연소시켜 고온, 고압의 가스로 변환시킨다.
연소기(80)에서 생성된 고온, 고압의 가스는 가스 터빈(81)으로 보내어져 가스 터빈(81)을 회전시켜서 전기를 생산한다. 가스 터빈(81)에서 생산된 전기는 전기 저장부(29)에 저장된다.
가스 터빈(81)을 회전시킨 후의 가스는 외부로 배출된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 추진 장치가 이중 연료 전기 추진 장치인 경우에 선박 내에서의 각 구성요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
LNG 운반선에서 이중 연료 전기 추진 장치는 이중 연료 엔진(41), 발전기(43), 교류/교류 컨버터(45), 변압기(47) 및 추진용 전기 모터(49)를 구비한다. 추진용 전기 모터(49)는 클러치(48)를 통해 프로펠러(50)를 구동시킨다.
발전기(43)는 선박내 전기설비, 즉, 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비와 추진용 전기 모터(49)에 연결되어 있다. 도 8에서 이중 연료 엔진(41)과 발전기(43)는 각각 2개씩 설치된 것으로 예시되어 있고, 연료전지 모듈(20)은 1개 설치된 것으로 예시되어 있으며, 연료전지 모듈(20)은 발전기(43)에 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 연료전지 모듈(20)에서 생산된 전기는, 발전기(43)에서 생산된 전기와 합쳐져서, 선박내 전기설비, 즉, 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비와 추진용 전기 모터(49)로 공급된다. 연료전지 모듈(20)가 발전기(43)들에는 배터리(60)가 병렬로 설치되어 있고, 연료전지 모듈(20)와 배터리(60)의 후단에는 각각 직류/교류 컨버터(70)가 배치되어 있다. 예를 들어, 선박이 입출항할 때에는 동력 소모가 적고 또한 항구 인근에서 배기가스의 배출을 가급적 적게 해야 하므로, 전기 생산 용량이 상대적으로 크고 배기가스의 배출이 많은 이중 연료 엔진(41)은 가동시키지 않고 전기 생산 용량이 상대적으로 작고 친환경적인 연료전지 모듈(20)만을 가동시켜서 연료전지 모듈(20)에서 생산된 전기와 배터리(60)에 충전된 전기만으로 추진용 전기 모터(49)와 선박내 전기설비를 작동시킨다. 한편, 선박이 정상 항해할 때에는 동력 소모가 많고 또한 배기가스의 배출이 비교적 자유로우므로 이중 연료 엔진(41)과 연료전지 모듈(20)를 모두 가동시켜 이중 연료 엔진(41)과 연료전지 모듈(20)에서 생산된 전기로 추진용 전기 모터(49)와 선박내 전기설비를 작동시키며, 이때, 이중 연료 엔진(41)과 연료전지 모듈(20)에서 생산된 전기는 배터리(60)를 함께 충전시킨다.
추진 장치가 이중 연료 전기 추진 장치인 LNG 운반선의 경우, 종래에는 이중 연료 엔진(41)과 발전기(43)를 각각 3개씩 설치하였으나, 본 발명에서는 이중 연료 엔진(41)과 발전기(43)를 각각 1개씩 줄이고 1개의 연료전지 모듈(20)로 대체하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 추진 장치가 디젤 엔진 추진 장치인 경우에 선박 내에서의 각 구성요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 도면이다.
LNG 운반선에서 디젤 엔진 추진 장치는 디젤 엔진(42)을 구비한다. 디젤 엔진(42)은 클러치(48)를 통해 프로펠러(50)를 구동시킨다.
도 9에서 연료전지 모듈(20)은 2개 설치된 것으로 예시되어 있으며, 연료전지 모듈(20)은 선박내 전기설비, 즉, 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비에 연결되어 있다. 따라서, 연료전지 모듈(20)에서 생산된 전기는, 선박내 전기설비, 즉, 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비로 공급된다. 연료전지 모듈(20)의 후단에는 직류/교류 컨버터(70)가 배치되어 있다.
추진 장치가 디젤 엔진 추진 장치인 LNG 운반선의 경우, 종래에는 발전용 디젤 엔진과 발전기를 각각 2개씩 설치하였으나, 본 발명에서는 발전용 디젤 엔진과 발전기를 아예 설치하지 않고 2개의 연료전지 모듈(20)로 대체하였다.
여기에서, 추진용 디젤 엔진으로서는 Man B&W Diesel 사에서 제작한 고압가스 분사엔진인 MEGI(Man B&W Engine Gas Injection) 엔진인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 LNG 운반선의 전기 생산 장치에 의하면, LNG 운반선에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 연료전지용 연료를 생성하고, 이렇게 생성된 연료전지용 연료를 연료전지에 계속적으로 공급할 수 있으므로, LNG 운반선과 같이 장거리를 운항하는 대형 선박에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서 연료전지를 채용할 수 있다.
이상의 실시예들에서는, LNG 운반선이 이중 연료 엔진 또는 추진용 디젤 엔진 등의 연료 연소 엔진을 구비하면서, LNG 운반선에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 생성된 연료전지용 연료를 연료전지에 계속적으로 공급할 수 있도록 구성된 연료전지 모듈을 구비한 것으로 예시하였지만, LNG 운반선이 이중 연료 엔진 또는 디젤 엔진 등의 별도의 연료 연소 엔진을 구비하지 않고 연료전지 모듈만을 구비하여 연료전지 모듈에서 생산된 전기만으로 추진용 전기 모터를 작동시켜 선박을 추진시킴과 동시에 선박내 전기설비를 작동시킬 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.

Claims (31)

  1. 생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 LNG를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 장치로서,
    상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 개질반응기와,
    상기 개질반응기에서 증발가스가 개질반응되어 생성된 합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응기는 상기 증발가스를 스팀과 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 스팀 개질반응기인 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 스팀을 상기 스팀 개질반응기에 공급하는 스팀 공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 스팀 개질반응기의 후단에는 증발가스를 개질반응시키는 과정에서 부수적으로 발생하는 재(ash)를 분리 제거하는 분리기가 설치된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지로 공기를 압축하여 공급하는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 생산된 전기를 저장하는 전기 저장부가 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료전지는 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기 및 상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 상기 분리기의 후단에는 합성가스 중의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소로 변환시켜서 일산화탄소를 제거하는 수성 가스변환 반응기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 수성 가스변환 반응기의 후단에는 상기 수성 가스변환 반응기에서 일산화탄소를 제거하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기 및 상기 이산화탄소 포집기에서 포집된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장탱크가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 이산화탄소 포집기와 상기 이산화탄소 저장탱크와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 개질반응기와 상기 분리기와 상기 연료전지와 상기 수성 가스변환 반응기와 상기 이산화탄소 포집기와 상기 이산화탄소 저장탱크와 상기 압축기와 상기 전기 저장부는 하나의 연료전지 모듈로서 형성된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  14. 청구항 7, 청구항 12 및 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 운반선은 추진 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 추진 장치는 이중 연료 엔진, 발전기 및 추진용 전기 모터를 구비하는 이중 연료 전기 추진 장치이고,
    상기 발전기는 선박내 전기설비 및 상기 추진용 전기 모터에 연결되고,
    상기 연료전지 모듈은 상기 발전기에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 추진 장치는 추진용 디젤 엔진을 구비하는 디젤 엔진 추진 장치이고,
    상기 연료전지 모듈은 선박내 전기설비에 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 추진용 디젤 엔진은 MEGI 엔진인 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  18. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 장치가 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 장치에는 스팀 터빈과 응축기가 연결되고, 상기 스팀 터빈은 상기 전기 저장부에 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  19. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 발생하는 열을 회수하는 폐열 회수 장치가 부착 설치되고, 상기 폐열 회수 장치에는 선박내 스팀 사용처와 응축기가 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  20. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에는 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스가 공급되는 연소기가 연결되고, 상기 연소기에는 가스 터빈이 연결되고, 상기 가스 터빈은 전기 저장부에 연결되고, 상기 연소기와 상기 가스 터빈에는 상기 압축기가 연결된 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 장치.
  21. 생산지에서 천연가스가 극저온으로 액화된 LNG를 LNG 저장탱크에 저장하여 운반하는 LNG 운반선에서 필요한 전기를 생산하는 방법으로서,
    합성가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 연료전지를 상기 LNG 운반선에 설치하고,
    상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 개질반응시켜서 합성가스를 생성하고,
    상기 개질반응되어 생성된 합성가스를 상기 연료전지로 공급하여 상기 연료전지에서 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 증발가스를 스팀 개질반응시켜서 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 연료전지에서 합성가스를 전기화학적으로 반응시키는 과정에서 발생하는 스팀을 상기 스팀 개질반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  24. 청구항 21에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 수소와 함께 상기 연료전지로 공급하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  25. 청구항 21에 있어서,
    상기 연료전지가 고분자 전해질형 연료전지인 경우, 합성가스 중의 일산화탄소를 제거하여 수소만을 상기 연료전지로 공급하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  26. 청구항 21에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 발생하는 열을 이용하여 스팀을 생성하고, 이렇게 생성된 스팀을 이용하여 스팀 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  27. 청구항 21에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 발생하는 열을 이용하여 스팀을 생성하고, 이렇게 생성된 스팀을 선박내 스팀 사용처에 사용하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  28. 청구항 21에 있어서,
    상기 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지 또는 고체 산화물형 연료전지인 경우, 상기 연료전지에서 배출되는 고온의 합성가스를 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 가스를 이용하여 가스 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  29. 청구항 21에 있어서,
    상기 LNG 운반선은 추진 장치에 의해 추진되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 추진 장치는 이중 연료 엔진, 발전기 및 추진용 전기 모터를 구비하는 이중 연료 전기 추진 장치이고,
    상기 연료전지에서 생산된 전기는, 상기 발전기에서 생산된 전기와 합쳐져서, 선박내 전기설비 및 상기 추진용 전기 모터로 공급되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
  31. 청구항 29에 있어서,
    상기 추진 장치는 추진용 디젤 엔진을 구비하는 디젤 엔진 추진 장치이고,
    상기 연료전지에서 생산된 전기는, 선박내 전기설비로 공급되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 전기 생산 방법.
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