선박용 연료전지 복합발전시스템{MCFC POWER SUPPLY SYSTEM FOR SHIP}

본 발명은, 선박용 연료전지 복합발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)에서 발생되는 고온의 가스를 이용하여 발전되는 선박용 연료전지 복합발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.

이러한 연료전지는 저온형과 고온형으로 분류되며, 고온형의 대표적인 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지가 있다.

고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 내외의 고온에서 연료를 바로 전기로 바꾸는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이다.

고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료의 사용과 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로, 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하다.

또한, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전되는 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.

이러한 MCFC의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와, 연료가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판과, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판과, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 애노드로 연료가스를 공급하고 캐소드로 산화제 가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기 화학 반응이 발생하여 직류 전력이 얻어지게 된다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 연료 전지를 이용한 선박용 복합발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

외부에서 공급되는 천연가스, 메탄올, 석탄가스와 같은 탄화수소 물질은 개질기(10)에서 수소와 이산화탄 개질되어 연료 전지(20)로 공급된다. 연료 전지(20)에서는 공급되는 수소와 이산화탄소를 기초로 전기 화학 반응에 의해 전력을 생산한다. 이러한 전기 화학 반응 중에 발생되는 고온의 가스는 열회수 증기유닛(30)으로 공급되고, 열회수 증기유닛(30)은 고온의 가스와는 다른 경로를 거쳐 공급되는 액체를 고온의 가스와 열교환시켜 스팀을 발생시킨다.

열회수 증기유닛(30)에서 발생된 스팀은 스팀터빈(40)으로 공급되어 스팀터빈(40)을 구동시키고, 스팀터빈(40)에서 발생되는 동력은 발전기(50)로 공급되어 발전기(50)를 발전시킨다.

한편 스팀터빈(40)에서 배출되는 스팀은 복수기(60)에서 물로 변환된 후 열회수 증기유닛(30)으로 공급되어 전술한 경로로 순환된다.

이러한 구조를 갖는 종래 기술의 일 실시예는 친환경적이고 효율이 높은 이점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박에서 버려지는 증발가스와 연료 전지에서 발생되는 고온의 가스를 이용하여 출력 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 전지 및 스팀 터빈을 단독으로 작동시킬 수 있는 선박용 연료전지 복합발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선체에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크; 선체에 마련되며 공급되는 탄화 수소 물질의 연료로 전기 화학 반응을 일으켜 고온의 가스를 발생시키는 연료 전지 유닛; 상기 연료 전지 유닛에서 배출되는 고온의 가스를 열원으로 발전되는 스팀 발전 유닛; 및 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 상기 연료 전지 유닛 및 상기 연료 전지 유닛으로 공급되는 경로와는 다른 경로로 상기 스팀 발전 유닛으로 공급시키는 증발가스 공급유닛을 포함하는 선박용 연료전지 복합발전시스템이 제공될 수 있다.

상기 연료 전지 유닛은, 상기 탄화 수소 물질을 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기; 및 상기 수소와 상기 이산화탄소를 애노드로 공급받아 캐소드로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의한 기전력을 발생시키는 연료 전지를 포함할 수 있다.

상기 증발가스 공급유닛은, 상기 저장탱크와 상기 개질기 및 상기 스팀 발전 유닛을 연결하는 유로; 및 상기 유로에 마련되어 상기 유로를 개폐하는 개폐밸브를 포함할 수 있다.

상기 개폐밸브는, 상기 저장탱크와 상기 스팀 발전 유닛을 연결하는 유로에 마련되는 제1 개폐밸브; 및 상기 저장탱크와 상기 개질기를 연결하는 유로에 마련되는 제2 개폐밸브를 포함할 수 있다.

상기 스팀 발전 유닛은, 상기 연료 전지부에서 배출되는 고온의 가스를 회수하여 공급되는 액체를 스팀으로 상변환시키는 열회수 증기 발생기; 상기 열회수 증기 발생기에서 배출되는 상기 스팀에 의해 구동되는 스팀 터빈; 상시 스팀 터빈의 동력으로 발전되는 발전기; 상기 스팀 터빈에서 배출되는 상기 스팀을 액체로 상변환시키는 복수기; 및 상기 저장탱크에서 공급되는 상기 증발가스에 의해 구동되어 상기 열회수 증기 발생기로 스팀을 공급하는 보일러를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 용융탄산염 연료전지에서 배출되는 고온의 가스를 열원으로 이용하여 순환되는 열매체를 상변환시켜 생성된 스팀으로 발전되는 스팀 발전 유닛을 구비하며, 상기 스팀 발전 유닛은 선체에 마련된 액화천연가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 추가로 이용하여 상기 스팀을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 복합발전시스템이 제공될 수 있다.

상기 증발가스를 추가로 이용하여 생성되는 스팀은 상기 스팀 발전 유닛의 보일러에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있다.

상기 보일러는 상기 스팀 발전 유닛의 열회수 증기발생기 외부에 설치되는 것에 제한되지 않고 상기 열회수 증기발생기 내부에 설치되는 덕트 버너를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 선박에서 버려지는 증발가스와 연료 전지에서 발생되는 고온의 가스를 이용하여 출력 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 전지 및 스팀 터빈을 단독으로 작동시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 연료 전지를 이용한 선박용 복합발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지 복합발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료전지 복합발전시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박용 연료전지 복합발전시스템(1)은, 선체(H)에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크(100)와, 선체(H)에 마련되며 공급되는 탄화 수소 물질의 연료로 전기 화학 반응을 일으켜 고온의 가스를 발생시키는 연료 전지 유닛(200)과, 연료 전지 유닛(200)에서 배출되는 고온의 가스를 열원으로 발전되는 스팀 발전유닛과, 저장탱크(100)에서 발생되는 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료 전지 유닛(200) 및 연료 전지 유닛(200)으로 공급되는 경로와 다른 경로로 스팀 발전 유닛(300)으로 공급시키는 증발가스 공급유닛(400)을 구비한다.

저장탱크(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 선체(H)의 내부에 복수로 마련될 수 있고, 저장탱크(100)의 내부에는 극저온 상태로 액화되어 대기압 상태(1.013bar)를 갖는 액화천연가스(LNG)가 저장된다.

그리고 저장탱크(100)의 내부에는 액화천연가스의 수송 중 외부로부터의 지속적인 열전달에 의해 액화천연가스가 기화되어 증발가스(BOG;Boil-Off Gas)가 발생된다. 본 실시 예에서 증발가스는 후술하는 연료 전지 유닛(200)이나 스팀 발전 유닛(300)으로 공급되어 탄화 수소 물질의 연료를 개질시키거나 스팀을 발생시키는 용도로 사용된다.

연료 전지 유닛(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 탄화 수소 물질을 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(210)와, 수소와 이산화탄소를 애노드로 공급받아 캐소드로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의한 기전력을 발생시키는 연료 전지(220)를 포함한다.

연료 전지 유닛(200)의 개질기(210)는, 메탄(CH ₄ )과 같은 연료가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 구체적으로 공급되는 연료가스는 탈황처리기에 의해 탈황 처리된 후 공급되는 물(순수)과 혼합되어 습분 연료로 상변환 된다.

이후 습분 연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(hydrocarbon)가 제거된다. 메탄가스로 개질된 연료가스는 공급되는 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질된다.

연료 전지 유닛(200)의 연료 전지(220)는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받아 캐소드(cathode)측으로부터 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으킴으로써 전기 화학 반응에 의한 기전력을 얻는 역할을 한다.

즉 연료전지의 애노드측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료 전지(220)의 캐소드측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다. 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스는 상호 전기 화학 반응에 의해 기전력을 얻게 된다.

그리고 캐소드에서는 화학 반응을 일으키고 남은 고온의 가스가 배기되고, 이 고온의 가스는 후술하는 스팀 발전 유닛(300)의 열회수 증기 발생기(310)로 공급된다.

스팀 발전 유닛(300)은 연료 전지 유닛(200)에서 공급되는 고온의 가스를 이용하여 생성된 스팀을 사용하여 전력을 생산하는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지(220)에서 배출되는 고온의 가스를 회수하여 공급되는 물과 같은 열매체를 스팀으로 상변환시키는 열회수 증기 발생기(310)와, 열회수 증기 발생기(310)에서 배출되는 스팀에 의해 구동되는 스팀 터빈(320)과, 스팀 터빈(320)의 동력으로 발전되는 발전기(330)와, 스팀 터빈(320)에서 배출되는 스팀을 액체로 상변환시키는 복수기(340)와, 저장탱크(100)에서 공급되는 증발가스에 의해 구동되어 열회수 증기 발생기(310)로 스팀을 공급하는 보일러(350)를 포함한다.

스팀 발전 유닛(300)의 열회수 증기 발생기(310)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수기(340)에서 응축되어 공급되는 열매체를 연료 전지(220)에서 배출되는 고온의 가스와 열교환시켜 증기 즉 스팀을 발생시킨다.

스팀 발전 유닛(300)의 보일러(350)는, 연료 전지(220)에서 배출되는 가스의 온도가 열회수 증기 발생기(310)에서 공급되는 액체를 과열 증기로 만들기에 충분히 높지 못한 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(100)에서 공급되는 증발가스에 의해 연소되어 열회수 증기 발생기(310)로 고온의 가스를 보조적으로 공급하는 역할을 한다.

따라서 열회수 증기 발생기(310)는 연료 전지(220)에서 배출되는 고온의 가스뿐만 아니라 버려지는 증발가스를 이용하여 구동되어 열회수 증기 발생기(310)로 고온의 가스를 공급하는 보일러(350)에 의해 안정적이고 효율적으로 스팀을 발생시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고 본 실시 예에서 보일러(350)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 열회수 증기발생기(310)의 외부에 설치될 수도 있고, 열회수 증기 발생기(310)의 내부에 설치될 수도 있다. 즉 본 실시 예에서 보일러(350)를 열회수 증기 발생기(310)의 내부에 설치하는 경우 보일러(350)는 열회수 증기 발생기(310)의 내부에 설치된 덕트 버너(미도시)일 수 있다.

증발가스 공급유닛(400)은, 저장탱크(100)에서 발생되는 증발가스를 개질기(210) 또는 스팀 발전 유닛(300)의 보일러(350)로 공급되도록 연결함과 더불어 증발가스의 공급이 개질기(210) 및 보일러(350) 중 적어도 어느 하나로 선택적으로 공급되도록 제어하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 증발가스 공급유닛(400)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(100)와 개질기(210) 및 스팀 발전 유닛(300)을 연결하는 유로(410)와, 유로(410)에 마련되어 유로(410)를 개폐하는 개폐밸브(420)를 포함한다.

증발가스 공급유닛(400)의 유로(410)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(100)와 보일러(350)를 연결하는 제1 유로(411)와, 제1 유로(411)에서 분기되어 개질기(210)에 연결되는 제2 유로(412)를 포함한다.

증발가스 공급유닛(400)의 개폐밸브(420)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(100)와 스팀 발전 유닛(300)의 보일러(350)를 연결하는 제1 유로(411)에 마련되는 제1 개폐밸브(421)와, 저장탱크(100)와 개질기(210)를 연결하는 제2 유로(412)에 마련되는 제2 개폐밸브(422)를 포함한다.

본 실시 예에서 개폐밸브(420)는 원거리에서 원격으로 개폐될 수 있는 전자 밸브일 수 있고, 수동으로 개폐할 수 있는 수동개폐밸브일 수도 있다.

그리고 본 실시 예는 개폐밸브(420)에 의해 저장탱크(100)에서 공급되는 증발가스의 공급 경로를 선택적으로 제어할 수 있다. 일 예로 연료 전지(220)의 보수 시에 제2 개폐밸브(422)를 닫고 제1 개폐밸브(421)를 개방하여 제1 유로(411)로만 증발가스가 공급되도록 할 수 있다. 그 결과 보일러(350)에서 배출되는 고온의 가스만을 이용하여 발전할 수 있는 스팀 발전 유닛(300)의 단독 운전이 가능한 이점이 있다.

이하에서 도 2를 참조하여 본 실시 예에 따른 선박용 연료전지 복합발전시스템(1)의 사용 상태를 간략히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이 공급되는 탄화 수소 물질은 개질기(210)에서 수소와 이산화탄소로 개질되며, 개질된 수소와 이산화탄소는 연료 전지(220)로 공급된다. 연료 전지(220)의 애노드는 수소와 이산화탄소를 공급받아 캐소드로 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의해 기전력을 발생시킨다.

이 과정에서 연료 전지(220)의 캐소드에서는 고온의 가스가 발생되고, 이 고온의 가스는 스팀 발전 유닛(300)의 열회수 증기 발생기(310)로 공급된다. 열회수 증기 발생기(310)는 연료 전지(220)에서 공급되는 고온의 가스와 복수기(340)에서 공급되는 액체를 상호 열교환시켜 스팀을 생성시킨다.

열회수 증기 발생기(310)에서 생성된 스팀은 스팀터빈으로 공급되어 스팀 터빈(320)을 구동시키고, 스팀 터빈(320)에서 발생된 동력은 발전기(330)로 구동시켜 전력을 생산한다. 그리고 스팀 터빈(320)에서 배출되는 스팀은 복수기(340)로 공급되어 액체로 변환된 후 전술한 과정으로 순환된다.

한편 연료 전지(220)에서 공급되는 고온의 가스로 복수기(340)에서 공급되는 액체를 과열 증기로 상변환시키는 것이 부족한 경우 저장탱크(100)에서 공급되는 증발가스를 이용할 수 있다.

즉 저장탱크(100)에서 발생되는 증발가스를 제1 유로(411)를 통해 보일러(350)에 공급하고, 보일러(350)서는 증발가스를 이용하여 고온의 가스를 생성한 후 고온의 가스를 열회수 증기 발생기(310)에 공급하여 부족한 고온의 가스를 보충할 수 있다.

그리고 연료 전지(220)의 보수 시에 제2 밸브를 닫고 제1 밸브를 개방하여 제1 유로(411)로만 증발가스가 공급되도록 하여, 보일러(350)에서 배출되는 고온의 가스만을 이용하여 스팀 발전 유닛(300)을 단독 작동시킬 수도 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예는 선박에서 버려지는 증발가스와 연료 전지에서 발생되는 고온의 가스를 이용하여 출력 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 전지 및 스팀 터빈을 선택적으로 작동시킬 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 선박용 연료전지 복합발전시스템 100 : 저장탱크
200 : 연료 전지 유닛 210 : 개질기
220 : 연료 전지 300 : 스팀 발전 유닛
310 : 열회수 증기 발생기 320 : 스팀 터빈
330 : 발전기 340 : 복수기
350 : 보일러 400 : 증발가스 공급유닛
410 : 유로 420 : 개폐밸브
H : 선체