KR101572982B1 - 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)가 병렬적으로 연결된 연료전지 시스템을 탑재한 선박에 있어서 효과적으로 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 선박 적용으로 인하여 친환경 선박 운용이 가능하고, MCFC와 메인 엔진으로부터 발생되는 폐열을 효과적으로 활용하여 선박 전력 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM FOR SHIP MOUNTED WITH FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템이 도입된 선박에 있어서, 선박 내 발생되는 폐열을 수집하여 재활용하는 폐열 회수 시스템에 관한 기술이다.
본 발명은 상선, 운반선, 여객선, 화물선, 해양구조물 등을 포함한 다양한 형태의 선박에 적용될 수 있으므로, 특정 선박 또는 해양 구조물로 한정되지 않을 수 있다.
본 명세서에서 "선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 이뿐 아니라 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 LNG 생산설비(FLNG)와 같은 해양 구조물을 포함하는 것으로 사용될 수 있고, 나아가 연료전지 시스템을 도입하고 있는 지상 이동장치에 또한 적용될 수 있다.
선박을 비롯한 해상 부유체는 해상에서 부유하면서 엔진 등에서 발생되는 추진력에 의하여 추진된다. 엔진의 연료로는 HFO(Heavy Fuel Oil), 전기 등 다양한 종류가 사용되고 있으며 최근에는 연료로서 NG(Natural Gas)가 제안되어 사용되기 시작하였다.
또한, 최근 화석 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지로서, 수소 에너지가 각광받고 있으며, 수소 에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 이러한 연료전지는 동작 온도와 주 연료의 형태에 따라 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAGC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 등으로 구분된다.
더욱 상세하게는, 알칼리 연료전지와 고분자 전해질막 연료전지의 경우 상온~100도 이하에서 가동되고, 인산형 연료전지는 약 150~200도 부근에서 가동된다. 그리고 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지는 고온형 연료전지로서 일반적으로 약 600~1000도의 고온에서 가동된다. 이러한 고온형 연료전지가 선박에서 가동되기 위해서는 고온 상태의 온도를 유지하거나 투입되는 연료를 예열하는 장치가 필수적이다.
연료전지가 선박에 탑재된 경우 선박으로부터 공급될 수 있는 잉여 에너지를 통하여 선박에 탑재된 연료전지시스템의 효율을 증대시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 통상적으로 MBOP(Mechanical Balnce of Plant), 연료전지 스택 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함하는 연료전지 시스템의 성능은 연료전지 스택 자체의 성능뿐만 아니라, 연료전지의 주변장치 즉 BOP(Balance of Plant)의 효율적이 운전에 의해 향상될 수 있다.
연료전지의 작동원리에 대하여 설명하면, 수소는 양극(anode)을 통과하고 산소는 음극(cathode)을 통과하게 되는데, 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 생산된 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 전환되어 선박 내 전력 수요처에서 사용된다. 아울러 전자가 전해질을 통과하면서 열도 부수적으로 발생된다.
이러한 연료전지를 선박의 동력 시스템 또는 전력 수요처 공급 시스템으로 활용하기 위하여 여러 시도가 있었다. 예컨대 본 출원인은 대한민국 등록특허공보 제10-0614299호에서 연료전지를 이용한 선박용 동력 시스템에 대하여 제시한 바 있다. 연료전지 시스템은 전술한 바와 같이 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 상이하지만, 도 1에 도시된 모식도와 같이 근본적으로는 동일한 원리에서 작동된다.
도 1에 도시된 바와 같이 통상적으로 연료전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료를 공급하는 연료부(1)로부터 공급된 연료를 이용하여 개질기(2)에서 수소를 추추출하여 산소가 포함된 공기(3)와 함께 연료전지 스택(4)에 제공하면, 연료전지 스택(4)에서 수소와 산소를 반응시켜 직류 전원을 생산하게 되고, 생산된 전력은 필요에 따라 전력 변환기(5)를 통해 교류 전력으로 변환되어 선박 내 수요처에 공급된다.
한편, 대표적인 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 부하추종 능력, 즉 전력수급의 변화에 대응하여 각 시점의 부하에 따라 즉시 전력을 내는 운전 방식으로 구동할 수 있는 능력이 없기 때문에 종래 선박용으로 탑재하기엔 무리가 있었다. 다시 말해서 용융탄산염 연료전지는 한번 가동되면 스택의 수명이 다할 때까지 풀 로딩(full loading)으로 전력을 생산하기 때문이다.
이러한 점은 항해 중과 기항 중에서의 전력 소비량 차이가 큰 선박에서 특히 문제될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전력 소비량의 변동 차이가 큰 선박에는 배터리를 추가로 장착할 수 있지만, 고가인 배터리가 지나치게 많이 필요하게 되어 비경제적이며 무게와 부피가 증가하게 되는 문제가 발생한다.
이에 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064723호에서는 선박에 탑재되는 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 수전해 시스템과 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)를 추가로 탑재하여, 선박 운항시 MCFC로 전력을 생산하고, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 수소를 생산 및 축적하며, 항해 중 MCFC에서 생산된 전력을 초과하여 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC을 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요 전력을 공급할 수 있는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 방법을 제시한 바 있다.
그러나 상기 제시된 방식으로는 MCFC의 부하추종을 위하여 잉여 전력을 저장하고, 추가 수요 전력을 생산하여 전력 운용상의 효율성을 향상시킬 수는 있지만, MCFC를 구동함에 따라 발생되는 폐열이나, 추가적으로 메인 엔진에서 배출되는 폐기 가스에 함유된 폐열 등을 효율적으로 회수할 수 없어 에너지 효율 면에서 보완이 요구되는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0614299호("반응물탱크를 내장한 액체화학물저장탱크", 2006.08.11. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064723호("연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법", 2011.06.15. 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)가 병렬적으로 연결된 연료전지 시스템을 탑재한 선박에 있어서 효과적으로 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(10); 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(20); 급수를 저장하는 급수 탱크(30); 상기 급수 탱크로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시키는 스팀 발생기(40); 상기 연료 가열기(20) 및 스팀 발생기(40)로부터 공급받은 연료와 스팀을 이용하여 수소를 생성하는 개질기(50); 상기 개질기(50)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 시스템(60); 및 선박 내에서 발생되는 폐열을 수집하는 폐열 회수 장치(70);을 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 개질기(50)로부터 공급받은 수소를 이용해 선박 내 수요 전력을 생산하며 상기 개질기(50)와 병렬적으로 연결된 용융탄산염 연료전지(MCFC)(61)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(62), 상기 용융탄산염 연료전지(61)로부터 생산된 잉여 전력을 저장하는 배터리(63) 및 생산된 전력을 선박 내 수요처에 분배시키는 배전반(64)을 포함하고, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 용융탄산염 연료전지(61)에서 발생되는 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공한다.
이때 상기 선박 내 열 수요처는 상기 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 용융탄산염 연료전지(61)의 발전량이 선박의 부하 전력량을 초과하는 경우 잉여 전력을 상기 배터리(63)에 저장하고, 상기 발전량이 상기 부하 전력량 미만인 경우 상기 고분자 전해질막 연료전지(62)가 가동되도록 제어하는 부하 추종부(65)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 용융탄산염 연료전지(61)의 가동으로 인해 장치 내에서 발생되는 폐열을 수집하여 전달하는 열 교환기(71)를 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 열 매체에 의한 열 교환을 통해 상기 열 교환기(71)로부터 전달받은 폐열을 상기 선박 내 열 수요처에 공급하는 열 매체 회로(72)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 연료전지 시스템(60)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(73)를 더 포함할 수 있으며, 선박의 추진력을 생산하는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(60)로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 상기 이코노마이저(73)에 공급되는 것이 바람직하다.
이때 상기 메인 엔진(81)은, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되거나 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 연료로 하여 구동되는 것이 바람직하며, 선박에서 요구되는 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력과 상기 연료 탱크(10)에 저장된 액화천연가스 연료가 모두 상기 메인 엔진(81)에 공급되고, 상기 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하지 않으면서 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지면, 상기 액화천연가스 연료가 상기 메인 엔진(81)에 공급되며, 상기 추진력이 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력이 상기 메인 엔진(81)에 공급되도록 조절하는 엔진 제어부(82)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(91), 상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(74) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(91)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(92) 및 상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(91)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(92)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(93)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열 회수 장치(70)는 상기 이코노마이저(73)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(75)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 전술한 바와 같은 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템이 구비된 선박을 제공한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템은, 연료전지 시스템의 선박 적용으로 인하여 친환경 선박 운용이 가능하고, MCFC와 메인 엔진으로부터 발생되는 폐열을 효과적으로 활용하여 선박 전력 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구동 원리를 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 연료 탱크(10), 연료 가열기(20), 급수 탱크(30), 스팀 발생기(40), 연료전지 시스템(50) 및 폐열 회수 장치(70)를 포함하는 폐열 회수 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 2에 도시되어 있다.
연료 탱크(10)는 연료를 저장 및 공급하기 위한 선박 내 저장 공간으로, 특히 일정 압력 하에서 액화천연가스(LNG)를 저장한다. 연료 탱크(10)는 연료전지 시스템(60) 또는 메인 엔진(81)에 연료를 공급하는 역할을 수행한다.
연료 가열기(20)는 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스에 열을 가하여 기화시키거나 예열하는 역할을 한다. 이때 일정한 양의 열이 필요하여 연료 가열기(20)는 선박 내 열 수요처가 되며, 본 발명에서는 추가적인 보일러나 가열기를 구비할 필요 없이 연료 전지나 메인 엔진으로부터 발생된 폐열을 수집하여 연료 가열기(20)에 공급함으로써, 연료를 기화시키거나 일정 온도 이상의 연료 제공 환경이 요구되는 용융탄산염 연료전지(이하, MCFC라 함)(61)를 위하여 연료를 예열하게 된다. 아울러, 연료 가열기(20)는 두 단계의 유닛으로 나뉘어 연료 기화와 연료 예열을 별도로 수행할 수 있으며, 구분 여부는 특별히 한정하지 않는다.
한편 연료전지 시스템(60)에서 필요한 수소를 생산하기 위하여 스팀이 필요하므로, 이를 공급하기 위하여 급수 탱크(30) 및 스팀 발생기(40)가 구비된다. 급수 탱크(30)는 선박 내 급수를 저장하기 위한 공간이며, 스팀 발생기(40)는 급수 탱크(30)로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시킨다. 스팀 발생기(40)는 상기 연료 가열기(20)와 마찬가지로 선박 내 열 수요처가 되며, 추후 회수된 폐열을 공급하여 급수의 가열이 이루어진다.
연료 가열기(20)로부터 가열된 액화천연가스를 공급받고, 스팀 발생기(40)로부터 스팀을 공급받아, 개질기(50)에서 수소를 생성하게 된다. 이때 개질기(50)와 연료전지 시스템(60) 상호 간의 효과적인 운용 제어를 위하여 개질기(50)에서 생산된 수소를 일정량 저장하기 위한 수소 탱크를 별도로 구비할 수도 있다.
개질기(50)로부터 수소를 공급받아 연료 전지 시스템(60)에서 전력을 생산하게 된다. 연료전지의 전력 생산 원리는 이미 언급한 바 있다.
본 발명의 연료전지 시스템(60)은 크게 MCFC(61), 고분자 전해질막 연료전지(이하, PEMFC라 함)(62), 배터리(63) 및 배전반(64)을 포함한다. 전술한 바와 같이, PEMFC(62)와 MCFC(61)를 병렬적으로 연결하여 연료전지 시스템(60)의 부하추종 능력을 향상시키고, 배터리(63)의 용량 및 크기를 줄일 수 있다. 한편 배전반(64)은 연료전지로부터 생산된 전력을 선박 내 전력 수요처에 분배시키는 역할을 수행한다.
한편, 본 발명의 폐열 회수 장치(70)는 기본적으로 MCFC(61)에서 발생되는 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 한다. MCFC(61)는 고온형 연료전지의 하나로, 운전 온도가 약 600~1000도 정도이다. 따라서 MCFC(61) 자체 내에서 발생되는 폐열이나 MCFC(61)로부터 발생되는 폐기 가스 내 함유된 폐열이 상당하다. 따라서 이러한 폐열을 효과적으로 수집하여 효율적으로 선박 내 연료전지 시스템을 운용할 수 있다.
전술한 바와 같이 선박 내 열 수요처는 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)가 있을 수 있으며, 이 외에도 난방이나 추가 시설을 위한 곳에 수집되 폐열을 공급할 수 있다.
연료전지 시스템(60)을 구성하는 MCFC(61)와 PEMFC(62) 및 배터리(63)간의 상호관계에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 본 연료전지 시스템(60)의 주된 전력 생산은 MCFC(61)에 의해 이루어지게 되며 이때 MCFC(61)의 발전량이 선박의 부하 전력랑을 초과하게 되면 잉여 전력을 우선 배터리(63)에 저장하게 된다. 한편 발전량이 부하 전력량 미만인 경우에는 추가 전력량이 필요하게 되므로 PEMFC(62)가 비로소 가동된다. 이러한 일련의 제어 과정이 부하 추종부(65)에 의해 제어된다.
한편, 폐열 회수 장치(70)는 MCFC(61)의 가동으로 인해 장치 내에서 발생되는 폐열을 수집하여 전달하기 위해 열 교환기(71)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 열 교환기(71)를 통해 600~1000도의 MCFC(61) 가동으로 인해 연료전지 외부로 방출되는 폐열을 흡수하고, 선박 내 열 수요처에서 흡수한 폐열을 방출함으로써 선박의 전체적인 열 순환을 수행한다.
상술한 열 교환기(71)의 기능을 발휘하기 위하여 다양한 형태의 열 교환기가 차용될 수 있으나, 바람직하게는 열 매체에 의한 열 교환을 통해 열 교환기(71)로부터 전달받은 폐열을 선박 내 열 수요처에 공급하는 열 매체 회로(72)를 구성할 수 있다.
열 매체 회로(72)는 MCFC(61) 연료전지의 장치 외부를 감싸는 형태로 구비될 수 있으며, 열 매체가 MCFC(61)에서 방출되는 열을 흡수하여 가열되면, 열 매체 회로(72)를 통해 선박 내를 순환하면서 선박 내 열 수요처에 이르러 다시 한번 열 교환을 통해 흡수한 열을 방출하게 된다. 상기 열 매체는 온도 범위에 따라 적합한 다양한 형태의 냉매 조성물이 차용될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예에 따라 폐열 회수 장치(70)는 연료 전지 시스템(60)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하기 위한 이코노마이저(73)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 대한 공정 흐름도가 도 3에 도시되어 있다.
이코노마이저(73)는 폐기 가스가 중심부를 관통하여 통과되면서 외주면에 형성되는 급수 라인을 가열하게 되면서 과열된 급수 또는 스팀을 생산하는 장치이다. 이코노마이저(73)를 통해 생성되는 과열 급수나 스팀은 선박 내에서 이를 필요로 하는 수요처에 공급되거나, 열 교환을 통해 선박 내 열 수요처에 공급될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 스팀 터빈(75)을 추가로 두어 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산할 수 있다.
또한 선박에서는 추진력을 얻기 위한 메인 엔진(81)이 구비되는데, 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료 전지 시스템(60)으로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 이코노마이저(73)에 공급되도록 구성할 수 있다. 이로써 폐기 가스 내 폐열 함유량이 증가되어 보다 효과적으로 폐열을 수집할 수 있게 된다.
메인 엔진(81)은 선박의 발전기용 엔진 또는 선박 추진력을 발생시키는 내연기관을 의미하며, 바람직하게는 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되는 전동기의 형태이거나, 연료 탱크(10)로부터 공급받은 천연가스를 연료로 하여 구동되는 디젤기관 등의 형태일 수 있다.
이때 메인 엔진(81)에 공급되는 에너지원을 구성하는데 있어서, 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력 혹은 연료 탱크(10)에서 공급된 천연가스의 메인 엔진(81)으로의 투입을 제어하기 위한 엔진 제어부(82)가 더 포함될 수 있다.
첫째로, 선박에서 요구되는 추진력이 천연가스 공급에 따른 메인 엔진(81)의 구동력을 초과하는 값을 가지게 되면, 연료전지에서 생성된 전력과 연료 탱크(10)에서 공급되는 천연가스 연료가 모두 메인 엔진(81)에 공급된다. 선박 추진력을 최대한으로 이끌어 내도록 하기 위함이다.
둘째로, 선박에서 요구되는 추진력이 천연가스 공급에 따른 메인 엔진(81)의 구동력을 초과하지는 않지만 연료전지에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지는 경우에는 천연가스 연료가 메인 엔진(81)에 공급된다. 연료전지에서 생성되는 전력만으로는 선박의 추진력을 포괄할 수 없으므로 안정적으로 추진력을 메인 엔진(81)에 공급하기 위함이다.
셋째로, 선박에서 요구되는 추진력이 연료전지에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지는 경우에는 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력만이 메인 엔진(81)에 공급되도록 한다. 오염 물질을 배출하지 않는 친환경적 에너지원인 연료전지 시스템(60)의 사용을 장려하기 위함이다.
이러한 형태의 메커니즘을 엔진 제어부(82)를 통해 구현함으로써, 안정적인 엔진 구동을 보장함과 동시에 친환경적인 선박의 운항을 도모할 수 있어, 최근 규제가 강화된 해양에서의 오염물질 배출량을 현저히 줄여서 적법한 항해를 실현할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 메인 엔진(81)으로부터 발생되는 폐기 가스 내의 오염 물질을 컨트롤하기 위하여 선택적 촉매환원장치(이하 SCR이라 함)(91), 댐퍼(92) 및 폐기가스 제어부(93)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 4에 도시되어 있다.
SCR(91)은 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 속에 함유된 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 역할을 수행한다. SCR(91)은 폐기 가스에 암모니아 수용액을 주입하여 촉매 상에서 폐기 가스의 질소 산화물과 선택적으로 반응시킴으로써, 질소산화물을 무해한 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치 또는 이와 관계된 제반 설비로 구성될 수 있다.
댐퍼(92)는 메인 엔진(81)에서 배출되는 폐기 가스의 유동 경로를 SCR(91)과 이코노마이저(73)으로 이어지는 가스 혼합부(74)의 사이에서 변경하도록 분기 구조의 배기라인에 설치되는 덕트형 몸체를 가질 수 있다. 즉, 댐퍼(92)는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 배관 라인으로부터 SCR(91) 배기관과 이코노마이저(73) 배기관이 분기되는 분기 지점에 설치되고, 메인 엔진(81)의 폐기 가스를 SCR(91) 또는 이코노마이저(73)에 선택적으로 공급시키도록, SCR(91)측 배기관 또는 이코노마이저(73) 측 배기관 중 어느 하나를 개방시킬 때 다른 하나를 차폐시키는 역할을 담당할 수 있다.
상술한 바와 같은 댐퍼(92)에 의한 폐기 가스 유동 경로의 설정 신호를 비롯하여 SCR(91)의 구동 여부의 설정신호 등을 처리하여 댐퍼(92)의 작동을 제어하기 위한 폐기가스 제어부(93)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이로써 NOx 규제지역 내에서 운항 시 필요에 따라 본 시스템을 가동하여 메인 엔진(81)의 폐기 가스가 폐열 수집을 위한 시스템에 투입되지 않고 SCR(91)에 투입되어 규제를 만족하도록 하며, 규제 지역을 통과하게 되면 폐열 회수를 위하여 폐기 가스가 가스 혼합부(74)에서 연료전지로부터 발생되는 폐기 가스와 혼합되어 이코노마이저(73)에 투입되도록 함으로써 보다 효과적으로 폐열을 수집하도록 유도한다.
한편 본 발명은 상술한 바와 같은 다양한 실시예에 따른 폐열 회수 시스템이 구비된 선박을 제공한다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1 : 연료부
2 : 개질기
3 : 공기
4 : 연료전지 스택
5 : 전력 변환기
10 : 연료 탱크
20 : 연료 가열기
30 : 급수 탱크
40 : 스팀 발생기
50 : 개질기
60 : 연료전지 시스템
61 : 용융탄산염 연료전지(MCFC)
62 : 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)
63 : 배터리
64 : 배전반
65 : 부하 추종부
70 : 폐열 회수 장치
71 : 열 교환기
72 : 열 매체 회로
73 : 이코노마이저
74 : 가스 혼합부
75 : 가스 터빈
81 : 메인 엔진
82 : 엔진 제어부
91 : 선택적 촉매환원장치(SCR)
92 : 댐퍼
93 : 폐기가스 제어부

Claims (12)

  1. 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(10); 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(20); 급수를 저장하는 급수 탱크(30); 상기 급수 탱크로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시키는 스팀 발생기(40); 상기 연료 가열기(20) 및 스팀 발생기(40)로부터 공급받은 연료와 스팀을 이용하여 수소를 생성하는 개질기(50); 상기 개질기(50)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 시스템(60); 및 선박 내에서 발생되는 폐열을 수집하는 폐열 회수 장치(70);을 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서,
    상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 개질기(50)로부터 공급받은 수소를 이용해 선박 내 수요 전력을 생산하며 상기 개질기(50)와 병렬적으로 연결된 용융탄산염 연료전지(MCFC)(61)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(62), 상기 용융탄산염 연료전지(61)로부터 생산된 잉여 전력을 저장하는 배터리(63) 및 생산된 전력을 선박 내 수요처에 분배시키는 배전반(64)을 포함하고,
    상기 폐열 회수 장치(70)는,
    상기 용융탄산염 연료전지(61)의 장치 외부를 감싸는 형태로 구비되어 상기 용융탄산염 연료전지(61)에서 발생되는 폐열을 열 매체에 의한 열 교환을 통해 수집하여 선박 내 열 수요처에 직접적인 열 교환을 통해 수집된 폐열을 공급하는 열 매체 회로(72); 및
    상기 연료전지 시스템(60)과 선박의 추진력을 생산하는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 중심부를 관통하여 통과되면서 외주면에 형성되는 급수 라인이 상기 폐기 가스의 폐열을 통해 가열되어 과열된 급수 또는 스팀을 생산하는 이코노마이저(73);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선박 내 열 수요처는 상기 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템(60)은,
    상기 용융탄산염 연료전지(61)의 발전량이 선박의 부하 전력량을 초과하는 경우 잉여 전력을 상기 배터리(63)에 저장하고, 상기 발전량이 상기 부하 전력량 미만인 경우 상기 고분자 전해질막 연료전지(62)가 가동되도록 제어하는 부하 추종부(65);
    를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메인 엔진(81)은, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되거나 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 연료로 하여 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    선박에서 요구되는 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력과 상기 연료 탱크(10)에 저장된 액화천연가스 연료가 모두 상기 메인 엔진(81)에 공급되고,
    상기 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하지 않으면서 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지면, 상기 액화천연가스 연료가 상기 메인 엔진(81)에 공급되며,
    상기 추진력이 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력이 상기 메인 엔진(81)에 공급되도록 조절하는 엔진 제어부(82);
    를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(91);
    상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(74) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(91)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(92); 및
    상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(91)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(92)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(93);
    를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 회수 장치(70)는,
    상기 이코노마이저(73)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(75);
    을 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항의 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템이 구비된 선박.
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