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KR102506797B1 - 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 - Google Patents

연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 Download PDF

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KR102506797B1
KR102506797B1 KR1020210055210A KR20210055210A KR102506797B1 KR 102506797 B1 KR102506797 B1 KR 102506797B1 KR 1020210055210 A KR1020210055210 A KR 1020210055210A KR 20210055210 A KR20210055210 A KR 20210055210A KR 102506797 B1 KR102506797 B1 KR 102506797B1
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김상명
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Abstract

본 발명은, 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100), 그리고 수소 생산 유니트(100)에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200)를 포함하고, 수소 생산 유니트(100)는 기체 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(110), 그리고 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스에서 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리기(120)를 포함하며, 암모니아 분리기(120)는 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아수 생성기(121), 그리고 암모니아수로부터 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리막(122)을 포함하고, 수소 연료전지 유니트(200)로부터의 공기극 배출 가스를 암모니아 분리막(122)에서의 스윕 가스로 이용하여 암모니아를 분리할 수 있는, 연료전지 발전시스템을 개시한다.

Description

연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박{FUEL CELL GENERATION SYSTEM AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암모니아로부터 분리된 수소를 이용하는 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것이다.
암모니아는 20℃, 0.857MPa에서 용이하게 액화하며, 액체 암모니아는 중량 수소 밀도가 178중량％로 매우 높고, 또한 체적 수소 밀도는 액체 수소의 15 내지 25배라고 하는 매우 우수한 수소 캐리어로 주목받고 있으며, 암모니아를 개질하여, 수소를 분리할 경우, 암모니아는 탄소중립 연료로서, 이산화탄소를 발생시키지 않는다.
한편, 최근 들어, 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연료전지 발전시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.
연료전지 발전시스템은 LNG(Liquefied Natural Gas, LNG), LPG(liquefied petroleum gas, LPG), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등을 개질하여, 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 연료전지의 음극부에서는 산화제인 산소의 환원 반응이 일어나며, 양극부에서는 연료인 수소의 산화 반응이 일어나는데, 이러한 전기화학 반응을 통해 전기, 열, 물 등이 발생된다.
한편, 암모니아를 활용한 수소 연료전지를 연료전지 발전시스템으로 적용할 경우, 암모니아 개질기(NH3 Reformer)가 구비되어야 한다. 이때, 암모니아 개질기로부터 생성된 혼합가스는 미분해 암모니아를 포함할 수 있는데, 이러한 미분해 암모니아는 연료전지의 열화를 야기시킬 뿐만 아니라, 연료극인 양극부의 크랙 발생 및 수명저하의 원인이 될 수 있다.
이 경우, 미분해 암모니아를 분리하여 연료전지를 보호하기 위해 암모니아 흡착기가 사용될 수 있는데, 이전 공정에서 암모니아 흡착기에 기 흡착된 암모니아를 탈착함으로써 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다.
일 예로, 암모니아 흡착기가 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption; TSA)인 경우, 암모니아 흡착기에 열을 가하여 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다.
그러나, 가열 교대 흡착기인 암모니아 흡착기를 재생하기 위해서는 열원을 제공할 수 있는 별도의 장비가 설치되어야 하므로, 결과적으로 비용이 증가하게 된다.
한국 공개특허공보 제10-2021-0007791호 (연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물, 2021.01.20.)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 저비용으로 미분해 암모니아를 효과적으로 제거하여 연료전지의 열화를 방지할 수 있는, 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 발전시스템은, 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100); 그리고 상기 수소 생산 유니트(100)에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200);를 포함하고, 상기 수소 생산 유니트(100)는 상기 기체 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(110), 그리고 상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리기(120)를 포함하며, 상기 암모니아 분리기(120)는 상기 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아수 생성기(121), 그리고 상기 암모니아수로부터 상기 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리막(122)을 포함하고, 상기 수소 연료전지 유니트(200)로부터의 공기극 배출 가스를 상기 암모니아 분리막(122)에서의 스윕 가스로 이용하여 암모니아를 분리한다.
또한, 상기 암모니아 분리기(120)는 상기 암모니아수를 가열하는 열교환기(123)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아수 생성기(121)는 스프레이한 워터로 상기 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 포집하여 상기 암모니아수를 생성하는 워터 스크러버(water scrubber)(21)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 워터 스크러버(21)는, 상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 상기 혼합가스가 공급되는 워터 챔버(21a), 그리고 상기 워터 챔버(21a) 내에 설치되며 워터를 스프레이(spray)하는 분사기(21b)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아수 생성기(121)는 워터 탱크(22a) 내부의 워터에 상기 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 용해시켜 상기 암모니아수를 생성하는 워터 피트(water pit)(22)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 워터 피트(22)는, 워터가 채워지는 상기 워터 탱크(22a), 그리고 상기 워터 탱크(22a)를 밀봉하는 실링 부재(22b)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 생산 유니트(100)는 상기 암모니아 분리기(120)에서 배출되는 상기 수소 및 상기 질소에서 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(140)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 연료전지 유니트(200)는 상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 상기 수소를 연료로 전력을 생산하는 연료전지부(210), 공기를 가압하여 상기 연료전지부(210)에 공급하는 압축기(220), 그리고 상기 연료전지부(210)에서 미반응된 수소를 상기 질소 흡착기(140)로부터 분리되어 상기 연료전지부(210)로 공급되는 상기 수소와 합류시키는 송풍 수단(230)을 포함하고, 상기 연료전지부(210)에서 발생하는 제1 배기 가스(EG1)를 상기 암모니아 분리막(122)으로 공급하여 상기 암모니아 분리막(122)의 양단의 분압 차이를 유지할 수 있다.
또한, 상기 연료전지부(210)는 고분자 전해질 연료전지부이고, 상기 수소 연료전지 유니트(200)는 상기 질소 흡착기(140)와 상기 연료전지부(210)의 사이에 설치되어 상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 상기 수소를 가습하는 가습기(240)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가습기(240)는 버블러 타입 가습기, 인젝션 타입 가습기, 흡착제 타입가습기 또는 막가습기일 수 있다.
또한, 상기 수소 생산 유니트(100)는 액체 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(160), 상기 액체 암모니아를 기화시켜 만든 상기 기체 암모니아를 상기 암모니아 개질기(110)로 공급하는 기화기(150), 그리고 상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 수소 미분리 가스를 연소시켜 제2 배기 가스(EG2)를 발생시키는 연소기(180)를 더 포함하고, 상기 제2 배기 가스(EG2)는 상기 암모니아 개질기(110) 및 상기 기화기(150)로 순차 공급되어 열교환될 수 있다.
또한, 상기 기화기(150)를 통과한 상기 제2 배기 가스(EG2)는 상기 열교환기(123)에서 상기 암모니아수와 열교환될 수 있다.
또한, 상기 암모니아 분리막(122)으로부터 분리 추출된 미분해 암모니아는 상기 연소기(180)에 공급되어 연소될 수 있다.
또한, 상기 암모니아 분리기(120)는 상기 암모니아 분리막(122)에서 상기 미분해 암모니아와 분리된 워터를 상기 암모니아수 생성기(121)로 공급하는 펌프(124)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박은 전술한 연료전지 발전시스템을 구비할 수 있다.
이때, 상기 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 이산화탄소를 배출하지 않는 암모니아를 분해하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하므로, 친환경적이다.
또한, 암모니아 분리기를 이용하여 혼합가스에서 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성하고 생성된 암모니아수에서 미분해 암모니아를 추출할 수 있으므로, 종래의 TSA 방식의 암모니아 분리기와 대비하여 별도의 열원 제공 장비가 필요하지 않아 경제적이며 장비의 크기를 최소화할 수 있으며, 연료전지부의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 연료전지부로부터의 공기극 배출 가스를 암모니아 분리막에서의 스윕 가스로 활용하여 암모니아를 분리 추출하여서, 미분해 암모니아를 효과적으로 제거하는 공정을 구현할 수 있다.
또한, 연소기에서 발생한 고온의 제2 배기 가스는 암모니아 개질기, 기화기 및 암모니아 분리기의 열교환기의 열원으로 활용될 수 있으므로, 전체적인 에너지 소모를 줄여 경제적이다.
또한, 연료전지 발전시스템의 배기 가스를 암모니아 개질기, 기화기, 그리고 열교환기를 통과하며, 100℃ 이하로 냉각되어 중온의 배기 가스로 외부로 배출되므로 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 연료전지부를 선박이나 차량 등의 적용에 적합한 고분자 전해질 연료 전지부로 구성하는 경우, 질소 흡착기로부터의 질소가 흡착된 순수 수소를 가습하여 고분자 전해질 연료전지부로 공급함으로써, 고분자 전해질 연료전지부의 성능저하를 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구체적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 생성기가 워터 스크러버인 경우를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 생성기가 워터 피트인 경우를 구체적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구체적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은, 액체 상태의 액체 암모니아(L-NH3)를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100), 그리고 수소 생산 유니트(100)에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200)를 포함하여, 이산화탄소를 배출하지 않는 암모니아를 분해하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하여, 친환경적인 연료전지 발전시스템을 제공하는 것을 요지로 한다.
수소 생산 유니트(100)는 기화기(Vaporizer)(150), 암모니아 개질기(NH3 Cracker)(110), 암모니아 분리기(120), 질소 흡착기(140), 연소기(Combustor) (180), 그리고 암모니아 저장 탱크(160)를 포함할 수 있다.
기화기(150)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 기화시켜 기체 상태의 기체 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 기화기(150)는 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(180)로부터 배출되는 고온의 제2 배기 가스(EG2)를 활용할 수 있다.
이러한 기화기(150)는 쉘 앤 튜브 타입(shell and tube type)의 열교환기일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 열교환기가 가능하다.
암모니아 개질기(110)는 기화기(150)에서 생성된 기체 암모니아(G-NH3)를 열분해하여 개질할 수 있다. 즉, 암모니아 개질기(110)는 기화기(150)를 통과한 기체 암모니아(G-NH3)를 열분해(cracking reformer)를 통해 수소(H2) 및 질소(N2)로 분해할 수 있다. 이때, 분해되지 않은 미분해 암모니아(NH3)가 발생할 수 있다. 또한, 암모니아 개질기(110)는 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(180)로부터 배출되는 고온의 제2 배기 가스(EG2)를 활용할 수 있다.
또한, 암모니아 개질기(110)는 보다 낮은 온도에서 암모니아 개질을 할 수 있도록, 암모니아 분해 촉매를 포함할 수 있다. 암모니아 분해 촉매로서는, 암모니아 분해 반응에 촉매활성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 비금속계 변이 금속, 희토류계 물질, 귀금속계 물질을 조성으로서 포함하는 촉매를 들 수 있으며, 전술한 촉매들은 높은 비표면적을 갖는 담체에 담지해서 이용할 수 있다.
구체적으로는, 저온 촉매 방식의 암모니아 개질기(분해기)는 저온, 예를 들면, 약 400~600℃에서 암모니아를 분해할 수 있는 암모니아 개질기로서, 주기율표 상의 제8족 금속원소, 제1B족 금속원소 등을 분해 촉매로서 포함할 수 있다. 이러한 분해 촉매는 전술한 원소에 한정되는 것은 아니며, 산화구리, 산화크롬, 산화망간, 산화철, 팔라듐 또는 백금이거나. 혹은 제올라이트에 크롬, 구리 또는 코발트를 담지한 분해 촉매가 될 수 있다.
암모니아 개질기(110)를 저온 촉매 방식의 암모니아 개질기를 사용하여, 암모니아 개질에 사용되는 열량을 최소화시킬 수 있다.
암모니아 분리기(120)는 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스에서 미분해 암모니아(NH3)를 분리할 수 있다.
암모니아 분리기(120)는 암모니아수 생성기(121), 암모니아 분리막(122), 열교환기(123), 그리고 펌프(124)를 포함할 수 있다.
암모니아수 생성기(121)는 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성할 수 있다. 암모니아는 워터(water)에 잘 녹는 성질을 가지고 있다.
암모니아수 생성기(121)는 암모니아수를 생성하는 방법에 따라 워터 스크러버(water scrubber)(21)(도 2 참조) 또는 워터 피트(water pit)(22)(도 3 참조)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 생성기가 워터 스크러버인 경우를 구체적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 암모니아 생성기가 워터 피트인 경우를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 암모니아수 생성기(121)가 워터 스크러버(21)인 경우, 워터 스크러버(21)는 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 혼합가스(NH3/H2/N2)가 공급되는 워터 챔버(21a), 그리고 워터 챔버(21a) 내에 설치되며 워터를 스프레이(spray)하는 분사기(21b)를 포함할 수 있다.
워터 스크러버(21)는 분사기(21b)를 이용하여 워터를 스프레이(spray)하여 워터 챔버(21a)내로 공급되는 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 냉각 및 포집하여 암모니아수(NH4OH)를 생성할 수 있다. 이때, 암모니아 개질기(110)에서 워터 스크러버(21)로 공급되는 혼합가스의 경로 상에서 안전 밸브(Pressure Safety Valve)(PSV)가 설치될 수 있다. 안전 밸브(PSV)는 밸브 입구 쪽의 압력이 설정 압력에 도달하면 자동적으로 스프링이 작동하면서 유체가 분출되고 일정 압력 이하가 되면 정상 상태로 복원되는 밸브이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 암모니아수 생성기(121)가 워터 피트(22)인 경우, 워터 피트(22)는 워터가 채워지는 워터 탱크(22a), 그리고 워터 탱크(22a)를 밀봉하는 실링 부재(22b)를 포함할 수 있다.
워터 피트(22)는 워터 탱크(22a) 내부의 워터에 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 냉각 및 용해시켜 암모니아수를 생성할 수 있다. 이때, 워터 탱크(22a)를 실링 부재(22b)를 이용하여 밀봉함으로써 미분해 암모니아를 가압하여 용이하게 미분해 암모니아를 워터에 용해시킬 수 있다. 또한, 암모니아 개질기(110)에서 워터 피트(22)로 공급되는 혼합가스의 경로 상에서 안전 밸브(PSV)가 설치될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(123)는 암모니아수 생성기(121)에서 공급되는 암모니아수를 가열할 수 있다. 즉, 기화기(150)를 통과한 제2 배기 가스(EG2)와 열교환하여 암모니아수를 100도 이하로 가열시킬 수 있다. 따라서, 암모니아 분리막(122)에서 암모니아의 분리를 촉진시킬 수 있다.
이와 같이, 제2 배기 가스(EG2)는 암모니아 개질기(110), 기화기(150), 그리고 열교환기(123)를 순차적으로 통과하며, 100℃ 이하로 냉각되어 중온의 배기 가스로 외부로 배출되므로 안전성을 확보하게 된다.
암모니아 분리막(122)은 암모니아수로부터 미분해 암모니아를 분리할 수 있다. 이때, 수소 연료전지 유니트(200)의 연료전지부(210)로부터의 공기극(음극부, cathode) 배출 가스, 즉 제1 배기 가스(EG1)가 암모니아 분리막(122)에 공급되어 스윕 가스(Sweep gas)로 이용될 수 있다. 예컨대, 제1 배기 가스(EG1)는 암모니아 분리막(122)의 양단의 분압 차이 또는 농도 차이를 유지할 수 있다. 따라서, 암모니아 분리막(122)에서 미분해 암모니아가 용이하게 분리될 수 있다.
이와 같이, 제1 배기 가스(EG1)를 암모니아 분리막(122)에서의 스윕 가스로 이용하여 암모니아가 정체되지 않고 원활하게 추출되도록 할 수 있다.
이때, 암모니아 분리막(122)에서 암모니아가 제거된 워터는 다시 암모니아수 생성기(121)로 공급될 수 있다.
그리고, 암모니아 분리막(122)에서 분리 추출된 미분해 암모니아는 질소 흡착기(140)에서 공급되는 수소 미분리 가스와 함께 연소기(180)에 공급되어 연소될 수 있다.
또한, 펌프(124)를 이용하여 암모니아 분리막(122)에서 미분해 암모니아와 분리된 워터를 암모니아수 생성기(121)로 공급할 수 있다. 이러한 워터는 다시 미분해 암모니아를 용해시키기 위해 사용될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 암모니아 분리기(120)의 암모니아수 생성기(121)와 연결되는 질소 흡착기(140)는 암모니아수 생성기(121)로부터 배출되는 가스 상태의 질소 및 수소 중에서 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(140)는 압력 변동 흡착기 또는 가압 교대 흡착기(Pressure Swing Adsorption, PSA)일 수 있다. 가압 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 압력을 감소시켜 흡착기를 재생시킨다. 질소 흡착기(140)에서 배출되는 일부 미분리 수소 및 질소를 포함하는 수소 미분리 가스는 연소기(180)로 공급될 수 있다.
이와 같이, 연소기(180)는 암모니아 분리막(122)으로부터의 미분해 암모니아와 질소 흡착기(140)로부터의 일부 미분리 수소 및 질소를 포함하는 수소 미분리 가스를 연소시켜 고온의 연소 생성물인 산소, 질소, 그리고 수증기 등을 포함하는 제2 배기 가스(EG2)를 생성할 수 있다. 이러한 고온의 제2 배기 가스(EG2)는 암모니아 개질기(110)에 공급되어 열교환으로 암모니아 개질기(110)에 열에너지를 공급하고, 다시 기화기(150)로 공급되어 열교환으로 액체 암모니아를 기체 암모니아로 기화시키고, 열교환기(123)로 공급되어 암모니아수 생성기(121)에서 공급되는 암모니아수를 가열할 수 있다.
연소기(180)는 수소를 연소할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 내부에 연소 촉매를 포함하는 연소 반응 장치이거나, 또는 직접 연소 장치 등 일 수 있다.
암모니아 저장 탱크(160)는 액체 상태의 액체 암모니아(L-NH3)를 저장하며, 기화기(150)에 액체 상태의 액체 암모니아를 공급할 수 있다.
여기서, 암모니아 저장 탱크(160)는 액체 상태의 액체 암모니아를 저장할 수 있는 탱크로서, 멤브레인형 탱크이거나 또는 독립형 탱크일 수 있으며, 독립형 탱크일 경우 IMO type A, IMO type B, 또는 IMO type C의 저장 탱크일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 저장 탱크가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템이 선박에 설치되는 경우, 암모니아 저장 탱크(160)는 암모니아 운반선에 구비되는 화물창 즉, 운반용 암모니아를 저장하는 저장 탱크이거나, 또는 암모니아 연료 추진선에 있어 연료용 암모니아를 저장하는 연료 저장탱크일 수 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 암모니아 저장 탱크(160) 내부에는 액체 상태의 암모니아를 공급하기 위한 공급 펌프가 설치될 수 있다. 공급 펌프는 액체 상태의 암모니아에 설치되는 수중 펌프(submerged pump) 또는 딥웰펌프(deep well pump)일 수 있다.
한편, 수소 연료전지 유니트(200)는 연료전지부(210), 압축기(220), 그리고 송풍 수단(230)을 포함할 수 있다.
연료전지부(210)는 수소를 연료로 사용하는 연료전지로서 특별히 형태에 대해서 제한되지 않으나, 예를 들어 고온형 연료전지인 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 또는 고온 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)일 수 있다. 연료전지는 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지를 말한다. 연료전지부(210)는 질소 흡착기(140)에서 분리된 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다.
연료전지부(210)는 수소의 산화 반응이 일어나는 양극부(연료극, anode)와 산소의 환원 반응이 일어나는 음극부(공기극, cathode), 및 양극부에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부로 이동하도록 양극부와 음극부를 연결하는 도선을 포함할 수 있다. 양극부로는 수소 생산 유니트에서 생산된 고순도의 수소가 연료로서 공급되고, 음극부로는 산소를 포함하는 공기가 공급될 수 있다.
이때, 양극부와 음극부 사이는 전해질로 채워져 있으며, 양극부에서 수소의 산화 반응에 의해 생성된 수소 양이온은 전해질을 통해 음극부로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화 촉매를 추가로 사용할 수도 있다.
한편, 연료전지부(210)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 제1 배기 가스(EG1)가 발생하게 되며, 이러한 고온의 제1 배기 가스(EG1)는, 앞서 언급한 바와 같이, 암모니아 분리막(122)에서의 스윕 가스로 활용되어 미분해 암모니아의 흐름을 원활하게 유지할 수 있다.
연료전지부(210)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 연료전지부(210)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다. 이러한 연료전지부(210)에서 생산된 전력은 각종 수요처로 공급될 수 있으며, 예를 들면, 후술하는 압축기(220) 등의 전력에 활용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템이 선박에 구비되는 경우에는, 선박의 각종 필요 전력 수요처로 공급될 수 있다.
압축기(220)는 공기를 가압하여 연료전지부(210)에 공급할 수 있다. 따라서, 연료전지부(210)의 음극부에서 산소의 환원 반응이 원활하게 이루어지므로 연료전지부(210)에서 전력 생산 효율을 높일 수 있다.
송풍 수단(230)은 연료전지부(210)와 연결될 수 있다. 송풍 수단(230)은 연료전지부(210)에서 미반응된 일부 수소와, 전기화학적 반응의 결과물인 수증기의 일부를 연료전지부(210)로 재투입할 수 있다. 이때, 미반응된 일부 수소와 수증기는 질소 흡착기(140)로부터 분리되어 연료전지부(210)로 공급되는 수소와 합류될 수 있다. 이러한 송풍 수단(230)은 블로워일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 암모니아 분리기를 이용하여 혼합가스에서 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성하고 생성된 암모니아수에서 미분해 암모니아를 추출할 수 있으므로, 종래의 TSA 방식의 암모니아 분리기와 대비하여 별도의 열원 제공 장비가 필요하지 않아 경제적이며 장비의 크기를 최소화할 수 있으며, 연료전지부의 열화를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템은 선박에 설치될 수 있으며, 이때 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선일 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 질소 흡착기(140)에서 공급되는 수소를 직접 연료전지부(210)로 공급하였으나, 질소 흡착기(140)에서 공급되는 수소를 가습하여 연료전지부(210)로 공급하는 다른 실시예도 가능하다.
예컨대, 수소 연료전지 유니트(200)는 질소 흡착기(140)와 연료전지부(210) 사이에 가습기(humidifier)(240)를 포함할 수 있다.
이때 연료전지부(210)는 고분자 전해질 연료전지부(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell or Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)일 수 있다. 이러한 고분자 전해질 연료전지부는 수소 양이온을 이동시키는 고분자막을 전해질로 사용하는데, 이온 전도성을 유지하기 위하여 고분자 전해질막은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다.
이에 고분자 전해질 연료전지부로 공급되는 수소에는 가습을 위한 가습기(240)가 구비될 필요가 있으며, 이러한 가습기(240)는 질소 흡착기(140)와 연료전지부(210) 사이에 구비될 수 있다.
다시 말해, 질소 흡착기(140)에서 질소가 흡착된 순수 수소를 가습기(240)에 의해 가습하고, 가습된 순수 수소를 고분자 전해질 연료전지부인 연료전지부(210)에 공급하여, 전해질막의 이온 전도성을 유지함과 아울러, 연료전지부(210)의 성능 저하를 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
참고로, 고분자 전해질 연료전지는 고체의 고분자막을 전해질로 사용함으로써, 전해질의 누출이 없고 다른 타입에 비교하여 비교적 낮은 온도에서 작동하며, 유지 및 보수가 간편하다는 장점을 갖고 있어, 선박이나 차량 등의 적용을 위한 연료전지 발전시스템으로 적합하다는 평가를 받고 있다.
한편, 가습기(240)는 버블러(bubbler) 타입 가습기, 인젝션(injection) 타입 가습기, 흡착제 타입 가습기 및 막가습기 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 가습기(240)의 전단에는 연료전지부(210)로 공급되는 순수 수소의 유량을 조절할 수 있는 유량 조절 밸브(241)가 더 구비될 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박의 구성에 의해서, 암모니아 분해 공정에서 미분해 암모니아를 용해시킨 후 기화시키고, 연료전지부로부터의 공기극 배출 가스를 암모니아 분리막에서의 스윕 가스로 활용하여 암모니아를 분리 추출하도록 하고, 추출된 암모니아를 연소기로 공급하여 암모니아 기화에 필요한 열원을 공급하도록 하여서, 미분해 암모니아를 효과적으로 제거하는 공정을 구현할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 수소 생산 유니트 110: 암모니아 개질기
120: 암모니아 분리기 121: 암모니아수 생성기
122: 암모니아 분리막 123: 열교환기
124: 펌프 140: 질소 흡착기
150: 기화기 160: 암모니아 저장 탱크
180: 연소기 200: 수소 연료전지 유니트
210: 연료전지부 220: 압축기
230: 송풍 수단 240: 가습기
241: 유량 조절 밸브

Claims (16)

  1. 기체 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 유니트(100); 그리고
    상기 수소 생산 유니트(100)에서 생산한 수소를 이용하여 전력을 생산하는 수소 연료전지 유니트(200);를 포함하고,
    상기 수소 생산 유니트(100)는
    상기 기체 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(110), 그리고
    상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리기(120)를 포함하며,
    상기 암모니아 분리기(120)는
    상기 미분해 암모니아를 용해시켜 암모니아수를 생성하는 암모니아수 생성기(121), 그리고
    상기 암모니아수로부터 상기 미분해 암모니아를 분리하는 암모니아 분리막(122)을 포함하고,
    상기 수소 연료전지 유니트(200)로부터의 공기극 배출 가스를 상기 암모니아 분리막(122)에서의 스윕 가스로 이용하여 암모니아를 분리하며,
    상기 암모니아 분리기(120)는
    상기 암모니아수를 가열하는 열교환기(123)를 더 포함하고,
    상기 수소 생산 유니트(100)는
    상기 암모니아 분리기(120)에서 배출되는 상기 수소 및 상기 질소에서 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(140)를 더 포함하며,
    상기 수소 연료전지 유니트(200)는
    상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 상기 수소를 연료로 전력을 생산하는 연료전지부(210),
    공기를 가압하여 상기 연료전지부(210)에 공급하는 압축기(220), 그리고
    상기 연료전지부(210)에서 미반응된 수소를 상기 질소 흡착기(140)로부터 분리되어 상기 연료전지부(210)로 공급되는 상기 수소와 합류시키는 송풍 수단(230)을 포함하고,
    상기 연료전지부(210)에서 발생하는 제1 배기 가스(EG1)를 상기 암모니아 분리막(122)으로 공급하여 상기 암모니아 분리막(122)의 양단의 분압 차이를 유지하는, 연료전지 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아수 생성기(121)는 스프레이한 워터로 상기 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 포집하여 상기 암모니아수를 생성하는 워터 스크러버(water scrubber)(21)를 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 워터 스크러버(21)는,
    상기 암모니아 개질기(110)에서 배출되는 상기 혼합가스가 공급되는 워터 챔버(21a), 그리고
    상기 워터 챔버(21a) 내에 설치되며 워터를 스프레이(spray)하는 분사기(21b)를 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아수 생성기(121)는 워터 탱크(22a) 내부의 워터에 상기 혼합가스 중의 미분해 암모니아를 용해시켜 상기 암모니아수를 생성하는 워터 피트(water pit)(22)를 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 워터 피트(22)는,
    워터가 채워지는 상기 워터 탱크(22a), 그리고
    상기 워터 탱크(22a)를 밀봉하는 실링 부재(22b)를 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지부(210)는 고분자 전해질 연료전지부이고,
    상기 수소 연료전지 유니트(200)는
    상기 질소 흡착기(140)와 상기 연료전지부(210)의 사이에 설치되어 상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 상기 수소를 가습하는 가습기(240)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가습기(240)는 버블러 타입 가습기, 인젝션 타입 가습기, 흡착제 타입가습기 또는 막가습기인, 연료전지 발전시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 생산 유니트(100)는
    액체 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(160),
    상기 액체 암모니아를 기화시켜 만든 상기 기체 암모니아를 상기 암모니아 개질기(110)로 공급하는 기화기(150), 그리고
    상기 질소 흡착기(140)에서 배출되는 수소 미분리 가스를 연소시켜 제2 배기 가스(EG2)를 발생시키는 연소기(180)를 더 포함하고,
    상기 제2 배기 가스(EG2)는 상기 암모니아 개질기(110) 및 상기 기화기(150)로 순차 공급되어 열교환되는, 연료전지 발전시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기화기(150)를 통과한 상기 제2 배기 가스(EG2)는 상기 열교환기(123)에서 상기 암모니아수와 열교환되는, 연료전지 발전시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 암모니아 분리막(122)으로부터 분리 추출된 미분해 암모니아는 상기 연소기(180)에 공급되어 연소되는, 연료전지 발전시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 암모니아 분리기(120)는
    상기 암모니아 분리막(122)에서 상기 미분해 암모니아와 분리된 워터를 상기 암모니아수 생성기(121)로 공급하는 펌프(124)를 더 포함하는, 연료전지 발전시스템.
  15. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 9 항, 제 10 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항, 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 발전시스템을 구비한 선박.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 선박은 암모니아 운반선 또는 암모니아 연료 추진선인, 선박.
KR1020210055210A 2021-04-28 2021-04-28 연료전지 발전시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 Active KR102506797B1 (ko)

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