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KR-20260060597-A - FUEL CELL AND ENGINE INTEGRATED SYSTEM

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 엔진 통합 시스템은, 암모니아 저장 탱크에 저장된 암모니아와 공기의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 연료전지 스택, 및 상기 연료전지 스택의 배가스를 연소시키는 연소기를 포함하는 연료전지; 상기 암모니아 저장 탱크에 저장된 암모니아를 연료로 사용하는 암모니아 엔진; 상기 암모니아 엔진으로 공급되는 암모니아에서 수소를 추출하는 분해 반응기; 및 상기 연소기에서 생성된 열을 상기 분해 반응기로 공급하는 분해 반응기 공급라인을 포함한다.

Inventors

  • 유병용
  • 손희창

Assignees

  • 에이치디한국조선해양 주식회사
  • 에이치디현대미포 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (6)

  1. 연료전지 엔진 통합 시스템으로서, 암모니아 저장 탱크에 저장된 암모니아와 공기의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 연료전지 스택, 및 상기 연료전지 스택의 배가스를 연소시키는 연소기를 포함하는 연료전지; 상기 암모니아 저장 탱크에 저장된 암모니아를 연료로 사용하는 암모니아 엔진; 상기 암모니아 엔진으로 공급되는 암모니아에서 수소를 추출하는 분해 반응기; 및 상기 연소기에서 생성된 열을 상기 분해 반응기로 공급하는 분해 반응기 공급라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 연료전지 공기 공급라인으로 상기 연소기에서 생성된 열을 공급하도록 구성된 제1 열회수 라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 연료전지 스택의 연료극으로 암모니아를 공급하는 연료전지 연료 공급라인으로 상기 연소기에서 생성된 열을 공급하도록 구성된 제2 열회수 라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 암모니아 엔진에서 발생한 열을 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 연료전지 공기 공급라인으로 공급하도록 구성된 제1 엔진 폐열 재활용 라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 암모니아 엔진에서 발생한 열을 상기 연료전지 스택의 연료극으로 암모니아를 공급하는 연료전지 연료 공급라인으로 공급하도록 구성된 제2 엔진 폐열 재활용 라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 암모니아 엔진에서 발생한 열을 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 연료전지 공기 공급라인 및 상기 연료전지 스택의 연료극으로 암모니아를 공급하는 연료전지 연료 공급라인으로 공급하도록 구성된 제3 엔진 폐열 재활용 라인을 포함하는 연료전지 엔진 통합 시스템.

Description

연료전지 엔진 통합 시스템{FUEL CELL AND ENGINE INTEGRATED SYSTEM} 본 발명은 연료전지 엔진 통합 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 암모니아 연료전지 및 암모니아 엔진을 통합한 연료전지 엔진 통합 시스템에 관한 것이다. 지구 온난화 및 기후 위기를 해결하기 위해 저탄소/무탄소 발전에 대한 기술 도입이 시급해지고 있다. 저탄소/무탄소 발전을 위해 연료전지 활용성이 높아지고 있다. 연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 전기화학적 발전 장치이다. 이 중 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 고체 세라믹을 전해질로 하여 약 600℃ 내지 1000℃의 고온에서 운전하는 방식의 연료전지로서 발전 효율이 다른 방식의 연료전지에 비해 상대적으로 높은 장점을 가진다. 저탄소/무탄소 연료로서 저장 및 운송이 용이한 암모니아가 주목을 받고 있고, 암모니아는 고체산화물 연료전지에 활용할 수 있는 점에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 암모니아 SOFC 단독 발전은 효율 측면에서 강점이 있지만, 높은 초기투자비용 및 유지보수비용 등 비용 측면에서는 아직 단점이 존재하며, 특히 부하 변동에 취약한 단점을 가지고 있다. 암모니아 저장 탱크(10)의 액상 암모니아는 펌프(12)에 의해 펌핑되어, 연료전지 연료 공급라인(FSL1)을 따라서 연료전지(20)의 연료전지 스택(22)의 연료극으로 공급된다. 연료전지 연료 공급라인(FSL1)에는 액상 암모니아를 기상 암모니아로 기화시키기 위한 열교환기(61) 및 연료전지 사양에 맞게 기상 암모니아를 승압시키기 위한 연료 블로워(62)가 마련될 수 있다. 공기는 연료전지 공기 공급라인(ASL)을 통해서 연료전지(20)의 연료전지 스택(22)의 연료극으로 공급된다. 연료전지 공기 공급라인(ASL)에는 연료전지 사양에 맞게 공기를 승압시키기 위한 공기 블로워(52)가 마련될 수 있다. 연료전지 스택(22)의 후단에는 연료전지 스택의 배가스를 연소시키기 위한 연소기(24)가 마련될 수 있다. 도 2를 참조하면, 종래의 암모니아 엔진(30)에서는 파일럿 연료(디젤 등)가 필요하며 탄소 집약도 저감에 한계가 존재한다. 암모니아 저장 탱크(10)의 액상 암모니아는 펌프(12)에 의해 펌핑되어, 엔진 연료 공급라인(FSL2)을 따라서 암모니아 엔진(30)으로 공급된다. 디젤 저장 탱크(11)의 디젤 연료는 펌프(13)에 의해 펌핑되어, 디젤 공급라인(FSL3)을 따라서 암모니아 엔진(30)으로 공급된다. 엔진 연료 공급라인(FSL2)에는, 액상 암모니아를 승압시키기 위한 펌프(42)가 마련될 수 있고, 디젤 공급라인(FSL3)에는, 디젤을 승압시키기 위한 펌프(43)가 마련될 수 있다. 종래의 암모니아 엔진은 통상적으로 고체산화물 연료전지 대비 발전 효율이 낮지만, 부하 변동에 유리하다는 장점을 가진다. 도 1은 종래의 암모니아 연료전지 시스템 도면이다. 도 2는 종래의 암모니아 엔진 시스템 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 엔진 통합 시스템 도면이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 엔진 통합 시스템 도면이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 엔진 통합 시스템 도면이다. 이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 전후, 좌우 및 상하 방향은 설명의 편의를 위해서 지칭된 것으로, 서로에 대해 직교하는 방향일 수 있다. 그러나 이러한 방향은 가스 절단 장치가 배치된 방향에 대해 상대적으로 결정되는 것이며, 상하방향이라 하여 반드시 연직방향을 의미하지는 않을 수 있다. <연료전지 열회수 - 분해 반응기> 도 3을 참조하여, 본 발명의 연료전지 엔진 통합 시스템(100)을 설명한다. 본 발명의 연료전지 엔진 통합 시스템(100)은, 암모니아 저장 탱크(10)에 저장된 암모니아와 공기의 전기화학적 반응에 의해 발전하는 연료전지 스택(22), 및 상기 연료전지 스택(22)의 배가스를 연소시키는 연소기(24)를 포함하는 연료전지(20); 상기 암모니아 저장 탱크(10)에 저장된 암모니아를 연료로 사용하는 암모니아 엔진(30); 상기 암모니아 엔진(30)으로 공급되는 암모니아에서 수소를 추출하는 분해 반응기(40); 및 상기 연소기(24)에서 생성된 열을 상기 분해 반응기(40)로 공급하는 분해 반응기 공급라인(HSL)을 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 암모니아 저장 탱크(10)의 액상 암모니아는 펌프(12)에 의해 펌핑되어, 연료전지 연료 공급라인(FSL1)을 따라서 연료전지(20)의 연료전지 스택(22)의 연료극으로 공급된다. 연료전지 연료 공급라인(FSL1)은 암모니아 저장 탱크(10)와 연료전지 스택(22)의 연료극을 연결하는 라인으로 정의된다. 연료전지 연료 공급라인(FSL1)에는 액상 암모니아를 기상 암모니아로 기화시키기 위한 열교환기(61) 및 연료전지 사양에 맞게 기상 암모니아를 승압시키기 위한 연료 블로워(62)가 마련될 수 있다. 또한, 암모니아 저장 탱크(10)에 발생한 BOG 암모니아를 열교환기(61) 후단의 연료전지 연료 공급라인(FSL1)으로 공급하기 위한 BOG 공급라인(BSL)이 추가로 포함될 수 있다. 공기는 연료전지 공기 공급라인(ASL)을 통해서 연료전지(20)의 연료전지 스택(22)의 연료극으로 공급된다. 연료전지 공기 공급라인(ASL)에는 연료전지 사양에 맞게 공기를 승압시키기 위한 공기 블로워(52)가 마련될 수 있다. 연료전지 스택(22)의 후단에는 연료전지 스택의 배가스를 연소시키기 위한 연소기(24)가 마련될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 암모니아 저장 탱크(10)의 액상 암모니아는 펌프(12)에 의해 펌핑되어, 엔진 연료 공급라인(FSL2)을 따라서 암모니아 엔진(30)으로 공급된다. 엔진 연료 공급라인(FSL2)은 암모니아 저장 탱크(10)와 암모니아 엔진(30)을 연결하는 라인으로 정의된다. 엔진 연료 공급라인(FSL2)에는, 액상 암모니아를 승압시키기 위한 펌프(42), 액상 암모니아를 기상 암모니아로 기화시키기 위한 열교환기(44), 및 암모니아 연료의 일부를 수소와 질소로 분해시키기 위한 분해 반응기(40)가 마련될 수 있다. 분해 반응기(40)의 전화율이 약 90% 이하일 수 있다. 암모니아 엔진(30)은 불꽃점화방식일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 분해 반응기(40)에서 생성된 수소 및 질소가 암모니아와 함께 혼소로 암모니아 엔진(30)에 공급될 수 있다. 공급 연료 내 수소 조성이 약 5 wt% 이하일 수 있다. 종래의 암모니아 연료 엔진 시스템에서는 암모니아 연료를 주 연료로 사용하며, 디젤 연료를 파일럿 연료로서 활용하였지만, 본 발명에서는 분해 반응기를 통해 암모니아 연료를 일부 분해시켜 수소 및 질소 혼합물을 생성하여 파일럿 연료를 대체할 수 있다. 또한, 연소기(24)에서 생성된 열을 분해 반응기 공급라인(HSL)을 따라 분해 반응기(40)로 공급하여 에너지를 절약할 수 있고, 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 분해 반응기 공급라인(HSL)은 연소기(24) 또는 연소기 후단의 통합배관(26)과 분해 반응기(40)를 연결하는 라인으로 정의된다. <연료전지 열회수 - 연료극 및 공기극 공급라인> 연료전지 엔진 통합 시스템(100)은 연료전지 스택(22)의 공기극으로 공기를 공급하는 연료전지 공기 공급라인(ASL)으로 상기 연소기(24)에서 생성된 열을 공급하도록 구성된 제1 열회수 라인(HRL1)을 포함할 수 있다. 제1 열회수 라인(HRL1)에는 제1 열교환기(54)가 마련되어, 연소기(24)에서 생성된 열이 연료전지 공기 공급라인(ASL)을 따라 연료전지 스택(22)의 공기극으로 공급되는 공기를 가열하는데 활용될 수 있다. 제1 열회수 라인(HRL1)은 공기 공급라인(ASL)을 거쳐 연소기(24) 또는 통합배관(26)과 배기가스 배출부(70)를 연결하는 라인으로 정의된다. 또한, 연료전지 엔진 통합 시스템(100)은 연료전지 스택(22)의 연료극으로 암모니아를 공급하는 연료전지 연료 공급라인(FLS1)으로 상기 연소기(24)에서 생성된 열을 공급하도록 구성된 제2 열회수 라인(HRL2)을 포함할 수 있다. 제2 열회수 라인(HRL2)에는 제2 열교환기(64)가 마련되어, 연소기(24)에서 생성된 열이 연료전지 연료 공급라인(FLS1)을 따라 연료전지 스택(22)의 연료극으로 공급되는 암모니아를 가열하는데 활용될 수 있다. 제2 열회수 라인(HRL2)은 연료전지 연료 공급라인(FLS1)을 거쳐 연소기(24) 또는 통합배관(26)과 배기가스 배출부(70)를 연결하는 라인으로 정의된다. 본 발명에서는 연소기(24)에서 생성된 열을 제1 열회수 라인(HRL1) 및 제2 열회수 라인(HRL2)을 따라 공급하여 공기 및 암모니아를 가열하는데 활용하여 에너지를 절약할 수 있고, 분해 반응기 공급라인(HSL)을 따라 분해 반응기에서 요구되는 열을 공급할 수 있으므로, 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 추가적인 열공급이 필요없이 시스템 내 자체 폐열을 활용하여