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KR-20260060771-A - A FUEL SUPPLY SYSTEM FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL PROPULSION SHIP USING THE SAME

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Abstract

본 발명은 선박 내 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를 개질하는 개질부, 개질부로부터 개질된 가스를 공급받아 전력을 생산하고, 선박 추진을 위한 전력을 공급하는 연료전지부, 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를 기화시키는 연료 전처리부, 암모니아 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하여 승온시키는 컴프레서 및 암모니아 탱크로부터 연료 전치리부를 거쳐 기화된 암모니아에, 컴프레서에 의해 가압되어 승온된 증발가스를 합류시켜 개질부로 공급하도록 형성되어, 암모니아를 개질부에서 요구하는 조건으로 조절하여 공급하는 공급라인을 포함하는 연료전지용 연료공급시스템을 제공한다.

Inventors

  • 김창식

Assignees

  • 삼성중공업 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241025

Claims (9)

  1. 선박 내 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를 개질하는 개질부; 상기 개질부로부터 개질된 가스를 공급받아 전력을 생산하고, 선박 추진을 위한 전력을 공급하는 연료전지부; 상기 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를 기화시키는 연료 전처리부; 상기 암모니아 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하여 승온시키는 컴프레서; 및 상기 암모니아 탱크로부터 상기 연료 전치리부를 거쳐 기화된 암모니아에, 상기 컴프레서에 의해 가압되어 승온된 증발가스를 합류시켜 상기 개질부로 공급하도록 형성되어, 상기 암모니아를 상기 개질부에서 요구하는 조건으로 조절하여 공급하는 공급라인을 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공급라인은 상기 연료 전처리부와 상기 개질부 사이에 연결되고, 상기 암모니아 탱크로부터 상기 컴프레서를 경유하여 상기 공급라인에 연결되어, 상기 공급라인으로 상기 컴프레서에 의해 가압되어 승온된 증발가스를 유입시키는 증발가스 라인을 더 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 연료 전처리부는, 상기 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를, 상기 연료전지부에서 배출되는 냉각수의 폐열을 이용하여 기화시키는 기화기를 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 연료전지부와 상기 기화기 사이에 연결되어, 상기 연료전지부에서 사용되고 온도가 높아져 배출되는 냉각수를 상기 기화기로 유입시키고, 상기 기화기에서 상기 암모니아를 기화시키는데 사용되어 온도가 낮아진 냉각수를 상기 연료전지부로 유입시키는 폐열라인을 더 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 기화기는 상기 연료전지부에서 배출되는 냉각수의 폐열을 이용하여, 상기 암모니아를 기화시키는 동시에 55 내지 60℃로 1차 승온시키고, 상기 공급라인은 상기 컴프레서에 의해 가압되어 승온된 증발가스를 합류시켜, 상기 1차 승온된 암모니아를 상기 개질부에서 요구하는 온도인 70 내지 75℃로 2차 승온시키는 연료전지용 연료공급시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 폐열라인은 상기 개질부와 연결되고, 상기 기화기는, 상기 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를, 선택적으로 상기 개질부에서 배출되는 냉각수의 폐열을 이용하여 기화시키는 연료전지용 연료공급시스템.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 연료 전처리부는, 상기 공급라인 상에 구비되고, 상기 증발가스가 합류되어 혼합된 암모니아의 온도가 기 설정된 온도보다 낮아지거나, 상기 개질부에서 요구하는 온도 조건이 높아지는 경우, 상기 개질부로 공급되는 암모니아를 추가로 승온시키는 히터를 더 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 개질부와 상기 히터 사이에 연결되어, 상기 개질부에서 배출되는 배기가스를 상기 히터를 경유하여 외부로 배출시키는 보조 폐열라인을 더 포함하는 연료전지용 연료공급시스템.
  9. 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크; 상기 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를 개질하는 개질부; 상기 개질부로부터 개질된 가스를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지부; 상기 연료전지부로부터 전력을 공급받아 선체를 추진시키는 추진부; 상기 암모니아 탱크와 상기 개질부 사이에 연결되고, 상기 암모니아 탱크로부터 공급되는 암모니아를, 상기 연료전지부 또는 상기 개질부의 폐열을 이용하여 기화시키는 연료 전처리부; 상기 암모니아 탱크에서 발생된 증발가스를 가압하여 승온시키는 컴프레서; 및 상기 암모니아 탱크로부터 상기 연료 전치리부를 거쳐 기화된 암모니아에, 상기 컴프레서에 의해 가압되어 승온된 증발가스를 합류시켜 상기 개질부로 공급하도록 형성되어, 상기 암모니아를 상기 개질부에서 요구하는 조건으로 조절하여 공급하는 공급라인을 포함하는 연료전지 추진 선박.

Description

연료전지용 연료공급시스템 및 이를 이용한 연료전지 추진 선박{A FUEL SUPPLY SYSTEM FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL PROPULSION SHIP USING THE SAME} 본 발명은 연료전지용 연료공급시스템 및 이를 이용한 연료전지 추진 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 암모니아 탱크에서 공급되는 액화 암모니아와 증발가스를, 연료전지부 또는 개질부의 폐열과, 선박 내 컴프레서를 활용하여, 개질부에서 요구하는 조건으로 조절할 수 있는 연료전지용 연료공급시스템 및 이를 이용한 연료전지 추진 선박에 관한 것이다. 일반적으로 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 환경 조화성이 우수하여 최근에는 선박에 적용되어 사용되고 있다. 일 예로써, 연료전지 추진 선박은, LNG(Liquefied Natural Gas) 등의 액화가스를 이용하여 연료전지에서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 추진기로 공급하여 추진기를 동작시킴으로써, 선박을 추진시킬 수 있다. 도 1은 종래기술에 따른 연료전지 추진 선박(10)을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 연료전지 추진 선박(10)은, 액화가스 연료가 저장되는 복수의 저장탱크(11)가 구비될 수 있고, 저장탱크(11)로부터 공급되는 액화가스 연료는 압축기 또는 기화기(12)에서 연료전지(14)가 요구하는 압력으로 압축 및 기화되고, 히터(13)에서 연료전지(14)가 요구하는 온도로 승온된 후 연료전지(14)로 공급될 수 있다. 이때, 압축기 또는 기화기(12)와 히터(13)에는 각각 연료전지(14)에서 요구하는 압력 및 온도로 조절하기 위한 장치가 설치됨에 따라, 별도의 전력이나 연료전지에서 생산된 전력을 이용해야 하는 문제가 있었다. 또한, 저장탱크(11) 내에서 액화가스 연료가 자연 기화되어 발생되는 증발가스의 경우, 컴프레서(15), 냉각기(16), 응축기(17) 및 기액분리기(18) 등을 차례로 거쳐 증발가스를 재액화하여 다시 저장탱크(11)로 유입시켰으나, 재액화 처리 과정에서 많은 전력이 소모되어 운전 비용이 증가하고, 재액화 장비 추가로 인한 비용이 증가하며, 선박의 한정된 공간에 대형의 재액화 장비를 설치해야 하므로 선내 공간 확보가 어려운 문제점이 있었다. 도 1은 종래기술에 따른 연료전지 추진 선박을 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 추진 선박의 연료공급시스템을 블럭도로 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 연료 처리 구조를 블럭도로 도시한 것이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 연료공급시스템의 구성과 연료 처리 과정을 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 연료공급시스템의 구성과 연료 처리 과정을 도시한 것이다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 추진 선박의 연료공급시스템을 블럭도로 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 연료 처리 구조를 블럭도로 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 연료공급시스템(100)의 구성과 연료 처리 과정을 도시한 것이다. 설명에 앞서, 본 발명의 실시예 따른 연료전지 추진 선박은, 암모니아를 개질하여 생성된 수소를 이용하여 연료전지부(120)에서 전력을 생산하고, 생산된 전력으로 추진하는 연료전지 추진 선박으로서, 액화 암모니아를 운반하는 암모니아 운반선이나, 암모니아를 연료로 저장하는 다양한 선박으로 제공될 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 추진 선박은, 암모니아 탱크(200), 연료전지용 연료공급시스템(100) 및 추진부(미도시)을 포함할 수 있다. 여기서, 연료전지용 연료공급시스템(100)은, 개질부(110), 연료전지부(120), 연료 전처리부(130), 폐열라인(140), 컴프레서(150) 및 공급라인(160)을 포함할 수 있다. 더불어, 연료전지용 연료공급시스템(100)은, 비상 배출부(170) 및 질소 공급부(180)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 암모니아 탱크(200)는 액화 암모니아를 저장하고, 선박 내에 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 암모니아 탱크(200)는 액체 상태의 암모니아(예: -33℃)를 저장하는 저온 탱크 또는 가압 탱크로 형성될 수 있고, 공급펌프(111)를 구비하여 내부에 저장된 액화 암모니아를 공급펌프(111)를 통해 후술되는 연료 전처리부(130)의 기화기(131)로 공급할 수 있다. 개질부(110)는 암모니아 탱크(200)로부터 기화기(131) 또는 컴프레서(150)를 거쳐 공급되는 암모니아를 개질하여 질소와 수소를 생성할 수 있다. 일 예로써, 개질부(110)에서는 기화기(131)에 의해 기화된 암모니아와, 컴프레서(150)에 의해 가압된 증발가스가 혼합된 암모니아를 공급받아, 공급받은 암모니아를 열분해를 통해 수소와 질소로 분해할 수 있다. 이때, 개질부(110)는 대략 300 내지 600℃의 고온 조건에서 암모니아를 수소와 질소로 분해시킬 수 있고, 개질부(110)에서 배출되는 수소와 질소의 혼합가스는 연료전지부(120)로 공급될 수 있다. 일 예로써, 개질부(110)는 수소를 연료로 이용하여 동작하는 연소기(미도시)를 포함할 수 있고, 연소기(미도시)를 이용하여 암모니아 촉매 분해 반응을 위한 고온 조건을 형성시킬 수 있다. 더불어, 개질부(110)는 상기의 고온 조건을 용이하게 형성시키기 위한 전기 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 연료전지부(120)는 복수의 연료전지를 포함할 수 있고, 개질부(110)와 함께 선체의 좌현(port)과 우현(starboard)에 각각 배치될 수 있다. 여기서, 연료전지는 후술되는 개질부(110)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있고, 생산된 전력을 선박 내 추진부(미도시)로 공급함으로써 추진부(미도시)를 동작시킬 수 있다. 일 예로써, 본 실시예의 연료전지는 고온 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC) 또는 고온형 연료전지인 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 등으로 형성될 수 있고, 이외에도 수소를 이용하는 다양한 종류의 연료전지로 형성될 수 있다. 이와 같은 연료전지는 개질부(110)로부터 수소가 포함된 혼합가스를 공급받고, 외부 또는 환기장치로부터 공기를 공급받아, 수소와 공기 중의 산소를 화학적으로 반응시킴으로써 전기를 생산할 수 있다. 또한, 연료전지부(120)에서 전력 생산 후 남은 잉여 질소와 수소는 개질부(110)로 공급되어 개질부(110) 내 연소기(미도시)의 버닝 동작에 사용될 수 있다. 또한, 연료전지부(120)에서 반응 후 생성된 처리수와 잉여 가스(질소 및 공기 등)는 외부로 배출될 수 있다. 한편, 개질부(110)와 연료전지부(120)에는 과열 방지 및 적정 온도 유지를 위한 냉각수가 공급될 수 있는데, 통상은 방열시스템(20)을 통해 개질부(110)와 연료전지부(120)에서 사용되고 배출되는 고온 냉각수를 방열시키고, 방열에 의해 냉각된 저온 냉각수를 다시 개질부(110)와 연료전지부(120)로 공급할 수 있다. 일 예로써, 개질부(110)와 연료전지부(120)로부터 대략 60℃ 정도의 고온 냉각수가 배출될 수 있고, 방열부는 고온 냉각수를 방열시키고 대략 40℃ 정도의 저온 냉각수를 개질부(110)와 연료전지부(120)로 공급할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 방열시스템(20)을 대체하여, 개질부(110) 또는 연료전지부(120)에서 배출되는 고온 냉각수를 연료 전처리부(130)로 공급함으로써 고온 냉각수의 폐열을 사용할 수 있고, 폐열 사용에 의해 냉각된 저온 냉각수를 개질부(110) 또는 연료전지부(120)로 공급할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다. 연료 전처리부(130)는 기화기(131)를 포함하여, 암모니아 탱크(200)에서 공급되는 액화 암모니아를 기화시킬 수 있다. 이때, 기화기(131)는 연료전지부(120)의 폐열을 이용하여 액화 암모니아를 기화시킬 수 있다. 구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 선체에는 복수의 암모니아 탱크(200)가 구비될 수 있고, 암모니아 탱크(200)로부터 공급되는 액화 암모니아는 이송라인(112)을 통해 연료 전처리부(130)로 이송될 수 있다. 또한, 일 예로써, 선체의 좌현(port)과 우현(starboard)에는 각각, 개질부(110)와 연료전지부(120)가 배치된 연료전지 구역(P,S)이 구비될 수 있고, 연료 전처리부(130)에는 좌현의 연료전지 구역(P)으로 기화 암모니아를 공급하는 제1 기화기(131)와, 우현의 연료전지 구역(S)으로 기화 암모니아를 공급하는 제2 기화기(131)가 구비될 수 있다. 또한, 기화기(131)와 연료전지 구역(P,S) 내 연료전지부(120) 사이에는 폐열라인(140)이 연결될 수 있다. 폐열라인(140)은 연료전지부(120)로부터 기화기(131)를 경유하여 다시 연료전지부(120)로 연결되는 형태로, 연료전지부(120)에서 발생되는 고온 냉각수의 폐열을 기화기(131)로 전달할 수 있다. 즉, 폐열라인(140)은 기화기(131)를 통과하도록 형성되어, 연료전지부(120)에서 사용되고 배출되는 고온 냉각수의 폐열을 기화기(131)로 전달할 수 있고, 기화기(131)는 고온 냉각수의 폐열을 이용하여 액화 암모니아를 기화시킬 수 있다. 일 예로써, 암모니아 탱크(200)로부터 이송라인(112