KR101225689B1 - Fuel cell system and ship having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로, 연료전지스택에 개질 연료를 공급하는 연료공급부와, 연료전지스택에 압축 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료공급부에서 공급되는 개질 연료 중 적어도 일부를 저장하는 연료저장부를 포함하고, 연료저장부는 공기공급부에서 공기를 압축하는 동력을 이용하여 개질 연료를 압축하는 것을 포함하여 구성된다.The present invention relates to a fuel cell system and a ship having the same, comprising: a fuel supply unit for supplying reformed fuel to a fuel cell stack, an air supply unit for supplying compressed air to the fuel cell stack, and a reformed fuel supplied from the fuel supply unit And a fuel storage unit for storing a portion, wherein the fuel storage unit includes compressing the reformed fuel using a power for compressing air in the air supply unit.

Description

연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박{FUEL CELL SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME}FUEL CELL SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME

본 발명은 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a ship having the same, and more particularly to a fuel cell system and a ship having the same that can improve the energy efficiency.

연료전지시스템은 전기를 생산하는 연료전지스택(stack), 연료전지스택에 수소/탄화수소 및 산소를 공급하는 연료처리장치, 연료전지스택에서 생산된 DC 전력을 AC 전력으로 전환하는 전환시스템, 연료전지스택에서 발생되는 열을 회수하는 배열회수장치 등으로 구성된다.The fuel cell system includes a fuel cell stack for producing electricity, a fuel processor for supplying hydrogen / hydrocarbon and oxygen to the fuel cell stack, a conversion system for converting DC power produced from the fuel cell stack to AC power, a fuel cell It is composed of a heat recovery device for recovering heat generated from the stack.

통상 선박에서 연료전지시스템은 보조전원으로 사용되는데, 이를 효율적으로 운영하여 에너지 효율을 증가시킬 필요가 있다. In general, a fuel cell system in ships is used as an auxiliary power source, it is necessary to operate it efficiently to increase energy efficiency.

먼저 연료전지스택의 공기극으로 유입되는 공기를 가압해줄 수 있다. 공기극의 압력이 높을수록 연료전지의 출력이 증가하기 때문이다. 그러나 공기를 가압하기 위해 연료전지에서 얻어지는 전력의 일정 부분을 가압장치를 구동하기 위해 사용한다면 가압에 의한 연료전지의 효율은 그만큼 상쇄된다.First, the air flowing into the cathode of the fuel cell stack can be pressurized. The higher the pressure of the cathode, the higher the output of the fuel cell. However, if a portion of the power obtained from the fuel cell to pressurize air is used to drive the pressurization device, the efficiency of the fuel cell by pressurization is canceled by that amount.

한편, 연료전지스택의 연료극에 수소를 안정적으로 공급해줄 수 있다. 수소 공급은 선박의 운전조건에 따라 영향을 받게 되므로, 대용량의 수소저장탱크를 이용하면 운전조건과 독립적으로 안정적인 수소 공급이 가능하다. 그러나 대용량의 수소저장탱크는 안전 및 기술상의 문제로 인하여 선박에 탑재하기 어려운 실정이다.On the other hand, hydrogen can be stably supplied to the anode of the fuel cell stack. Since the hydrogen supply is affected by the ship's operating conditions, stable hydrogen supply is possible using a large capacity hydrogen storage tank independently of the operating conditions. However, a large capacity hydrogen storage tank is difficult to be mounted on a ship due to safety and technical problems.

일 측은, 독립적인 시스템을 하나로 연계하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박에 대하여 개시한다.
One side discloses a fuel cell system capable of improving energy efficiency by linking independent systems with one and a vessel having the same.

일 기술적 사상에 따른 연료전지시스템은 연료전지스택;과 상기 연료전지스택에 개질 연료를 공급하는 연료공급부;와 상기 연료전지스택에 압축 공기를 공급하는 공기공급부;와 상기 연료공급부에서 공급되는 개질 연료 중 적어도 일부를 저장하는 연료저장부;를 포함하고, 상기 연료저장부는 상기 공기공급부에서 공기를 압축하는 동력을 이용하여 개질 연료를 압축하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one or more exemplary embodiments, a fuel cell system includes a fuel cell stack, a fuel supply unit supplying reformed fuel to the fuel cell stack, an air supply unit supplying compressed air to the fuel cell stack, and a reformed fuel supplied from the fuel supply unit. And a fuel storage unit for storing at least a portion of the fuel storage unit, wherein the fuel storage unit compresses the reformed fuel using a power for compressing air from the air supply unit.

또한, 상기 공기공급부에서 상기 연료저장부로의 동력 전달을 단속하는 동력단속부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the power supply for intermittent power transmission from the air supply to the fuel storage unit; may be characterized in that it comprises a.

또한, 상기 동력단속부는 상기 연료저장부에 연료를 저장하는 경우 상기 공기공급부에서 상기 연료저장부로 동력이 전달되도록 하고, 상기 연료저장부에 연료를 저장하지 않는 경우 상기 공기공급부에서 상기 연료저장부로의 동력 전달을 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the power control unit allows power to be transferred from the air supply unit to the fuel storage unit when storing fuel in the fuel storage unit, and from the air supply unit to the fuel storage unit when the fuel is not stored in the fuel storage unit. It may be characterized in that the power transmission is cut off.

또한, 상기 공기공급부는 공기를 압축하는 제1압축기;를 포함하고, 상기 연료저장부는 개질 연료를 압축하는 제2압축기;를 포함하고, 상기 동력단속부는 상기 제1압축기에서 상기 제2압축기로의 동력 전달을 단속하는 클러치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The air supply unit may include a first compressor for compressing air, and the fuel storage unit may include a second compressor for compressing reformed fuel, and the power control unit may include the first compressor and the second compressor. It may be characterized in that it comprises a; clutch to intermittent power transmission.

또한, 상기 연료저장부는 상기 제2압축기에서 압축된 개질 연료를 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The fuel storage unit may further include a storage tank configured to store the reformed fuel compressed by the second compressor.

또한, 상기 연료공급부와 상기 연료저장부 각각에 연결되어 상기 연료공급부에서 상기 연료전지스택으로 공급되는 량과 상기 연료저장부에 저장되는 양을 제어하는 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The apparatus may further include a valve connected to each of the fuel supply unit and the fuel storage unit to control an amount supplied from the fuel supply unit to the fuel cell stack and an amount stored in the fuel storage unit. .

또한, 상기 공기공급부는 공기를 압축하기 위한 동력을 만들어내는 발전기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the air supply may further comprise a generator for generating power for compressing air.

또한, 상기 발전기는 터빈;과, 상기 터빈에 연소 가스를 공급하는 버너;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the generator may include a turbine; and a burner for supplying combustion gas to the turbine.

또한, 상기 버너는 상기 연료전지스택에서 미반응 연료를 공급받고, 상기 연료공급부에서 미개질 연료를 공급받는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the burner may be supplied with an unreacted fuel from the fuel cell stack and an unreformed fuel from the fuel supply unit.

또한, 상기 연료전지스택으로부터 고온의 열에너지를 공급받는 스팀발생부;를 더 포함하고, 상기 스팀발생부는 상기 연료공급부에 스팀을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.The steam generator may further include a steam generator configured to receive high temperature heat energy from the fuel cell stack, wherein the steam generator supplies steam to the fuel supply unit.

또한, 상기 발전기는 터빈;과, 상기 터빈에 스팀을 공급하는 스팀발생부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the generator may include a turbine; and a steam generator for supplying steam to the turbine.

또한, 상기 발전기는 상기 스팀발생부에 열에너지를 공급하는 버너;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The generator may further include a burner for supplying thermal energy to the steam generator.

한편, 다른 기술적 사상에 따른 연료전지시스템은 연료전지스택;과 상기 연료전지스택에 공급되는 연료를 개질시키는 연료공급부;와 상기 연료전지스택에 공급되는 공기를 압축시키는 공기공급부;와 상기 연료공급부에서 개질된 연료 중 적어도 일부를 압축시키는 연료저장부;를 포함하고, 상기 공기공급부와 상기 연료저장부는 하나의 동력원에 의해서 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.On the other hand, a fuel cell system according to another technical concept is a fuel cell stack; and a fuel supply unit for reforming the fuel supplied to the fuel cell stack; and an air supply unit for compressing the air supplied to the fuel cell stack; and in the fuel supply unit And a fuel storage unit for compressing at least a portion of the reformed fuel, wherein the air supply unit and the fuel storage unit are operated by one power source.

또한, 상기 공기공급부와 상기 연료저장부 사이에 마련되는 동력단속부;를 더 포함하고, 상기 동력단속부는 상기 하나의 동력원에서 공급되는 동력이 상기 연료저장부로 전달되는 것을 연결하거나 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.The apparatus may further include a power control unit provided between the air supply unit and the fuel storage unit, wherein the power control unit connects or blocks transmission of power supplied from the one power source to the fuel storage unit. can do.

일 실시예에 따른 연료전지시스템 및 이를 구비하는 선박은 에너지 효율을 상승시킬 수 있다.A fuel cell system and a ship having the same according to an embodiment may increase energy efficiency.

또한, 선박의 운행조건과 독립적으로 연료전지시스템을 정상적으로 동작시킬 수 있다.In addition, the fuel cell system can be normally operated independently of the ship's operating conditions.

도 1은 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 각 구성을 구체화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 구비한 선박의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an exemplary embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing each configuration of FIG. 1 in detail.
3 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to another embodiment.
4 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another embodiment.
5 is a schematic structural diagram of a ship provided with a fuel cell system according to another embodiment.

이하에서는 일 실시예에 따른 연료전지시스템에 대하여 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system according to an exemplary embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 각 구성을 구체화하여 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment, and FIG. 2 is a diagram illustrating each configuration of FIG. 1 in detail.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지지스템(10)은 연료전지스택(20)과 연료공급부(30), 공기공급부(40), 연료저장부(50), 동력단속부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.1 and 2, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 20, a fuel supply unit 30, an air supply unit 40, a fuel storage unit 50, and a power control unit 60. It may be configured to include).

연료전지스택(20)은 연료공급부(30)와 연료저장부(50) 중 적어도 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고 공기공급부(40)로부터 산소를 공급받아 수소와 산소를 반응시켜 전류를 생산한다.The fuel cell stack 20 receives fuel gas from at least one of the fuel supply unit 30 and the fuel storage unit 50, receives oxygen from the air supply unit 40, and reacts hydrogen with oxygen to produce a current.

이때 연료전지스택(20)은 연료극 가스 배출구와 연료극 가스 유입구를 가지는 연료극(21) 및 공기극 가스 배출구와 공기극 가스 유입구를 가지는 공기극(22)을 포함하여 구성될 수 있다.In this case, the fuel cell stack 20 may include an anode 21 having an anode gas outlet and an anode gas inlet, and an anode 22 having an anode gas outlet and an anode gas inlet.

연료전지스택(20)은 연료극 가스 유입구를 통해 유입된 연료가스를 연료극 가스 배출구로 배출한다. 연료가스는 전기화학적 반응이 수행된 연료 가스 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 연료가스를 포함할 수 있다.The fuel cell stack 20 discharges the fuel gas introduced through the anode gas inlet to the anode gas outlet. The fuel gas may include a fuel gas in which the electrochemical reaction is performed and an unreacted fuel gas in which the electrochemical reaction is not performed.

또한, 연료전지스택(20)은 공기극 가스 유입구를 통해 유입된 공기를 공기극 가스 배출구로 배출한다. 이때, 공기는 전기화학적 반응이 수행된 산소를 포함하는 공기 및 전기화학적 반응이 수행되지 않은 미반응 공기를 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell stack 20 discharges air introduced through the cathode gas inlet to the cathode gas outlet. In this case, the air may include air including oxygen in which the electrochemical reaction is performed and unreacted air in which the electrochemical reaction is not performed.

연료공급부(30)는 연료와 스팀을 공급받아 개질된 연료가스(또는 개질 연료)를 생성하고, 이 연료가스를 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급한다. 이때 연료공급부(30)는 개질기(31)와 수소정제기(32)를 포함하여 구성될 수 있다.The fuel supply unit 30 receives fuel and steam to generate a reformed fuel gas (or reformed fuel), and supplies the fuel gas to the anode 21 of the fuel cell stack 20. In this case, the fuel supply unit 30 may include a reformer 31 and a hydrogen purifier 32.

개질기(31)는 연료와 스팀을 공급받아 개질된 연료가스를 생성한다. 연료는 LNG 또는 NG를 포함하고, 이외에도 개질 가능한 모든 연료를 포함할 수 있다. 예를 들면 개질 가능한 연료는 디젤이나 선박유를 포함할 수 있는데, 이 경우 메탄화(methanation)를 거쳐 개질이 쉽도록 만들어진다. 이때 개질기(31)의 전단에는 메탄화장비가 마련된다. 스팀은 선박의 잉여 스팀이 사용될 수 있다. 선박이 정상 운행중인 경우 선박의 폐열을 이용하여 스팀을 얻을 수 있다. 개질된 연료가스는 수소를 포함할 수 있다.The reformer 31 receives fuel and steam to generate reformed fuel gas. The fuel includes LNG or NG, and may also include all reformable fuels. Reformable fuels, for example, may include diesel or marine oil, which is made to be easily reformed via methanation. At this time, the front end of the reformer 31 is provided with methanation equipment. Steam may be used surplus steam of the vessel. If the ship is in normal operation, steam can be obtained from the ship's waste heat. The reformed fuel gas may comprise hydrogen.

수소정제기(32)는 개질기(31)를 통과한 개질된 연료가스에서 순수한 수소만 걸러낸다.The hydrogen purifier 32 filters only pure hydrogen from the reformed fuel gas that has passed through the reformer 31.

공기공급부(40)는 외부로부터 공기를 흡입하여 소정 압력으로 연료전지스택(20)의 공기극(22)에 공급할 수 있다. 연료전지스택(20)의 공기극(22)의 압력이 증가하면 연료전지스택(20)에서 생성되는 출력이 증가한다.The air supply unit 40 may suck air from the outside and supply the air to the cathode 22 of the fuel cell stack 20 at a predetermined pressure. When the pressure of the cathode 22 of the fuel cell stack 20 increases, the output generated by the fuel cell stack 20 increases.

공기공급부(40)는 발전기(41)와 제1압축기(42)를 포함하여 구성될 수 있다. The air supply unit 40 may include a generator 41 and a first compressor 42.

발전기(41)는 제1압축기(42)를 동작시키기 위한 동력을 생성한다. 이때, 발전기(41)는 버너(41a)와 터빈(41b)을 포함할 수 있다. 버너(41a)는 개질기(31)의 미개질 연료와 연료전지스택(20)의 연료극(21)의 미반응 수소를 모아 연소시킨다. 버너(41a)에서 배출되는 연소가스(exhausted gas)는 터빈(41b)을 구동시킨다.The generator 41 generates power for operating the first compressor 42. At this time, the generator 41 may include a burner 41a and a turbine 41b. The burner 41a collects and burns the unreformed fuel of the reformer 31 and the unreacted hydrogen of the fuel electrode 21 of the fuel cell stack 20. Exhausted gas discharged from the burner 41a drives the turbine 41b.

제1압축기(42)는 발전기(41)로부터 동력을 전달받아 외부로부터 흡입된 공기를 압축한다. 이 압축된 공기는 연료전지스택(20)의 공기극(22)에 공급된다. 제1압축기(42)의 구동축은 터빈(41b)의 구동축과 연결된다. 발전기(41)에서 생성된 동력은 제1압축기(42)로 전달된다.The first compressor 42 receives power from the generator 41 and compresses air sucked from the outside. This compressed air is supplied to the cathode 22 of the fuel cell stack 20. The drive shaft of the first compressor 42 is connected to the drive shaft of the turbine 41b. Power generated in the generator 41 is transmitted to the first compressor 42.

연료저장부(50)는 연료공급부(30)에서 개질된 연료가스 중 적어도 일부를 저장하고, 이렇게 저장된 연료가스를 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급한다. 이때 연료저장부(50)는 공기공급부(40)에서 공기를 압축하는 동력을 이용하여 개질된 연료가스를 압축하여 저장한다. 즉, 공기공급부(40)의 동력원과 연료저장부(50)의 동력원은 동일한 동력원이 사용된다.The fuel storage unit 50 stores at least a portion of the fuel gas reformed by the fuel supply unit 30, and supplies the fuel gas thus stored to the fuel electrode 21 of the fuel cell stack 20. At this time, the fuel storage unit 50 compresses and stores the reformed fuel gas using a power for compressing air in the air supply unit 40. That is, the same power source is used as the power source of the air supply unit 40 and the power source of the fuel storage unit 50.

연료저장부(50)는 제2압축기(51)와 저장탱크(52)를 포함하여 구성될 수 있다.The fuel storage unit 50 may include a second compressor 51 and a storage tank 52.

제2압축기(51)는 제1압축기(42)로부터 동력을 전달받아 개질된 연료가스를 압축한다. 제2압축기(51)의 구동축과 제1압축기(42)의 구동축은 동력단속부(60)를 통하여 연결된다. 발전기(41)에서 생성된 동력은 제1압축기(42)로 전달되고, 제1압축기(42)로 전달된 동력은 동력단속부(60)를 통하여 선택적으로 제2압축기(51)로 전달될 수 있다. 이렇게 전달된 동력을 이용하여 제2압축기(51)는 연료가스를 압축한다.The second compressor 51 receives power from the first compressor 42 to compress the reformed fuel gas. The drive shaft of the second compressor 51 and the drive shaft of the first compressor 42 are connected through the power interruption unit 60. The power generated by the generator 41 is transmitted to the first compressor 42, and the power transmitted to the first compressor 42 may be selectively transmitted to the second compressor 51 through the power interrupter 60. have. Using the power thus transmitted, the second compressor 51 compresses the fuel gas.

저장탱크(52)는 제2압축기(51)에서 압축된 연료가스를 저장한다. 이때 저장탱크(52)는 연료가스를 예비적으로 저장하기 위한 것이기 때문에 소형으로 제조된다. 추후 필요 시 저장탱크(52)에 저장된 연료가스를 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급한다. The storage tank 52 stores the fuel gas compressed by the second compressor 51. At this time, the storage tank 52 is made compact because it is for preliminarily storing the fuel gas. If necessary, the fuel gas stored in the storage tank 52 is supplied to the fuel electrode 21 of the fuel cell stack 20.

동력단속부(60)는 제1압축기(42)에서 제2압축기(51)로의 동력 전달을 단속한다. 동력단속부(60)는 클러치(61)를 포함하여 구성될 수 있는데, 클러치(61)는 제1압축기(42)의 구동축과 제2압축기(51)의 구동축을 연결하거나 차단할 수 있다. 클러치(61)가 양 구동축을 연결하는 경우 제1압축기(42)에서 제2압축기(51)로의 동력 전달이 이루어지고, 클러치(61)가 양 구동축을 차단하는 경우 제1압축기(42)에서 제2압축기(51)로의 동력 전달이 이루어지지 않는다. 이에 동력단속부(60)는 선택적으로 제1압축기(42)에서 제2압축기(51)로의 동력 전달이 이루어지도록 할 수 있다.The power intermittent unit 60 intercepts power transmission from the first compressor 42 to the second compressor 51. The power control unit 60 may include a clutch 61, and the clutch 61 may connect or block the drive shaft of the first compressor 42 and the drive shaft of the second compressor 51. When the clutch 61 connects both drive shafts, power is transmitted from the first compressor 42 to the second compressor 51, and when the clutch 61 blocks both drive shafts, the first compressor 42 makes a first transmission. The power transmission to the two compressor 51 is not made. Accordingly, the power control unit 60 may selectively transmit power from the first compressor 42 to the second compressor 51.

한편, 밸브(70)는 연료공급부(30) 및 연료저장부(50) 각각에 연결되는데, 연료저장부(50)에 저장되는 연료가스의 저장량과 연료전지스택(20)에서 소비되는 연료가스의 공급량을 제어한다. 즉, 밸브(70)는 연료공급부(30)에서 공급되는 연료가스 중 일부가 연료전지스택(20)에 공급되도록 하고, 나머지 일부는 연료저장부(50)에 저장되도록 한다. 또한, 밸브(70)는 연료저장부(50)에 저장된 연료가스가 연료전지스택(20)에 공급되도록 한다.On the other hand, the valve 70 is connected to each of the fuel supply unit 30 and the fuel storage unit 50, the amount of fuel gas stored in the fuel storage unit 50 and the fuel gas consumed in the fuel cell stack 20 To control the supply. That is, the valve 70 allows some of the fuel gas supplied from the fuel supply unit 30 to be supplied to the fuel cell stack 20, and the other part is stored in the fuel storage unit 50. In addition, the valve 70 allows the fuel gas stored in the fuel storage unit 50 to be supplied to the fuel cell stack 20.

또한, 밸브(70)는 연료가스의 압력을 조절하여 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급할 수 있다. 연료전지스택(20)의 공기극(22)과 마찬가지로, 연료극(21)에서의 압력이 높아지는 경우 추가적인 동력 소비 없이도 연료전지의 효율이 향상되기 때문이다.In addition, the valve 70 may adjust the pressure of the fuel gas to supply the fuel electrode 21 of the fuel cell stack 20. As with the cathode 22 of the fuel cell stack 20, when the pressure at the fuel electrode 21 is increased, the efficiency of the fuel cell is improved without additional power consumption.

이하, 일 실시예에 따른 연료전지시스템의 동작에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to an embodiment will be described in detail.

선박이 정상조건으로 운행중인 경우 선박 엔진의 배기가스 등 폐열을 이용하여 스팀을 충분히 생성할 수 있고, 이러한 조건에서는 개질기(31)에 충분한 양의 스팀을 공급할 수 있다.When the vessel is operating under normal conditions, steam may be sufficiently generated using waste heat such as exhaust gas of the vessel engine, and in such conditions, a sufficient amount of steam may be supplied to the reformer 31.

공기공급부(40)는 외부에서 공기를 흡입하고, 이를 압축하여 연료전지스택(20)의 공기극(22)에 공급한다. 이때 발전기(41)는 미개질 연료 및 미사용 수소를 공급받아 동력을 생성하고, 이 동력은 제1압축기(42)를 구동한다. 이에 제1압축기(42)는 공기를 압축하여 연료전지스택(20)의 공기극(22)에 공급하고, 연료전지스택(20)의 공기극(22)의 압력이 증가되어 연료전지시스템의 효율을 높인다.The air supply unit 40 sucks air from the outside, compresses the air, and supplies the air to the cathode 22 of the fuel cell stack 20. At this time, the generator 41 receives unmodified fuel and unused hydrogen to generate power, and the power drives the first compressor 42. Accordingly, the first compressor 42 compresses air and supplies the air to the cathode 22 of the fuel cell stack 20, and the pressure of the cathode 22 of the fuel cell stack 20 is increased to increase the efficiency of the fuel cell system. .

연료공급부(30)는 연료 및 스팀을 공급받아 개질된 연료가스를 공급한다. 개질된 연료가스 중 일부는 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급되고, 나머지 일부는 연료저장부(50)에 예비적으로 저장된다. The fuel supply unit 30 receives the fuel and the steam to supply the reformed fuel gas. Some of the reformed fuel gas is supplied to the anode 21 of the fuel cell stack 20, and some of the reformed fuel gas is preliminarily stored in the fuel storage unit 50.

특히, 연료저장부(50)에서는 제2압축기(51)가 연료가스를 압축하고, 저장탱크(52)는 이렇게 압축된 연료가스를 저장한다. 이때 제2압축기(51)의 구동축은 클러치(61)에 의해서 제1압축기(42)의 구동축과 연결되기 때문에 제2압축기(51)는 제1압축기(42)에서 동력을 전달받아 연료가스를 압축할 수 있다. 그러나 연료가스의 초과분이 없거나 연료가스를 저장할 필요가 없는 경우 클러치(61)는 제2압축기(51)의 구동축과 제1압축기(42)의 구동축의 연결을 차단한다. 이때 제2압축기(51)에는 동력이 공급되지 않기 때문에 저장탱크(52)에는 더 이상의 연료가스가 저장되지 않는다.In particular, in the fuel storage unit 50, the second compressor 51 compresses the fuel gas, and the storage tank 52 stores the compressed fuel gas. At this time, since the drive shaft of the second compressor 51 is connected to the drive shaft of the first compressor 42 by the clutch 61, the second compressor 51 receives power from the first compressor 42 to compress the fuel gas. can do. However, when there is no excess of the fuel gas or it is not necessary to store the fuel gas, the clutch 61 cuts off the connection between the drive shaft of the second compressor 51 and the drive shaft of the first compressor 42. At this time, since no power is supplied to the second compressor 51, no further fuel gas is stored in the storage tank 52.

한편, 선박의 운행조건이 변하여 고온의 에너지원을 얻을 수 없는 경우 즉, 선박에서 잉여 스팀을 얻기 어려운 경우 개질기(31)에 충분한 스팀을 공급하기 어렵다. 즉, 연료공급부(30)는 충분한 양의 개질된 연료가스를 생산할 수 없다. 이러한 상황에서는 연료저장부(50)에 저장해둔 개질 연료를 연료전지스택(20)의 연료극(21)에 공급하여 연료전지를 동작시켜 연료전지시스템의 효율을 높인다.On the other hand, when the operating conditions of the vessel is changed to obtain a high-temperature energy source, that is, when it is difficult to obtain excess steam in the vessel, it is difficult to supply sufficient steam to the reformer 31. In other words, the fuel supply unit 30 cannot produce a sufficient amount of reformed fuel gas. In this situation, the reformed fuel stored in the fuel storage unit 50 is supplied to the anode 21 of the fuel cell stack 20 to operate the fuel cell to increase the efficiency of the fuel cell system.

뿐만 아니라, 연료저장부(50)는 추가적인 전력소모 없이 공기공급부(40)의 동력을 이용하여 연료가스를 압축 저장할 수 있기 때문에 전체적으로 에너지 효율을 높일 수 있다. 즉, 공기공급부(40)와 같이 공기를 압축하는 시스템과 연료저장부(50)와 같이 연료를 저장하는 시스템은 서로 독립적으로 동작되는 것이 일반적인데, 이들을 연계시킴으로써 에너지 효율 향상을 도모한 것이다.In addition, since the fuel storage unit 50 may compress and store the fuel gas using the power of the air supply unit 40 without additional power consumption, the overall fuel efficiency may be improved. That is, a system for compressing air, such as the air supply unit 40, and a system for storing fuel, such as the fuel storage unit 50, are generally operated independently of each other. By linking them, energy efficiency is improved.

도 3은 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic structural diagram of a fuel cell system according to another embodiment.

도 3에 도시된 연료전지시스템의 구성 중 도 1 및 도 2에 도시된 연료전지시스템의 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.A detailed description of the same or similar configuration as that of the fuel cell system illustrated in FIGS. 1 and 2 among the configuration of the fuel cell system illustrated in FIG. 3 will be omitted.

도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지지스템(100)은 연료전지스택(120)과 연료공급부(130), 공기공급부(140), 연료저장부(150), 동력단속부(160)를 포함하고, 스팀발생부(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 3, the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 120, a fuel supply unit 130, an air supply unit 140, a fuel storage unit 150, and a power control unit 160. And, it may be configured to further include a steam generating unit 180.

연료전지스택(120)은 고온형 연료전지로 구성될 수 있다. 고온형 연료전지에는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있는데 600 ~ 1000℃에서 작동하게 된다. 이러한 고온형 연료전지가 구동되기 위해서는 연료전지스택(120)은 고온의 온도를 유지해야 한다. 이에 연료전지스택(120)은 전류와 함께 고온의 열에너지를 배출한다.The fuel cell stack 120 may be configured as a high temperature fuel cell. High-temperature fuel cells include molten carbonate fuel cells (MCFCs) and solid oxide fuel cells (SOFCs), which operate at 600 to 1000 ° C. In order to operate the high temperature fuel cell, the fuel cell stack 120 must maintain a high temperature. The fuel cell stack 120 discharges high temperature thermal energy together with the current.

한편, 스팀발생부(180)는 연료전지스택(120)으로부터 고온의 열에너지를 공급받아 스팀을 생성하고, 이 스팀을 연료공급부(130)의 개질기(131)에 공급한다. 이 경우 선박의 잉여 스팀을 공급받을 필요가 없다.Meanwhile, the steam generator 180 generates steam by receiving high temperature heat energy from the fuel cell stack 120, and supplies the steam to the reformer 131 of the fuel supply unit 130. In this case, there is no need to supply surplus steam from the vessel.

선박 운행 중 연료가스를 저장할 필요가 있는 경우 클러치(161)는 제1압축기(142)와 제2압축기(151)를 연결한다. 이때, 제2압축기(151)는 제1압축기(142)에서 동력을 전달받아 동작한다.When it is necessary to store the fuel gas while the ship is running, the clutch 161 connects the first compressor 142 and the second compressor 151. At this time, the second compressor 151 operates by receiving power from the first compressor 142.

개질기(131)는 외부로부터 연료를 공급받고 스팀발생부(180)에서 스팀을 공급받아 개질된 연료가스를 생성하고, 수소정제기(132)는 이 개질된 연료가스를 정제한 후 그 일부를 연료전지스택(120)의 연료극(121)에 공급하고, 나머지 일부를 압축하여 저장탱크(152)에 저장한다. The reformer 131 receives fuel from the outside and receives steam from the steam generator 180 to generate a reformed fuel gas, and the hydrogen purifier 132 refines the reformed fuel gas, and then partially replaces the fuel cell with a fuel cell. The fuel is supplied to the anode 121 of the stack 120, and the remaining portion is compressed and stored in the storage tank 152.

그러나 연료가스를 저장할 필요가 없는 경우 클러치(161)는 제1압축기(142)와 제2압축기(151)의 연결을 차단하여 제2압축기(151)가 동작하지 않도록 한다.However, when the fuel gas does not need to be stored, the clutch 161 blocks the connection between the first compressor 142 and the second compressor 151 so that the second compressor 151 does not operate.

도 4는 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템의 개략적인 구성도이다.4 is a schematic diagram of a fuel cell system according to another embodiment.

도 4에 도시된 연료전지시스템의 구성 중 도 1 내지 도 3에 도시된 연료전지시스템의 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.A detailed description of the same or similar configuration as that of the fuel cell system illustrated in FIGS. 1 to 3 among the configuration of the fuel cell system illustrated in FIG. 4 is omitted.

도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지지스템(200)은 연료전지스택(220)과 연료공급부(230), 공기공급부(240), 연료저장부(250), 동력단속부(260)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 4, the fuel cell system 200 includes a fuel cell stack 220, a fuel supply unit 230, an air supply unit 240, a fuel storage unit 250, and a power control unit 260. Can be configured.

연료전지스택(220)은 고온형 연료전지로 구성될 수 있다. 연료전지스택(220)은 전류와 함께 고온의 열에너지를 배출한다.The fuel cell stack 220 may be configured as a high temperature fuel cell. The fuel cell stack 220 discharges high temperature thermal energy together with the current.

공기공급부(240)는 발전기(241)와 제1압축기(242)를 포함하여 구성될 수 있다.The air supply unit 240 may include a generator 241 and a first compressor 242.

발전기(241)는 스팀발생부(241a)와 터빈(241b)을 포함하여 구성될 수 있다. 도 4에 따른 터빈(241b)은 스팀을 이용하여 구동하는 시스템이고, 도 1 내지 도 3에 따른 터빈(41b, 141b)은 연소가스를 이용하여 구동하는 시스템이다. 이에 본 실시예에서 버너(243)는 스팀발생부(241a)에 열에너지를 제공할 수 있다.The generator 241 may include a steam generator 241a and a turbine 241b. The turbine 241b according to FIG. 4 is a system driven using steam, and the turbines 41b and 141b shown in FIGS. 1 to 3 are driven using combustion gas. In this embodiment, the burner 243 may provide thermal energy to the steam generator 241a.

스팀발생부(241a)는 연료전지스택(220)에서 고온의 열에너지를 공급받고, 버너(243)에서 고온의 열에너지를 공급받아 스팀을 생성한다. 이렇게 생성된 스팀 중 일부는 개질기(231)로 공급되고, 나머지 일부는 터빈(241b)으로 공급된다.The steam generator 241a receives the high temperature heat energy from the fuel cell stack 220 and generates the steam by receiving the high temperature heat energy from the burner 243. Some of the steam generated in this way is supplied to the reformer 231, the other part is supplied to the turbine 241b.

터빈(241b)은 스팀발생부(241a)에서 스팀을 공급받아 구동된다. 제1압축기(242)는 터빈(241b)의 구동력을 이용하여 공기를 압축하고, 연료전지스택(220)의 공기극(222)에 압축 공기를 공급한다.The turbine 241b is driven by receiving steam from the steam generator 241a. The first compressor 242 compresses air by using the driving force of the turbine 241b and supplies compressed air to the cathode 222 of the fuel cell stack 220.

한편, 연료가스를 저장할 필요가 있는 경우 클러치(261)는 제1압축기(242)와 제2압축기(251)를 연결한다. 이때, 제2압축기(251)는 제1압축기(242)의 동력을 전달받아 동작한다. On the other hand, when it is necessary to store fuel gas, the clutch 261 connects the first compressor 242 and the second compressor 251. In this case, the second compressor 251 operates by receiving power from the first compressor 242.

연료공급부(230)에서 공급하는 개질된 연료가스 중 일부는 연료전지스택(220)의 연료극(221)에 공급되고, 나머지 일부는 제2압축기(251)에 의해서 압축된 후 저장탱크(252)에 저장된다. Some of the reformed fuel gas supplied from the fuel supply unit 230 is supplied to the anode 221 of the fuel cell stack 220, and the other part is compressed by the second compressor 251 and then to the storage tank 252. Stored.

그러나 연료가스를 저장할 필요가 없는 경우 클러치(261)는 제1압축기(242)와 제2압축기(251)의 연결을 차단한다. 이때 제2압축기(251)에는 동력이 전달되지 않아서 연료가스를 압축 저장할 수 없다.However, when there is no need to store fuel gas, the clutch 261 cuts off the connection between the first compressor 242 and the second compressor 251. In this case, power is not transmitted to the second compressor 251, and thus fuel gas may not be compressed and stored.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 연료전지시스템을 구비한 선박의 개략적인 구성도이다.5 is a schematic structural diagram of a ship provided with a fuel cell system according to another embodiment.

도 5에 도시된 선박은 앞서 설명한 다양한 실시예에 따른 연료전지시스템(10, 100, 200)을 구비하며, 연료 전지 시스템의 일 구성요소, 예를 들어 연료공급부에 액화 LNG를 공급하기 위한 LNG 저장탱크(300) 및 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지시스템을 포함할 수 있다.The vessel shown in FIG. 5 includes fuel cell systems 10, 100, and 200 according to various embodiments described above, and stores LNG for supplying liquefied LNG to one component of the fuel cell system, for example, a fuel supply unit. It may include a tank 300 and a fuel cell system according to embodiments of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 선박(400)은 LNG 저장탱크(300)를 포함하고 있어, 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지시스템(10, 100, 200)은 간단하게 LNG 저장탱크(300)에 배관을 연결하여 효율적으로 액화 LNG를 공급받아 사용할 수 있다. 구체적으로, 연료전지시스템(10, 100, 200)의 연료공급부(30, 130, 230)는 LNG를 공급받고, 개질기(31)를 거쳐서 개질된 연료가스를 생성한다. 도 5의 LNG 저장탱크를 포함하는 선박 이외에도 디젤이나 선박유를 포함한 다양한 연료를 사용하는 선박에도 연료전지시스템을 적용할 수 있다.As shown in FIG. 5, the ship 400 includes an LNG storage tank 300, so that the fuel cell system 10, 100, 200 according to the embodiments of the present invention may simply have an LNG storage tank 300. ) Can be used to efficiently supply liquefied LNG. Specifically, the fuel supply units 30, 130, and 230 of the fuel cell systems 10, 100, and 200 receive LNG and generate reformed fuel gas through the reformer 31. In addition to the vessel including the LNG storage tank of FIG. 5, the fuel cell system may be applied to a vessel using various fuels including diesel or marine oil.

본 명세서에서, “선박”이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박(400)은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
As used herein, the term “ship” is not limited to meaning a structure that sails aquatic waters, but is used to include not only structures that sail aquatic waters, but also naval structures such as FLNG, which are floating and perform operations in aquatic waters. . The ship 400 of the present embodiment may be, for example, LNGC or FLNG, but the present invention is not limited thereto.

10: 연료전지시스템 20: 연료전지스택
30: 연료공급부 40: 공기공급부
50: 연료저장부 60: 동력단속부10: fuel cell system 20: fuel cell stack
30: fuel supply unit 40: air supply unit
50: fuel storage 60: power intermittent

Claims (14)

연료전지스택;과
상기 연료전지스택에 개질 연료를 공급하는 연료공급부;와
상기 연료전지스택에 압축 공기를 공급하는 공기공급부;와
상기 연료공급부에서 공급되는 개질 연료 중 적어도 일부를 저장하는 연료저장부;를 포함하고,
상기 연료저장부는 상기 공기공급부에서 공기를 압축하는 동력을 이용하여 개질 연료를 압축하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.Fuel cell stack; and
A fuel supply unit supplying reformed fuel to the fuel cell stack;
An air supply unit supplying compressed air to the fuel cell stack; and
And a fuel storage unit for storing at least a portion of the reformed fuel supplied from the fuel supply unit.
And the fuel storage unit compresses the reformed fuel using a power for compressing air in the air supply unit. 제1항에 있어서,
상기 공기공급부에서 상기 연료저장부로의 동력 전달을 단속하는 동력단속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 1,
And a power intermittent intermittent to transmit power from the air supply unit to the fuel storage unit. 제2항에 있어서,
상기 공기공급부는 공기를 압축하는 제1압축기;를 포함하고,
상기 연료저장부는 개질 연료를 압축하는 제2압축기;를 포함하고,
상기 동력단속부는 상기 제1압축기에서 상기 제2압축기로의 동력 전달을 단속하는 클러치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 2,
And the air supply unit comprises a first compressor for compressing air.
The fuel storage unit includes a; a second compressor for compressing the reformed fuel;
And the power control unit includes a clutch that regulates power transmission from the first compressor to the second compressor. 제3항에 있어서,
상기 연료저장부는 상기 제2압축기에서 압축된 개질 연료를 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 3,
The fuel storage unit further comprises a storage tank for storing the reformed fuel compressed by the second compressor. 제1항에 있어서,
상기 연료공급부와 상기 연료저장부 각각에 연결되어 상기 연료공급부에서 상기 연료전지스택으로 공급되는 량과 상기 연료저장부에 저장되는 양을 제어하는 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 1,
And a valve connected to each of the fuel supply unit and the fuel storage unit to control an amount supplied from the fuel supply unit to the fuel cell stack and an amount stored in the fuel storage unit. 제1항에 있어서,
상기 연료전지스택으로부터 고온의 열에너지를 공급받는 스팀발생부;를 더 포함하고,
상기 스팀발생부는 상기 연료공급부와 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나에 스팀을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 1,
Further comprising: a steam generator for receiving a high temperature heat energy from the fuel cell stack,
And the steam generator supplies steam to at least one of the fuel supply unit and the air supply unit. 제1항에 있어서,
상기 공기공급부는 공기를 압축하기 위한 동력을 만들어내는 발전기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 1,
The air supply unit further comprises a generator for generating power for compressing air. 제7항에 있어서,
상기 발전기는 터빈;과, 상기 터빈에 연소 가스를 공급하는 버너;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 7, wherein
The generator comprises a turbine; and a burner for supplying combustion gas to the turbine. 제8항에 있어서,
상기 버너는 상기 연료전지스택에서 미반응 연료를 공급받고, 상기 연료공급부에서 미개질 연료를 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.9. The method of claim 8,
The burner is supplied with unreacted fuel from the fuel cell stack, and the fuel cell system is supplied with unreformed fuel from the fuel supply unit. 제7항에 있어서,
상기 발전기는 터빈;과, 상기 터빈에 스팀을 공급하는 스팀발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 7, wherein
The generator comprises a turbine; and a steam generator for supplying steam to the turbine; fuel cell system comprising a. 제10항에 있어서,
상기 발전기는 상기 스팀발생부에 열에너지를 공급하는 버너;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 10,
The generator further comprises a burner for supplying thermal energy to the steam generator; fuel cell system further comprises. 연료전지스택;과
상기 연료전지스택에 공급되는 연료를 개질시키는 연료공급부;와
상기 연료전지스택에 공급되는 공기를 압축시키는 공기공급부;와
상기 연료공급부에서 개질된 연료 중 적어도 일부를 압축시키는 연료저장부;를 포함하고,
상기 공기공급부와 상기 연료저장부는 하나의 동력원에 의해서 동작하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.Fuel cell stack; and
A fuel supply unit reforming a fuel supplied to the fuel cell stack;
An air supply unit for compressing air supplied to the fuel cell stack; and
And a fuel storage unit for compressing at least a portion of the fuel reformed by the fuel supply unit.
And the air supply unit and the fuel storage unit operate by one power source. 제12항에 있어서,
상기 공기공급부와 상기 연료저장부 사이에 마련되는 동력단속부;를 더 포함하고,
상기 동력단속부는 상기 하나의 동력원에서 공급되는 동력이 상기 연료저장부로 전달되는 것을 연결하거나 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 12,
And a power control unit provided between the air supply unit and the fuel storage unit.
The power control unit is connected to or shut off the power supplied from the one power source to the fuel storage unit. 상기 제1항 또는 제13항 중 어느 한 항에 따른 연료전지시스템을 포함하는 선박.Ship comprising a fuel cell system according to any one of the preceding claims.
KR1020110051016A 2011-05-30 2011-05-30 Fuel cell system and ship having the same KR101225689B1 (en)

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