KR101245766B1 - System and method for operating fuel cell of emergency state - Google Patents

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Abstract

비상상태에서의 연료전지 작동 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 비상상태에서의 연료전지 작동 시스템은 연료전지 셀이 적층되어 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지스택, 상기 연료전지스택에 상기 연료와 공기를 공급하는 MBOP(Mechanical Balance of Plant)의 가동중단이나 선박 전력망에서의 문제 발생에 따른 이상징후를 감지하여 비상 이벤트를 발생시키는 모니터링 시스템, 상기 비상 이벤트 발생시 고온상태의 비상 연료와 공기를 상기 연료전지스택으로 공급하는 비상 MBOP(Emergency MBOP), 및 선박 내 공급되는 전력을 제어하며 상기 비상 이벤트 발생시 상기 연료전지스택에서 생산되는 잔류전력을 이용하여 상기 비상 MBOP를 가동하는 전력 제어부를 포함하되, 상기 연료전지스택은 공급되는 상기 비상 연료와 공기를 이용하여 비상전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell operating system and method thereof in an emergency are disclosed.
In an emergency fuel cell operating system according to an embodiment of the present invention, a fuel cell stack in which fuel cell cells are stacked to generate electric power by an electrochemical reaction between fuel and air, and supplying the fuel and air to the fuel cell stack. A monitoring system that detects an abnormal symptom due to an interruption of MBOP (Mechanical Balance of Plant) or a problem in the ship's electric power grid and generates an emergency event. An emergency MBOP (Emergency MBOP), and a power control unit for controlling the power supplied in the ship and operating the emergency MBOP by using the residual power produced in the fuel cell stack when the emergency event occurs, the fuel cell stack Producing emergency power using the emergency fuel and air supplied All.

Description

비상상태에서의 연료전지 작동 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL OF EMERGENCY STATE}FUEL CELL OPERATION SYSTEM AND METHOD THEREOF {SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL OF EMERGENCY STATE}

본 발명은 비상상태에서의 연료전지 작동 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잔류전력을 이용한 비상 MBOP(Emergency MBOP)를 가동하여 연료전지 선박 내에 비상전력을 생산하는 비상상태에서의 연료전지 작동 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell operating system and method thereof in an emergency state, and more particularly, to operate an emergency MBOP (emergency MBOP) using residual power to produce emergency power in a fuel cell vessel. An operating system and method thereof are provided.

일반적으로 화석에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체에너지로서 수소에너지가 각광 받고 있으며 수소에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다. In general, hydrogen energy is in the spotlight as an alternative energy that can solve the problem of fossil energy depletion, and research and development on fuel cell, which is a medium for using hydrogen energy, is being actively conducted.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy. It is a new power generation technology that continuously generates electricity by supplying hydrogen and oxygen to an anode and a cathode. These fuel cells are classified into alkali type (AFC), phosphate type (PAGC), molten carbonate type (MCFC), solid electrolyte type (SOFC), and polymer electrolyte type (PEMFC) according to the operating temperature and the form of the main fuel.

도 1은 종래의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing a conventional fuel cell system.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 연료전지 시스템은 크게 MBOP(Mechanical Balance of Plant), 연료전지 스택(Stack) 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a conventional fuel cell system includes a mechanical balance of plant (MBOP), a fuel cell stack, and an electrical balance of plant (EBOP).

연료전지는 수소와 산소가 화학 반응을 일으켜 열과 전기, 물을 배출하는 것이 기본 원리이며 이러한 화학 반응을 위하여 필요한 수소는 다양한 방법으로 공급된다. 그 중 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 주 연료로 하고 개질 반응을 통하여 수소를 공급하는 용융 탄산염형(MCFC) 연료전지는 고온형 연료전지로써 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.In fuel cells, the basic principle is that hydrogen and oxygen generate chemical reactions and release heat, electricity, and water. Among them, liquefied carbonate (MCFC) fuel cells, which use liquefied natural gas (LNG) as the main fuel and supply hydrogen through reforming reactions, are high-temperature fuel cells that are used as auxiliary power sources to supply power to ships. It is evaluated as the most suitable.

고온형 연료전지에는 용융 탄산염형(MCFC)과 고체 전해질형(SOFC)이 있는데 일반적으로 약 600도 내지 1000도의 고온에서 작동하게 된다. 즉, 고온형 연료전지가 선박에서 구동되기 위해서는 반드시 고온상태의 온도를 유지해야 하고, 이러한 작동조건은 연료전지의 온/오프(ON/OFF)를 쉽게 할 수 없는 제약조건이 되는 문제점이 있다.There are two types of high temperature fuel cells: molten carbonate type (MCFC) and solid electrolyte type (SOFC), which generally operate at high temperatures of about 600 to 1000 degrees. In other words, the high temperature fuel cell must be maintained at a high temperature in order to be driven in a ship, and this operating condition has a problem in that the fuel cell cannot be easily turned on or off.

한편, 선박은 해상에서 운항되므로 독립된 전원장치로 선박 내 시스템뿐 아니라 모든 전원을 공급해야 하는 반면, 일시적 장애로 인해 전원이 순간적으로 공급되지 않는 비상상황이 발생할 가능성이 있다. On the other hand, since the ship is operated at sea, it is necessary to supply all the power as well as the on-board system as an independent power supply device, but there is a possibility that an emergency situation may occur in which power is not supplied momentarily due to a temporary failure.

예컨대, 발전기 엔진(Generator Engine)의 가동이 중단되고 선박 내 모든 전원이 끊어진 상태를 블랙아웃(Black out) 상태라 하며, 기존 선박의 시스템에서는 비상 발전기(Emergency Generator)를 설치하여 긴급 상항에서 전력을 공급할 수 있도록 대처하고 있다. 즉, 긴급한 비상상황에서는 비상 발전기를 가동하여 시스템 정상화에 필요한 최소한의 전력을 생산하고, 그 후 다시 정상적으로 발전기 엔진으로부터 전력을 생산하는 것이다.For example, a state in which a generator engine is stopped and all power in the ship is cut out is called a black out state. In an existing ship system, an emergency generator is installed to supply power in an emergency situation. We are coping to supply. That is, in an emergency situation, the emergency generator is operated to produce the minimum power required for normalization of the system, and then again to generate power from the generator engine normally.

이처럼, 선박에 연료전지를 적용하는 경우에도 블랙아웃(Black out)과 같은 비상상태에서 연료전지를 정상적으로 작동하도록 하는 대응 장치가 필요하다. 나아가, 최악의 경우 대기엔진(stand-by engine)조차 기동이 불가능 하거나 정상적인 배전이 불가능한 비상상황을 대비하여 연료전지 선박의 비상발전을 제공하기 위한 대응 방법이 절실히 요구되는 실정이다.As such, even when a fuel cell is applied to a ship, there is a need for a corresponding device for operating the fuel cell normally in an emergency state such as black out. Furthermore, in the worst case, there is an urgent need for a countermeasure for providing emergency power generation of a fuel cell vessel in preparation for an emergency situation in which even a stand-by engine cannot be started or normal power distribution is impossible.

본 발명의 실시예들은 연료전지 선박의 비상상태에서 연료전지스택의 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP를 구동하고, 비상 MBOP를 통하여 연료전지스택에 가열된 연료 및 공기를 제공함으로써 비상발전 기능을 지원하는 비상상태에서의 연료전지 작동 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention support the emergency power generation function by driving the emergency MBOP by using the residual power of the fuel cell stack in the emergency state of the fuel cell vessel, and providing the fuel and air heated to the fuel cell stack through the emergency MBOP The present invention provides a fuel cell operating system and method thereof in an emergency state.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 선박의 전력생산이 중단되는 비상상태에서 연료전지를 작동하는 시스템은, 연료전지 셀이 적층되어 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택에 상기 연료와 공기를 공급하는 MBOP(Mechanical Balance of Plant)의 가동중단이나 선박 전력망에서의 문제 발생에 따른 이상징후를 감지하여 비상 이벤트를 발생시키는 모니터링 시스템; 상기 비상 이벤트 발생시 고온상태의 비상 연료와 공기를 상기 연료전지스택으로 공급하는 비상 MBOP(Emergency MBOP); 및 선박 내 공급되는 전력을 제어하며 상기 비상 이벤트 발생시 상기 연료전지스택에서 생산되는 잔류전력을 이용하여 상기 비상 MBOP를 가동하는 전력 제어부를 포함하되, 상기 연료전지스택은 공급되는 상기 비상 연료와 공기를 이용하여 비상전력을 생산할 수 있다.According to an aspect of the present invention, a system for operating a fuel cell in an emergency state in which power production of a fuel cell vessel is stopped includes: a fuel cell stack in which fuel cell cells are stacked to produce power by an electrochemical reaction between fuel and air; A monitoring system for detecting an emergency symptom caused by an operation interruption of a mechanical balance of plant (MBOP) that supplies the fuel and air to the fuel cell stack or a problem in a ship power grid; Emergency MBOP (Emergency MBOP) for supplying the emergency fuel and air at a high temperature state to the fuel cell stack when the emergency event occurs; And a power control unit configured to control the power supplied to the ship and to operate the emergency MBOP by using the residual power produced by the fuel cell stack when the emergency event occurs, wherein the fuel cell stack controls the emergency fuel and air supplied. Can produce emergency power.

또한, 상기 모니터링 시스템은, 상기 MBOP에서 공급되는 연료, 스팀, 공기 중 적어도 하나의 유량 변화와 스택 주입구에서의 압력, 온도변화, 배기가스 중 적어도 하나의 이상징후를 감지할 수 있다.In addition, the monitoring system may detect an abnormality of at least one of a flow rate change of at least one of fuel, steam, and air supplied from the MBOP and a pressure, a temperature change, and exhaust gas at a stack inlet.

또한, 상기 전력 제어부는, 상기 비상 이벤트 신호가 발생하면 선박 내 부하장비의 필요전력공급을 중단하고, 상기 연료전지스택의 기동을 위해서 전력공급이 필요한 장비들에 우선적으로 상기 잔류전력을 공급할 수 있다.In addition, when the emergency event signal is generated, the power control unit may stop supplying the necessary power of the on-board load equipment and supply the residual power to equipment that requires power supply for the fuel cell stack to start. .

또한, 상기 비상 MBOP는, 순수 메탄과 수소를 포함하는 연료를 가압된 상태로 저장하는 연료탱크; 공기 또는 산소를 가압된 상태로 저장하는 압축공기 탱크; 공급되는 상기 잔류전력을 이용하여 상기 연료탱크와 압축공기 탱크를 작동하는 밸브 구동부; 및 공급되는 상기 잔류전력을 이용하여 상기 연료탱크와 압축공기 탱크에서 토출되는 비상 연료 및 공기를 고온상태로 가열하는 가열부 및 상기 전력 제어부로부터 전달되는 비상 전류 및 이벤트 발생정보에 따라 비상 MBOP의 작동을 제어하는 비상 MBOP 제어부를 포함할 수 있다.In addition, the emergency MBOP, the fuel tank for storing the fuel containing the pure methane and hydrogen in a pressurized state; A compressed air tank for storing air or oxygen in a pressurized state; A valve driving unit which operates the fuel tank and the compressed air tank by using the residual power supplied; And operation of the emergency MBOP according to the heating unit for heating the emergency fuel and air discharged from the fuel tank and the compressed air tank to a high temperature state using the residual power supplied and the emergency current and event occurrence information transmitted from the power control unit. It may include an emergency MBOP control unit for controlling.

또한, 상기 밸브 구동부는, 밸브의 구동을 위한 공압탱크에 연결되어 공급되는 전력으로 작동하는 제1 밸브; 및 상기 연료탱크와 압축공기 탱크에 각각 연결되어 상기 제1 밸브의 개방에 따른 공기의 압력으로 작동하는 복수의 공압밸브를 포함할 수 있다.The valve driving unit may include: a first valve connected to a pneumatic tank for driving the valve and operating with electric power supplied; And a plurality of pneumatic valves connected to the fuel tank and the compressed air tank, respectively, and operated at a pressure of air according to the opening of the first valve.

또한, 상기 비상 MBOP는, 소형 배터리를 더 포함하며, 상기 잔류전력이 소진되거나 공급되지 않을 경우 상기 소형배터리의 전력으로 상기 밸브 구동부를 작동시킬 수 있다.In addition, the emergency MBOP may further include a small battery, and when the residual power is exhausted or not supplied, the valve driving unit may be operated with the power of the small battery.

또한, 상기 가열부는, 연료탱크와 연결된 관으로 공급되는 연료로 작동하는 버너를 포함하며, 상기 관상에는 제3 밸브가 형성되어 상기 잔류전력 혹은 배터리 전력 중 어느 하나로 작동할 수 있다. In addition, the heating unit may include a burner operated by fuel supplied to a pipe connected to a fuel tank, and a third valve may be formed on the pipe to operate either of the remaining power or the battery power.

또한, 상기 전력 제어부는, 상기 비상전력을 이용하여 발전기를 가동하고, 상기 발전기에서 생성되는 전력을 선박 내 임시 분배할 수 있다.The power control unit may operate a generator using the emergency power, and temporarily distribute power generated in the generator in a ship.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박 내에서의 전력을 공급하는 연료전지 시스템이 비상상태에서의 연료전지를 작동하는 방법은,On the other hand, according to another aspect of the present invention, a method for operating a fuel cell in an emergency state of the fuel cell system for supplying power in a ship,

a) 전력 제어부가 MBOP(Mechanical Balance of Plant)의 가동중단이나 이상징후에 따른 비상 상태를 확인하는 단계; b) 전력 제어부가 연료전지스택에서 생산되는 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP(Emergency MBOP)를 가동하는 단계; c) 상기 비상 MBOP가 고온상태의 비상 연료와 공기를 상기 연료전지스택으로 공급하는 단계; 및 d) 상기 연료전지스택이 공급되는 상기 비상 연료와 공기를 이용하여 비상 전력을 생산하는 단계를 포함할 수 있다.a) checking, by the power control unit, an emergency condition caused by the shutdown of the mechanical balance of plant (MBOP) or an abnormal symptom; b) operating an emergency MBOP (Emergency MBOP) by using the remaining power produced in the fuel cell stack by the power control unit; c) the emergency MBOP supplies emergency fuel and air at a high temperature to the fuel cell stack; And d) producing emergency power by using the emergency fuel and air supplied with the fuel cell stack.

또한, 상기 a) 단계 이전에, 모니터링 시스템이 상기 MBOP의 가동 중단이나 전력생산의 이상징후를 감지에 따른 비상 이벤트 발생 메시지를 생성하여 상기 전력 제어부로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, before the step a), the monitoring system may further include generating an emergency event occurrence message according to the detection of the MBOP shutdown or abnormal symptoms of power generation and transmitting to the power control unit.

또한, 상기 b) 단계는, 연료전지스택이 이전에 미리 공급된 잔류연료와 공기를 이용하여 잔류전력을 생산하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step b) may include the step of producing the residual power by using the fuel and the fuel remaining in advance fuel cell stack previously supplied.

또한, 상기 b) 단계는, 상기 전력 제어부가 선박 내 부하장비의 필요전력공급을 중단하고, 상기 잔류전력을 상기 비상 MBOP 및 감시 시스템에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the step b) may include the step of the power control unit to stop supplying the necessary power of the load equipment in the vessel, and supplying the residual power to the emergency MBOP and monitoring system.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 잔류전력을 이용하여 가압상태에 있는 연료 및 공기의 밸브를 작동하고, 상기 밸브를 통해 토출되는 상기 연료 및 공기를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, step c) may include operating a valve of the fuel and air under pressure using the residual power, and heating the fuel and air discharged through the valve.

또한, 상기 d) 단계 이후에, e) 상기 전력 제어부가 상기 비상 MBOP, 감시 시스템, 발전기 및 선박 내 부하장비 중 적어도 하나에 상기 비상전력을 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, after step d), e) the power control unit may further comprise the step of supplying the emergency power to at least one of the emergency MBOP, monitoring system, generator and on-board load equipment.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 시스템에서의 비상 상태발생시 연료전지의 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP를 구동함으로써 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지하며 일정한 전력을 생산할 수 있다.Embodiments of the present invention can produce a constant power while maintaining a constant temperature of the fuel cell stack by driving the emergency MBOP by using the residual power of the fuel cell when an emergency condition occurs in the fuel cell system.

그리고, 비상상태를 감지함과 동시에 즉시 비상 MBOP를 가동하여 고온의 연료와 공기를 공급함으로써 비상상태에서도 선박 내 끊김 없이 전력을 공급할 수 있다.In addition, by detecting an emergency condition and immediately operating an emergency MBOP to supply high-temperature fuel and air, power can be supplied without interruption in a vessel even in an emergency state.

또한, 비상 MBOP의 구성만으로도 비상상태에서의 전력생산이 가능하여 별도의 보조발전기의 구동 및 구성을 생략함으로써 연료전지 선박의 생산비용을 절감할 수 있다.In addition, it is possible to produce power in an emergency state only by the configuration of the emergency MBOP, thereby reducing the production cost of the fuel cell ship by omitting the operation and configuration of a separate auxiliary generator.

도 1은 종래의 연료전지 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 정상 상태에서의 전력 배전상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 비상 상태에서의 전력 배전상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비상 MBOP의 밸브구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 선박의 비상발전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비상 MBOP의 밸브구성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비상 MBOP의 가열 구조를 나타낸다.1 is a block diagram showing a conventional fuel cell system.
2 illustrates a power distribution state in a normal state of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 illustrates a power distribution state in an emergency state of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 shows a valve configuration of the emergency MBOP according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating an emergency power generation method of a fuel cell ship according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the valve configuration of the emergency MBOP according to another embodiment of the present invention.
7 illustrates a heating structure of an emergency MBOP according to another embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. Also, the terms " part, "" module," and " module ", etc. in the specification mean a unit for processing at least one function or operation and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software have.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 비상발전을 제공하는 연료전지 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.A fuel cell system for providing emergency power generation and a method thereof according to an exemplary embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시 예에 따른 정상 상태에서의 연료전지 시스템 가동에 의한 전력 배전 상태를 설명하면 다음과 같다.Referring to the power distribution state by operating the fuel cell system in the normal state according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 정상 상태에서의 전력 배전상태를 나타낸다.2 illustrates a power distribution state in a normal state of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 정상 상태에서의 전력 배전 상태를 보여주는 연료전지 시스템(100)으로 연료전지스택(110), MBOP(120), 발전기(130), 모니터링 시스템(140), 전력 제어부(150) 및 전력부하장치(160)를 포함한다. Referring to FIG. 2, the fuel cell stack 110, the MBOP 120, the generator 130, and the monitoring system as the fuel cell system 100 showing the power distribution state in a normal state according to an exemplary embodiment of the present invention. 140, a power controller 150, and a power load device 160.

연료전지스택(110)(Fuel Cell Stack)은 전극과 전해질 및 분리판으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생산한다.In the fuel cell stack 110, a fuel cell cell including an electrode, an electrolyte, and a separator is stacked to generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

MBOP(120)는 연료전지스택(110)에 연료(수소)와 공기(산소)를 공급하기 위한 기계적 장치를 통칭하며, LNG 기화기(121), 연료 공급부(122), 공기 공급부(123) 및 MBOP 제어부(124)를 포함한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 편의상 LNG 연료를 이용하는 것으로 가정하여 설명하나 연료가 LNG에 한정되지는 않는다.The MBOP 120 collectively refers to a mechanical apparatus for supplying fuel (hydrogen) and air (oxygen) to the fuel cell stack 110, and includes an LNG vaporizer 121, a fuel supply unit 122, an air supply unit 123, and an MBOP. The control unit 124 is included. In the following description, it is assumed that LNG fuel is used for convenience in describing the embodiment of the present invention, but the fuel is not limited to LNG.

LNG 기화기(121)는 액체상태로 저장된 연료(LNG)를 기화시켜 연료 공급부(122)로 전달한다.The LNG vaporizer 121 vaporizes the fuel LNG stored in the liquid state and transmits the vaporized fuel LNG to the fuel supply unit 122.

연료 공급부(122)는 LNG 기화기(121)에서 전달되는 연료를 전처리하여 연료 전지스택(110)으로 공급하며, 도면에서는 생략되었으나 전달되는 연료에서 황성분을 제거하는 탈황기, 황성분이 제거된 연료를 연료전지스택(110)에서 요구되는 수소 연료로 전환하는 예비개질기(pre-reformer), 전환된 수소연료를 가열하여 상온을 유지시키는 가열기 및 상온의 수소연료를 연료전지스택(110)으로 송달하는 공기 압축기를 포함한다. 이 때, 연료의 개질(Fuel reforming)은 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.The fuel supply unit 122 pre-processes the fuel delivered from the LNG vaporizer 121 and supplies the fuel to the fuel cell stack 110. Although not shown in the drawing, a desulfurizer for removing sulfur components from the delivered fuel and fuels from which the sulfur components have been removed are provided. A pre-reformer for converting the hydrogen fuel required by the battery stack 110, a heater for heating the converted hydrogen fuel to maintain room temperature, and an air compressor for delivering hydrogen fuel at room temperature to the fuel cell stack 110. It includes. In this case, fuel reforming means converting a fuel provided as a raw material into a fuel required in a fuel cell stack.

MCFC나 SOFC는 니켈계 연료극이 사용되고 고온에서 작동되는 연료전지이므로 일산화탄소가 연료로 사용 가능할 뿐 아니라 연료극에서 내부개질에 의해 생성된 탄화수소의 사용도 가능하므로, 연료 중 황성분을 제거하기 위한 탈황기와 예비개질기(pre-reformer)만으로도 연료개질기가 구성될 수 있다.Since MCFC and SOFC are fuel cells that use nickel-based anodes and operate at high temperatures, not only carbon monoxide can be used as fuel but also hydrocarbons produced by internal reforming at the anode, so desulfurizer and pre-reformer to remove sulfur components in fuel can be used. A fuel reformer can be configured with only a pre-reformer.

공기 공급부(123)는 연료전지스택(110)에 전력생산을 위한 공기를 공급하며, 블로어(Blower) 또는 공기압축기(Compressor)로 구성될 수 있다.The air supply unit 123 supplies air for power generation to the fuel cell stack 110 and may be configured as a blower or an air compressor.

MBOP 제어부(124)는 연료전지스택(110)에 연료(수소)와 공기(산소)를 공급하기 위한 각 구성의 전반적인 동작을 제어한다.The MBOP control unit 124 controls the overall operation of each component for supplying fuel (hydrogen) and air (oxygen) to the fuel cell stack 110.

발전기(130)는 고온상태에서 동작하는 연료전지스택(110)의 구동에 필요한 여러 장치들을 가동하기 위한 초기 전력을 생산한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 선박에서의 발전기(130)는 연료전지에 초기전력을 제공하기 위한 발전수단이다. The generator 130 generates initial power for operating various devices required for driving the fuel cell stack 110 operating at a high temperature. That is, the generator 130 in the fuel cell ship according to the embodiment of the present invention is a power generation means for providing initial power to the fuel cell.

상술한 바와 같이 고온형 연료전지스택(110)이 구동되기 위해서는 반드시 고온상태의 온도를 유지해야 하는 작동 조건이 요구되므로 연료전지스택(110)의 구동에 필요한 여러 주변 장비(Balance of Plant, BOP)들을 가동하기 위한 초기 전력이 필요하다. 따라서, 연료전지스택(110)이 구동되기 위해서는 MBOP(120)가 가동되어야 하고 이를 위하여 초기 전력이 공급되어야 한다. 이 때, 연료전지스택(110)의 구동에 필요한 초기전력(이하, 1차 전력으로 명명함)이 연료전지스택(110)에 의해 생산되는 전력(이하, 2차 전력으로 명명함)에 비해 적은 양일 것은 자명하다.As described above, in order for the high temperature fuel cell stack 110 to be driven, operating conditions that must maintain a high temperature state are required, so that various peripheral equipment (Balance of Plant, BOP) required for driving the fuel cell stack 110 is required. Initial power is required to run the system. Therefore, in order for the fuel cell stack 110 to be driven, the MBOP 120 must be operated and initial power must be supplied for this purpose. At this time, the initial power (hereinafter referred to as primary power) required for driving the fuel cell stack 110 is less than the power produced by the fuel cell stack 110 (hereinafter referred to as secondary power). It is self-evident.

모니터링 시스템(140)은 연료전지 시스템(100)의 동작을 감시하는 감시 시스템(Monitoring System)으로 도면에서는 생략되었으나 각종 센서 네트워크를 통하여 전력생산의 이상징후를 감지하거나 선박 전력망에서의 문제 발생에 따른 비상 상황을 감지하여 이벤트를 발생시킨다.The monitoring system 140 is a monitoring system for monitoring the operation of the fuel cell system 100. Although not shown in the drawing, the monitoring system 140 detects an abnormal symptom of electric power generation through various sensor networks or an emergency due to a problem in a ship electric power grid. It detects a situation and raises an event.

예컨대, 모니터링 시스템(140)은 연료전지를 가동하기 위해 필요한 주변 장비(BOP)들의 문제가 발생하여 정상작동이 불가능하거나 선박 내 전력망에서의 문제로 인하여 주변 장비들의 구동이 불가능해진 경우 이벤트 신호를 생성하여 전력 제어부(150)로 전달한다.For example, the monitoring system 140 generates an event signal when a problem of peripheral equipment (BOP) necessary to operate a fuel cell occurs and normal operation is impossible or the peripheral equipment becomes impossible due to a problem in a power grid in a ship. To the power control unit 150.

전력 제어부(150)는 선박 내 전체적인 전력망을 관리하는 중앙전력 분배장치로 발전기(130) 및 연료전지스택(110)에서 생산되는 전력을 연료전지 시스템(100) 및 선박 내 전력부하 장치(160)에 공급한다. 여기서, 선박 내 전력부하 장치(160)는 선박 내에서 전기력으로 동작하는 각종장치와 조명 등의 파워로드(Power Load)를 들 수 있다.The power control unit 150 is a central power distribution device that manages the entire power grid in the ship and transmits the power generated by the generator 130 and the fuel cell stack 110 to the fuel cell system 100 and the in-ship power load device 160. Supply. Here, the in-vehicle power load device 160 may be a power load (power load) such as various devices and lighting that operate with electric force in the ship.

선박의 전력망 제어 특성상 연료전지스택(110)에서 생산되는 전력을 바로 전력부하 장치(160)에서 소모하지는 않고 중앙 전력 제어부(150)에 연결되어 재분배된다.Due to the power grid control characteristic of the ship, the power produced by the fuel cell stack 110 is not directly consumed by the power load device 160 and is redistributed by being connected to the central power controller 150.

특히, 전력 제어부(150)는 블랙아웃으로 인한 선박 내 비상 이벤트 신호가 발생하는 경우 잔류전력을 이용하여 선박 내 필요전력을 생산하는 연료전지스택(110)의 가동을 위해서 전력공급이 필요한 장비들(예; BOP)에 우선적으로 잔류전력을 공급한다. In particular, when the emergency event signal in the ship due to the blackout occurs, the power control unit 150 requires equipment to supply power for the operation of the fuel cell stack 110 to produce the necessary power in the vessel using the residual power ( Ex: Remaining power is supplied preferentially to BOP).

여기서, 상기 잔류전력은 연료전지스택(110)이 비상이벤트상황에서도 이미 공급된 잔류 연료와 공기를 이용하여 일정 시간 동안 생산 할 수 있는 전력을 의미하며, 잔여전력/잔여전류와 동일하게 표기될 수 있다. 또한, 상기 전력공급이 필요한 장비들의 예로는 히터(Heater), 블로어(Blower), 공기 압축기(Compressor), 각 제어 밸브(Control valve), 모니터링 시스템(140) 및 연료공급 장치(Fuel supply equipment) 등을 들 수 있다.Here, the residual power means power that the fuel cell stack 110 can produce for a predetermined time using residual fuel and air already supplied even in an emergency event situation, and may be expressed in the same manner as residual power / remaining current. have. In addition, examples of the equipment requiring power supply include a heater, a blower, an air compressor, a control valve, a monitoring system 140, and a fuel supply equipment. Can be mentioned.

상기한 구성으로 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(100)이 정상상태에서의 전력 생산 및 공급은 전력 제어부(150)가 발전기(130)로부터 생산된 1차 전력으로 연료전지 시스템(100)과 선박 내 전력부하 장치(160)에 공급한다(①). 이후, 전력 제어부(150)는 연료전지스택(110)로부터 생산되는 2차 전력을 선박 내 전력망을 통해 연료전지 시스템(100)과 선박 내 전력부하 장치(160)에 각각 공급한다(②).With the above-described configuration, the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention produces and supplies power in a normal state as the primary power generated by the power control unit 150 from the generator 130. Supply to the power load device 160 and the ship (①). Thereafter, the power control unit 150 supplies the secondary power produced from the fuel cell stack 110 to the fuel cell system 100 and the onboard power load device 160 through the power grid in the ship (②).

한편, 도 3을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 비상(Emergency) 상태에서의 연료전지 시스템 가동에 의한 전력 배전 상태를 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, a power distribution state by operating a fuel cell system in an emergency state according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 비상 상태에서의 전력 배전상태를 나타낸다.3 illustrates a power distribution state in an emergency state of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 비상 상태에서의 전력 배전 상태를 보여주는 연료전지 시스템(100)으로 상기 도 2의 구성과 동일하지만, 비상 상태가 되면 전력배전방법이 달라지게 된다. 즉, 도 3을 통한 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료전지 선박의 비상발전 시스템으로 연료전지의 특성을 이용하여 기존 선박에서 비상 발전기의 역할을 대체하는 비상 MBOP(170)를 더 포함한다.Referring to FIG. 3, a fuel cell system 100 showing a power distribution state in an emergency state according to an embodiment of the present invention is the same as that of FIG. 2, but the power distribution method is changed when the emergency state is reached. do. That is, the fuel cell system 100 according to the embodiment of the present invention through FIG. 3 is an emergency MBOP 170 that replaces the role of an emergency generator in an existing vessel by using characteristics of the fuel cell as an emergency power generation system of a fuel cell vessel. It further includes.

이 때, 이용되는 상기 연료전지의 특성은 아래와 같다.At this time, the characteristics of the fuel cell used are as follows.

연료전지스택(110)은 고온 상태만 유지되면 별도의 전원 공급 없이 연료와 공기의 공급만으로 전력을 생산하는 특성이 있다.The fuel cell stack 110 has a characteristic of producing power only by supplying fuel and air without a separate power supply when only a high temperature is maintained.

따라서, MBOP(120)의 장애로 연료와 공기의 공급이 중지되더라도 이미 공급된 잔류 연료와 공기를 이용하여 일정 시간 동안 잔류전력을 생산할 수 있다. 예를 들면, MBOP(120)의 블로어(Blower), 공기 압축기(Compressor) 같은 보조 장비의 가동 중지에 따른 장애요인으로 연료와 공기의 공급이 중단될 수 있으며, 이 때에도 연료전지스택(110)은 스택 내에 이미 공급된 연료와 공기에 의해 일정 시간 동안 화학반응을 하여 잔류전력을 생산할 수 있다.Therefore, even if the supply of fuel and air is stopped due to the failure of the MBOP 120, it is possible to produce the residual power for a predetermined time using the residual fuel and air already supplied. For example, the supply of fuel and air may be stopped due to obstacles caused by the shutdown of auxiliary equipment such as a blower and an air compressor of the MBOP 120. In this case, the fuel cell stack 110 may be stopped. Residual power can be produced by chemical reactions for some time with fuel and air already supplied in the stack.

즉, 모니터링 시스템(140)은 전력생산의 이상징후를 감지하여 비상 이벤트를 발생시키고, 전력 제어부(150)는 전력소비를 최소화 하기 위해 선박 내 전력부하 장치(160)에 필요전력 공급을 중단함과 동시에 잔류전력을 비상 MBOP(170)로 공급하여 구동시킨다.That is, the monitoring system 140 generates an emergency event by detecting an abnormal symptom of power production, and the power control unit 150 stops supplying power to the power load device 160 in the ship to minimize power consumption. At the same time, the residual power is supplied to and driven by the emergency MBOP 170.

비상 MBOP(170)는 연료탱크(Fuel Tank)(171), 압축공기 탱크(Compressed Air Tank)(172), 밸브 구동부(173), 가열부(174) 및 비상 MBOP 제어부(175)를 포함한다.The emergency MBOP 170 includes a fuel tank 171, a compressed air tank 172, a valve driving unit 173, a heating unit 174, and an emergency MBOP control unit 175.

연료탱크(171)는 순수 메탄과 수소를 포함하여 저장하고 압축공기 탱크(172)는 공기 또는 산소를 가압된 상태로 저장한다. The fuel tank 171 stores pure methane and hydrogen, and the compressed air tank 172 stores air or oxygen in a pressurized state.

밸브 구동부(173)는 비상 MBOP(170)가 가동되면 각 탱크(171,172)의 밸브를 열어 연료와 공기를 연료전지스택(110)으로 공급한다. When the emergency MBOP 170 is operated, the valve driver 173 opens the valves of the tanks 171 and 172 to supply fuel and air to the fuel cell stack 110.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 비상 MBOP의 밸브구성을 나타낸다.4 shows a valve configuration of the emergency MBOP according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 밸브 구동부(173)는 공급받은 잔류전력을 이용하여 작동되는 저용량 솔레노이드 밸브(173-1)를 구성하고 실질적으로 연료 및 공기의 공급밸브(173-3, 173-4)는 공기가 압축되어 저장된 공압탱크(173-2)로부터 바이패스(bypass)시킨 공기의 압력으로 구동하는 공압밸브로 각각 구성한다. 즉, 솔레노이드 밸브(173-1)에 의해 공급되는 소량의 압축공기로 연료탱크(171)와 압축공기 탱크(172)의 공급밸브(173-3, 173-4)를 작동시키고, 각 탱크(171, 172)의 공급밸브(173-3, 173-4)를 통해 토출되는 연료 및 공기를 가열부(174)가 가열하여 연료전지스택(110)에 공급한다. 이 때, 공기는 촉매연소기를 거쳐 스택의 반응에 적절한 고온 상태로 공기극(Cathode)에 공급되고 연료는 가열되어 연료극(Anode)에 공급된다.Referring to FIG. 4, the valve driving unit 173 according to the embodiment of the present invention constitutes a low capacity solenoid valve 173-1 operated by using the supplied residual power, and substantially provides a fuel and air supply valve ( 173-3 and 173-4 comprise pneumatic valves each driven by the pressure of the air bypassed from the pneumatic tank 173-2 in which the air is compressed and stored. That is, a small amount of compressed air supplied by the solenoid valve 173-1 operates the fuel tank 171 and the supply valves 173-3 and 173-4 of the compressed air tank 172, and each tank 171 The heating unit 174 heats the fuel and air discharged through the supply valves 173-3 and 173-4 of the fuel cell stack 172 to the fuel cell stack 110. At this time, air is supplied to the cathode through a catalytic combustor at a high temperature suitable for the reaction of the stack, and the fuel is heated and supplied to the anode.

이와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면 연료와 공기는 가압된 상태로 저장되므로 공급을 위한 별도장치를 생략할 수 있으며, 밸브 구동부(173)는 공급되는 잔류전력을 통해 각 탱크(172, 172)의 밸브를 작동(OPEN)하는 저전력만으로도 연료와 공기의 공급을 가능하게 함으로써 비상 상태에서의 전력소모를 최소화하는 이점이 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention, since the fuel and air are stored in a pressurized state, a separate device for supply may be omitted, and the valve driving unit 173 may be configured to supply the remaining power to each tank 172 or 172. It is possible to supply fuel and air with low power to open the valve, thereby minimizing power consumption in an emergency state.

가열부(174)는 히터, 버너, 열교환기 등으로 구성될 수 있으며 각 탱크(171, 172)에서 토출 되는 연료와 공기를 고온상태의 조건을 유지하도록 가열한다. 이 때, 가열부(174)는 비상상태에서 비상 전류를 이용하여 작동될 수 있다.The heating unit 174 may include a heater, a burner, a heat exchanger, and the like, and heat the fuel and air discharged from the tanks 171 and 172 to maintain high temperature conditions. At this time, the heating unit 174 may be operated using the emergency current in the emergency state.

비상 MBOP 제어부(175)는 전력 제어부(150)로부터 전달되는 비상 전류 및 이벤트 발생정보에 따라 비상 MBOP(170)의 동작을 제어한다. The emergency MBOP control unit 175 controls the operation of the emergency MBOP 170 according to the emergency current and event occurrence information transmitted from the power control unit 150.

이러한 도 3의 구성을 토대로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 선박의 비상발전 방법을 설명한다.Based on the configuration of Figure 3 will be described in the emergency power generation method of the fuel cell ship according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 선박의 비상발전 방법을 나타낸 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating an emergency power generation method of a fuel cell ship according to an exemplary embodiment of the present invention.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템(100)이 비상발전을 수행하는 방법은 크게 비상 이벤트를 감지하는 제1 단계(①), 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP(170)를 가동하는 제2 단계(②), 비상 MBOP(170)에서 공급되는 연료 및 공기를 이용하여 비상전력을 생산하는 제3 단계(③)로 구분된다.Referring to FIG. 5, a method of performing emergency power generation by the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a first step (①) of detecting an emergency event, an emergency MBOP using residual power ( The second step (②) of operating 170, and the third step (③) of producing emergency power by using the fuel and air supplied from the emergency MBOP (170).

그 구체적 흐름을 설명하면, 연료전지 시스템(100)의 모니터링 시스템(140)이 MBOP(120)의 가동 중단을 감지하고(S101), 그에 따른 비상 이벤트 발생 메시지를 생성하여 전력 제어부(150)로 전송한다(S102). 상기 비상 이벤트 발생 메시지에는 장애발생 장비 및 장애 유발 원인을 진단한 코드정보와 이벤트 발생시각 등의 정보가 포함된다.Referring to the specific flow, the monitoring system 140 of the fuel cell system 100 detects an operation interruption of the MBOP 120 (S101), generates an emergency event occurrence message accordingly, and transmits it to the power control unit 150. (S102) The emergency event occurrence message includes code information for diagnosing the failure equipment and the cause of failure and information such as an event occurrence time.

모니터링 시스템(140)은 MBOP(120)에서 연료전지스택(110)을 가동하기 위하여 공급되는 연료(Fuel), 스팀(Steam), 공기(Air) 등의 유량의 변화를 감지하거나 스택 주입구(Stack inlet)에서의 압력, 스택의 온도변화, 배기가스의 조성 등에서 유발되는 비상상태를 감지한다. 여기서, 상기 스택 주입구는 연료 및 가스 라인이 스택에 연결되는 부분을 의미한다.The monitoring system 140 detects a change in flow rate of fuel, steam, air, etc., supplied to operate the fuel cell stack 110 in the MBOP 120, or stack inlet. Detects emergency situations caused by pressure in the stack, temperature changes in the stack, and composition of the exhaust gases. Here, the stack inlet means a portion where the fuel and gas lines are connected to the stack.

즉, 모니터링 시스템(140)은 정상기준치에 대비한 유량의 감소, 압력 또는 온도의 감소, 배기가스 조성에서 수소 또는 산소의 성분이 높아지고 이산화탄소의 양이 줄어든 경우 등의 변화를 비상상태로 진단할 수 있다.That is, the monitoring system 140 may diagnose a change in the state of emergency, such as a decrease in flow rate, a decrease in pressure or temperature, a high component of hydrogen or oxygen in the exhaust gas composition, and a decrease in the amount of carbon dioxide in the exhaust gas composition. have.

또한, 모니터링 시스템(140)은 이러한 변화 중에서 주변 장비(BOP)의 결함으로 작동이 중지되는 경우 비상신호를 발생시키고, 또는 선박 전력망에서의 문제발생으로 블랙아웃 상태가 되면 비상신호를 발생시킨다.In addition, the monitoring system 140 generates an emergency signal when the operation is stopped due to a defect of the peripheral equipment (BOP) of these changes, or generates an emergency signal when the blackout state due to a problem in the ship power grid.

전력 제어부(150)는 비상 이벤트 발생 메시지를 수신하면 연료전지 시스템 및 선박 내 전력부하장치(160)에 필요전력 공급을 중단한다(S103). 이는 연료전지스택(110)의 정상 가동시까지 불필요한 전력 낭비를 예방하기 위한 동작이다.When receiving the emergency event occurrence message, the power control unit 150 stops supplying the required power to the fuel cell system and the power load device 160 in the ship (S103). This is an operation for preventing unnecessary power waste until the normal operation of the fuel cell stack 110.

연료전지스택(110)은 스택 내에 이미 공급된 연료와 공기를 이용하여 잔류전력을 생산하고(S104), 전력 제어부(150)는 연료전지스택(110)의 가동 상태를 유지하기 위해 비상 MBOP(170)에 잔류전력을 공급한다(S105). 이 때, 전력 제어부(150)는 모니터링 시스템(140)에도 잔류전력을 공급하여 지속적인 연료전지 시스템의 상태를 감지하도록 할 수 있다.The fuel cell stack 110 generates residual power using the fuel and air already supplied in the stack (S104), and the power control unit 150 controls the emergency MBOP 170 to maintain the operation state of the fuel cell stack 110. ) To supply residual power (S105). At this time, the power control unit 150 may also supply residual power to the monitoring system 140 to detect the state of the continuous fuel cell system.

비상 MBOP(170)는 밸브 구동부(173)에 공급되는 잔류전력을 이용하여 연료탱크(171)와 압축공기 탱크(172)의 밸브를 열고, 밸브를 통해 토출되는 압축공기와 연료를 가열부(174)로 가열하여 연료전지스택(110)으로 공급한다(S106, S107). The emergency MBOP 170 opens the valve of the fuel tank 171 and the compressed air tank 172 by using the residual power supplied to the valve driving unit 173, and heats the compressed air and fuel discharged through the valve 174. And the fuel cell stack 110 is supplied to the fuel cell stack 110 (S106 and S107).

연료전지스택(110)은 비상 MBOP(170)로부터 전달되는 비상 연료 및 공기를 이용하여 비상전력을 생산하여 전력 제어부(150)로 전달하고(S108), 전력 제어부(150)는 비상전력을 연료전지 시스템의 구동을 위해 공급한다(S109).The fuel cell stack 110 generates emergency power using the emergency fuel and air delivered from the emergency MBOP 170 and delivers the emergency power to the power control unit 150 (S108), and the power control unit 150 supplies the emergency power to the fuel cell. Supply for driving of the system (S109).

이러한 비상 MBOP(170)의 구동에 따른 비상전력생산은 MBOP(120)의 장애가 복구되어 가동될 때까지 상기 S105 단계 내지 S109 단계를 반복된다. 또한, 도면에서는 생략되었으나 전력 제어부(150)는 비상이벤트 상황이 장기화 되는 경우 상기 비상전력을 이용하여 발전기를 가동하고, 상기 발전기에서 생성되는 전력을 선박 내 임시 분배할 수도 있다. 여기서, 이벤트 상황이 장기화 된다는 것은 이상 이벤트 시간이 비상 MBOP(170)의 공급 연료와 공기의 한계를 초과하는 경우를 들 수 있다.Emergency power generation according to the operation of the emergency MBOP 170 is repeated steps S105 to S109 until the failure of the MBOP 120 is restored and operated. In addition, although omitted in the drawing, the power control unit 150 may operate the generator using the emergency power when the emergency event situation is prolonged, and may temporarily distribute the power generated by the generator in the ship. Here, the prolongation of the event situation may include a case where the abnormal event time exceeds the limit of the fuel and the air supplied to the emergency MBOP 170.

이후, 전력 제어부(150)는 모니터링 시스템(140)을 통해 MBOP(120)의 장애가 해소되어 재가동됨을 확인하면(S110: 예), 비상 MBOP(170)의 전력공급을 중단하고, 상기 도 2에서와 같이 정상상태로 동작한다(S111).Thereafter, when the power controller 150 confirms that the failure of the MBOP 120 is restarted through the monitoring system 140 (S110: Yes), the power control unit 150 stops the power supply of the emergency MBOP 170, and as shown in FIG. As in the normal state (S111).

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 연료전지 시스템에서의 비상 상태발생시 연료전지의 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP를 구동함으로써 연료전지 스택의 온도를 일정하게 유지하며 일정한 전력을 생산하는 효과가 있다.As described above, according to an exemplary embodiment of the present invention, when an emergency condition occurs in a fuel cell system, the emergency MBOP is driven by using the residual power of the fuel cell, thereby maintaining a constant temperature of the fuel cell stack and producing a constant power.

그리고, 비상상태를 감지함과 동시에 즉시 비상 MBOP를 가동하여 고온의 연료와 공기를 공급함으로써 비상상태에서도 끊김 없는 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.In addition, by detecting an emergency condition and immediately operating an emergency MBOP to supply high-temperature fuel and air, it is possible to supply power without interruption even in an emergency state.

또한, 비상 MBOP의 구성만으로도 비상상태에서의 전력생산이 가능함으로 별도의 보조발전기의 구동 및 구성을 생략함으로써 연료전지 선박의 생산비용을 절감하는 효과를 기대할 수 있다.In addition, since the power can be produced in the emergency state only by the configuration of the emergency MBOP, it is possible to expect the effect of reducing the production cost of the fuel cell ship by omitting the operation and configuration of a separate auxiliary generator.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited only to the above embodiments, and various other changes are possible.

예컨대, 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비상 MBOP의 밸브구성을 나타낸다.For example, 6 shows a valve configuration of the emergency MBOP according to another embodiment of the present invention.

첨부된 도 6을 참조하면, 상기 도 4에 도시한 본 발명의 실시 예에서는 잔류전력을 이용하여 밸브 구동부(173)를 구동하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 비상 MBOP(170) 내부에 별도의 소형 배터리(Battery)(176)를 더 설치하여 밸브 구동부(173)가 상기 잔류전력을 이용하지 않고 소형 배터리(176)로부터 공급되는 전원으로 상기 솔레노이드 밸브(173-1)를 작동하도록 할 수도 있다.Referring to FIG. 6, in the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 4, the valve driving unit 173 is driven using the residual power, but is not limited thereto. A small battery 176 may be further installed to allow the valve driver 173 to operate the solenoid valve 173-1 with power supplied from the small battery 176 without using the residual power.

따라서, 잔류전력을 모두 소진하거나 발생하지 못하는 상황에서도 배터리(176)의 전력으로 비상 MBOP(170)를 구동하여 필요 연료 및 공기를 제공함으로써 연료전지를 가동할 수 있는 이점이 있다.Therefore, there is an advantage in that the fuel cell can be operated by driving the emergency MBOP 170 with the power of the battery 176 to provide the required fuel and air even in a situation where all the remaining power is exhausted or does not occur.

또한, 상기 도 3에 도시한 본 발명의 실시 예에서는 잔류전력을 이용하여 가열부(174)를 작동하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 상기한 배터리(176)를 이용하거나 별도로 저장된 증기(Steam)를 공급하여 가열부(174)를 작동할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention shown in Figure 3 described as operating the heating unit 174 using the residual power, but is not limited to this, using the battery 176 or steam stored separately (Steam) The heating unit 174 may be operated by supplying the same.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 비상 MBOP의 가열 구조를 나타낸다.On the other hand, Figure 7 shows the heating structure of the emergency MBOP according to another embodiment of the present invention.

첨부된 도 7을 참조하면, 상기 도 6과 유사하며 비상 MBOP(170)에 구비된 연료탱크(171)에서 일부 연료를 버너(Burner)와 같은 가열부(174)의 작동을 위해 공급하는 구성만 다르다. 즉, 연료탱크(171)로부터 바이패스(bypass)되는 일부 연료를 가열부(174)를 작동시키기 위한 연료로 사용할 수 있다. 이 때, 연료탱크(171)에는 가열부(174)에 가열부 작동용 연료를 공급하기 위한 라인과 밸브가 추가로 설치되며, 상기 밸브는 스위칭에 따라 잔류전력 또는 배터리로 작동된다. 이 때, 상기 밸브는 용량에 따라 솔레노이드 밸브, 액츄에이터 중 어느 하나일 수 있으며, 별도의 공압탱크를 구성하여 공압밸브를 적용할 수도 있다.Referring to FIG. 7, only a configuration similar to that of FIG. 6 and supplying some fuel for operation of a heating unit 174 such as a burner in the fuel tank 171 provided in the emergency MBOP 170 is provided. different. That is, some fuel bypassed from the fuel tank 171 may be used as fuel for operating the heating unit 174. At this time, the fuel tank 171 is additionally provided with a line and a valve for supplying fuel for heating operation to the heating unit 174, the valve is operated by a residual power or a battery according to the switching. At this time, the valve may be any one of a solenoid valve and an actuator according to the capacity, it may be configured by a separate pneumatic tank to apply a pneumatic valve.

따라서, 잔류전력을 모두 소진하거나 발생하지 못하는 상황에서도 연료탱크(171)로부터 바이패스되는 연료를 이용하여 가열부(174)를 작동할 수 있는 이점이 있다.Therefore, there is an advantage in that the heating unit 174 can be operated using fuel bypassed from the fuel tank 171 even in a situation in which the residual power is exhausted or does not occur.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

100: 연료전지 시스템
110: 연료전지스택
120: MBOP
130: 발전기
140: 모니터링 시스템
150: 전력 제어부
160: 전력부하장치
170: 비상 MBOP100: fuel cell system
110: fuel cell stack
120: MBOP
130: generator
140: monitoring system
150: power control unit
160: power load device
170: Emergency MBOP

Claims (14)

연료전지 선박의 전력생산이 중단되는 비상상태에서의 연료전지 작동 시스템에 있어서,
연료전지 셀이 적층되어 연료와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지스택;
상기 연료전지스택에 상기 연료와 공기를 공급하는 MBOP(Mechanical Balance of Plant)의 가동중단이나 선박 전력망에서의 문제 발생에 따른 이상징후를 감지하여 비상 이벤트를 발생시키는 모니터링 시스템;
상기 비상 이벤트 발생시 고온상태의 비상 연료와 공기를 상기 연료전지스택으로 공급하는 비상 MBOP(Emergency MBOP); 및
선박 내 공급되는 전력을 제어하며 상기 비상 이벤트 발생시 상기 연료전지스택에서 생산되는 잔류전력을 이용하여 상기 비상 MBOP를 가동하는 전력 제어부를 포함하되,
상기 연료전지스택은 공급되는 상기 비상 연료와 공기를 이용하여 비상전력을 생산하며, 상기 전력 제어부는, 상기 비상 이벤트 신호가 발생하면 선박 내 부하장비의 필요전력공급을 중단하고, 상기 연료전지스택의 기동을 위해서 전력공급이 필요한 장비들에 우선적으로 상기 잔류전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.In a fuel cell operating system in an emergency state in which power generation of a fuel cell vessel is stopped,
A fuel cell stack in which fuel cell cells are stacked to produce electric power by an electrochemical reaction between fuel and air;
A monitoring system for detecting an emergency symptom caused by an operation interruption of a mechanical balance of plant (MBOP) that supplies the fuel and air to the fuel cell stack or a problem in a ship power grid;
Emergency MBOP (Emergency MBOP) for supplying the emergency fuel and air at a high temperature state to the fuel cell stack when the emergency event occurs; And
It includes a power control unit for controlling the power supplied in the ship and operating the emergency MBOP by using the residual power produced in the fuel cell stack when the emergency event occurs,
The fuel cell stack generates emergency power by using the emergency fuel and air supplied thereto, and the power control unit stops supplying necessary power of the on-load load equipment when the emergency event signal is generated. A fuel cell operating system, wherein the residual power is supplied preferentially to equipment requiring power supply for start-up. 제 1 항에 있어서,
상기 모니터링 시스템은,
상기 MBOP에서 공급되는 연료, 스팀, 공기 중 적어도 하나의 유량 변화와 스택 주입구에서의 압력, 온도변화, 배기가스 중 적어도 하나의 이상징후를 감지하여 상기 비상이벤트를 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method of claim 1,
The monitoring system,
Fuel cell operation, characterized in that for generating the emergency event by detecting at least one change in the flow rate of the fuel, steam, air supplied from the MBOP and at least one abnormality of the pressure, temperature change, exhaust gas at the stack inlet system. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 비상 MBOP는,
순수 매탄과 수소를 포함하는 연료를 가압된 상태로 저장하는 연료탱크;
공기 또는 산소를 가압된 상태로 저장하는 압축공기 탱크;
공급되는 상기 잔류전력을 이용하여 상기 연료탱크와 압축공기 탱크를 작동하는 밸브 구동부;
공급되는 상기 잔류전력을 이용하여 상기 연료탱크와 압축공기 탱크에서 토출되는 비상 연료 및 공기를 고온상태로 가열하는 가열부 및
상기 전력 제어부로부터 전달되는 비상 전류 및 이벤트 발생정보에 따라 비상 MBOP의 작동을 제어하는 비상 MBOP 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method of claim 1,
The emergency MBOP,
A fuel tank for storing a fuel containing pure methane and hydrogen in a pressurized state;
A compressed air tank for storing air or oxygen in a pressurized state;
A valve driving unit which operates the fuel tank and the compressed air tank by using the residual power supplied;
A heating unit for heating emergency fuel and air discharged from the fuel tank and the compressed air tank to a high temperature state by using the remaining power supplied;
Emergency MBOP control unit for controlling the operation of the emergency MBOP according to the emergency current and event occurrence information transmitted from the power control unit
Fuel cell operating system comprising a. 제 4 항에 있어서,
상기 밸브 구동부는,
밸브의 구동을 위한 공압탱크에 연결되어 공급되는 전력으로 작동하는 제1 밸브; 및
상기 연료탱크와 압축공기 탱크에 각각 연결되어 상기 제1 밸브의 개방에 따른 공기의 압력으로 작동하는 복수의 공압밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method of claim 4, wherein
The valve driving unit,
A first valve connected to a pneumatic tank for driving the valve and operating at a power supplied; And
And a plurality of pneumatic valves respectively connected to the fuel tank and the compressed air tank to operate at the pressure of air according to the opening of the first valve. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 비상 MBOP는,
소형 배터리를 더 포함하며, 상기 잔류전력이 소진되거나 공급되지 않을 경우 상기 소형배터리의 전력으로 상기 밸브 구동부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method according to claim 4 or 5,
The emergency MBOP,
And a small battery, wherein the valve driving unit is operated with power of the small battery when the residual power is exhausted or not supplied. 제 6 항에 있어서,
상기 가열부는,
연료탱크와 연결된 관으로 공급되는 연료로 작동하는 버너를 포함하며, 상기 관상에는 제3 밸브가 형성되어 상기 잔류전력 혹은 배터리 전력 중 어느 하나로 작동하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method according to claim 6,
The heating unit includes:
And a burner operated by fuel supplied to a pipe connected to a fuel tank, wherein the third valve is formed on the pipe to operate either of the remaining power or the battery power. 제 1 항에 있어서,
상기 전력 제어부는,
상기 비상전력을 이용하여 발전기를 가동하고, 상기 발전기에서 생성되는 전력을 선박 내 임시 분배하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 시스템.The method of claim 1,
The power control unit,
A fuel cell operating system comprising: operating a generator using the emergency power and temporarily distributing the power generated by the generator in a ship. 선박 내에서의 전력을 공급하는 연료전지 시스템이 비상상태에서의 연료전지를 작동하는 방법에 있어서,
a) 전력 제어부가 MBOP(Mechanical Balance of Plant)의 가동중단이나 이상징후에 따른 비상 상태를 확인하는 단계;
b) 전력 제어부가 연료전지스택에서 생산되는 잔류전력을 이용하여 비상 MBOP(Emergency MBOP)를 가동하는 단계;
c) 상기 비상 MBOP가 고온상태의 비상 연료와 공기를 상기 연료전지스택으로 공급하는 단계; 및
d) 상기 연료전지스택이 공급되는 상기 비상 연료와 공기를 이용하여 비상 전력을 생산하는 단계를 포함하되,
상기 b) 단계는, 상기 전력 제어부가 선박 내 부하장비의 필요전력공급을 중단하고, 상기 잔류전력을 상기 비상 MBOP 및 감시 시스템에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태에서의 연료전지 작동 방법.In a fuel cell system for supplying power in a ship operating a fuel cell in an emergency state,
a) checking, by the power control unit, an emergency condition caused by the shutdown of the mechanical balance of plant (MBOP) or an abnormal symptom;
b) operating an emergency MBOP (Emergency MBOP) by using the remaining power produced in the fuel cell stack by the power control unit;
c) the emergency MBOP supplies emergency fuel and air at a high temperature to the fuel cell stack; And
d) producing emergency power using the emergency fuel and air to which the fuel cell stack is supplied;
In step b), the power control unit stops supplying necessary power of the on-load equipment and supplies the residual power to the emergency MBOP and monitoring system. Way. 제 9 항에 있어서,
상기 a) 단계 이전에,
모니터링 시스템이 상기 MBOP의 가동 중단이나 전력생산의 이상징후를 감지에 따른 비상 이벤트 발생 메시지를 생성하여 상기 전력 제어부로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태에서의 연료전지 작동 방법.The method of claim 9,
Before step a),
The monitoring system further comprises the step of generating an emergency event occurrence message according to the detection of the MBOP shutdown or abnormal symptoms of power generation and transmitting to the power control unit. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 b) 단계는,
연료전지스택이 이전에 미리 공급된 잔류연료와 공기를 이용하여 잔류전력을 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태에서의 연료전지 작동 방법.11. The method according to claim 9 or 10,
The step b)
A method of operating a fuel cell in an emergency state wherein the fuel cell stack comprises producing residual power using previously supplied residual fuel and air. 삭제delete 제 9 항에 있어서,
상기 c) 단계는,
상기 잔류전력을 이용하여 가압상태에 있는 연료 및 공기의 밸브를 작동하고, 상기 밸브를 통해 토출되는 상기 연료 및 공기를 가열하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태에서의 연료전지 작동 방법.The method of claim 9,
The step c)
Operating a valve of fuel and air in a pressurized state by using the residual power, and heating the fuel and air discharged through the valve
Fuel cell operating method in an emergency state comprising a. 제 9 항에 있어서,
상기 d) 단계 이후에,
e) 상기 전력 제어부가 상기 비상 MBOP, 감시 시스템, 발전기 및 선박 내 부하장비 중 적어도 하나에 상기 비상전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비상상태에서의 연료전지 작동 방법.The method of claim 9,
After the step d)
e) supplying the emergency power to at least one of the emergency MBOP, the monitoring system, the generator, and the on-board load equipment by the power control unit.
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