KR101292709B1 - 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박과 연료 전지시스템 가동방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박과 연료 전지시스템 가동방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 고온의 열매체를 공급하는 열매체 공급부, 열매체 공급부로부터 공급된 고온의 열매체로부터 비활성기체에 고온의 열을 전달하는 열교환기, 고온의 비활성기체를 공급받아 예열되는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부 및 열교환기로부터 고온의 비활성기체를 공급받아 저장하고 연료 전지 스택으로 고온의 비활성기체를 공급하는 비활성기체 저장부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박과 연료 전지시스템 가동방법 { Fuel cell system and ship having the same and fuel cell system operation method }
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
연료전지는 연료공급기(MBOP), 스택모듈(Stack Module) 및 전력변환기(EBOP)를 포함한다. 연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 스택모듈에 공급하며, 스택모듈 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다. 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 150 ~ 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료전지로 분류된다.
이들 각 연료전지의 근본적인 원리는 같으나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질의 종류가 상이하다. 이 중에서 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)는 반응에 필요한 수소를 스택 내부에서 제조하는 내부 개질형과 반응에 필요한 수소를 스택 외부에서 제조하는 외부 개질형으로 구분된다.
내부 개질형 용융탄산염 연료전지에서 연료극(Anode)에 주입되는 연료 가스는 천연가스와 같은 탄화수소 화합물을 사용하는데, 통상적으로는 연료 가스 중 C2 이상의 탄화수소 화합물을 먼저 초기 개질기(Pre-reformer)를 이용하여 수소로 전환시켜 전체 연료가스의 수소 농도를 2% 이상을 유지하게 하여 수증기와 함께 연료전지스택의 연료극에 주입함으로써, 연료전지스택 내에서 일어나는 수증기 개질 반응을 촉진한다.
한편, MCFC와 같은 고온용 연료전지는 600도 ~ 1000도에서 작동하고 사용 가능 연료의 범위가 넓고 고온에서 작동하므로 저온 연료 전지와 달리 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 현재 발전용 연료전지뿐만 아니라 선박용 연료전지로도 주목받고 있다.
MCFC의 기본 공정을 살펴보면 연료 전지 스택의 애노드(Anode, 연료극)는 고온의 연료가스와 수증기가 혼합되어 주입되고 캐소드(Cathode, 공기극)로는 고온의 공기가 공급된다. 이 상태에 이르기 전에 이미 연료 전지 스택은 연료 전지 스택에 부가적으로 설치되어 있는 스타트 업 히터(Start-up heater)를 통하여 작동 온도(600도 이상)까지 승온된다.
MCFC나 SOFC 등의 고온형 연료전지를 선박에 탑재하고자 할 때 가장 문제가 되는 것은 발전을 하기 위해 고온으로 연료 전지 스택을 가열해야 한다는 점이다. 고온형 연료 전지는 가동 시마다 스타트 업 히터로 연료 전지 스택을 장시간 가열을 해줘야 600~ 700도의 작동 온도에서 발전을 할 수 있다.
이러한 운전상의 단점은 선박과 같은 이동 수단에 탑재시 효율을 상당히 떨어뜨리고 정상적인 운전을 크게 방해한다. 선박의 기존 발전용 디젤 엔진을 대체하기 위해서는 정지상태에서 운전상태로 전환되는 데 걸리는 10일 이상의 가열시간을 단축해야 하며, 연료 전지의 가열에 쓰이는 열원을 경제성 있는 방법으로 공급해야 한다.
이러한 운전 조건에서의 문제점 외에도 고온형 연료전지의 연료 전지 스택은 고온의 운전 모드에서 일정한 온도로 지속적으로 작동할 때 효율과 수명이 최적화될 수 있다. 그러나 선박 내에서 정지와 운전을 위해 상온상태와 고온상태를 계속해서 전환할 경우, 전해질이 고체와 액체 상태의 상변화를 계속 반복함에 따라, 구조적인 취약점이 고온형 연료 전지에 발생할 수 있다. 따라서 최초 운전을 시작한 후 최대한 전해질이 상변화가 없도록, 고온형 연료 전지가 고온 상태를 유지하면서 운전되도록 하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 정지상태에서 운전상태로 전환되는 데 걸리는 가열시간을 단축하며, 연료 전지의 가열에 쓰이는 열원을 경제적으로 공급할 수 있는 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고온의 열매체를 공급하는 열매체 공급부; 상기 열매체 공급부로부터 공급된 상기 고온의 열매체로부터 비활성기체에 고온의 열을 전달하는 열교환기; 고온의 상기 비활성기체를 공급받아 예열되는 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부; 및 상기 열교환기로부터 고온의 상기 비활성기체를 공급받아 저장하고 상기 연료 전지 스택으로 고온의 상기 비활성기체를 공급하는 비활성기체 저장부를 포함하되, 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우에 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 연료 전지 시스템이 제공될 수 있다.
이때, 상기 열매체 공급부는 선박의 이코노마이저 및 보일러 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 고온의 열매체는 상기 선박의 이코노마이저 및 보일러 중 어느 하나 이상에서 공급되는 수증기일 수 있다.
한편, 상기 비활성 기체는 질소 가스 또는 이산화탄소 가스를 포함할 수 있다.
한편, 상기 연료 전지 스택은 캐소드, 전해질, 애노드, 직접 내부 개질기 및 간접 내부 개질기를 포함하고, 상기 비활성기체는 상기 간접 내부 개질기, 상기 직접 내부 개질기 및 상기 애노드를 거쳐 순환될 수 있다.
한편, 상기 연료 전지 스택은 상기 연료 전지 스택 내부의 압력 및 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서부 및 상기 센서부의 신호를 받아 연료가스 및 고온의 상기 비활성기체 중 어느 하나 이상의 공급을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
삭제
한편, 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 비활성 기체의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 연료 가스 공급을 중단할 수 있다.
이때, 상기 가동 중지 조건은 미리 저장된 환경 규제를 벗어나는 위치까지의 탈출항해시간과 고온의 상기 비활성 기체가 상기 연료전지 스택을 가열하기 위한 시간을 비교하여 설정될 수 있다.
한편, 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건일 경우에 연료 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급할 수 있다.
한편, 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 연료 가스의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로 고온의 상기 비활성 기체의 공급을 중단할 수 있다.
이때, 상기 가동 시작 조건은 미리 저장된 환경 규제가 적용되는 위치까지의 항해시간과 상기 연료가스를 상기 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 시간을 비교하여 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택에 공급하는 단계; (b) 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건일 경우에 연료 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 단계; (c) 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 연료 가스의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 상기 비활성 기체의 공급을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 가동 방법이 제공될 수 있다.
이때, 상기 (a)단계는 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우 연료 전지 스택으로의 상기 연료 가스의 공급을 중단하고 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급할 수 있다.
한편, 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 비활성 기체의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 연료 가스 공급을 중단하는 단계를 더 포함하고, 상기 (a) 단계는 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우에 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료 전지 시스템을 구비한 선박이 제공될 수 있다.
이때, 상기 선박은 LNG 저장탱크 외부로 배출된 증발가스를 연소시켜 상기 선박 내부의 청수를 가열하여 수증기를 생성하는 증발가스 연소기 및 상기 증발가스 연소기로부터 상기 수증기를 전달받아 저장하고 상기 연료 전지 시스템에 상기 수증기를 공급하는 수증기 저장부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박은 상기 선박에서 발생하는 폐열을 연료 전지의 가열에 쓰이는 열원으로 이용하므로 연료 전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템 및 이를 구비한 선박은 정지상태에서 운전상태로 전환되는 데 걸리는 가열시간을 단축하거나 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 가동 방법에 대한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 초기에 연료 전지 가열에 소모되는 에너지를 감소시켜 전체 구동 과정에서의 에너지 효율을 증가시키기 위해서, MCFC나 SOFC와 같은 고온 연료 전지를 선박 보조 동력원으로 적용한 선박에서 폐열을 이용하여 연료 전지 예열을 목적으로 한다.
이를 위해서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은, 도 1을 참조하면, 열매체 공급부(100), 열교환기(200), 비활성기체 저장부(300) 및 연료 전지 스택(400)을 포함할 수 있다. 이 때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지 스택(400)에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부(500)를 더 포함할 수 있다.
열매체 공급부(100)는 고온의 열매체를 열교환기(200)에 공급한다. 연료 전지 스택(400)의 예열에 필요한 고온의 열매체를 선박 내에서 공급할 수 있다. 예를 들면, 고온의 열매체는 수증기를 사용할 수 있다. 이러한 고온의 수증기는 주 보일러(Main Boiler), 보조 보일러(Aux Boiler) 및 복합 보일러(Composite Boiler)와 같은 보일러 및 이코노마이저(Economizer) 등에서 공급받을 수 있다.
한편, 열교환기(200)는 열매체 공급부(100)로부터 고온의 열매체를 공급받아 비활성기체에 고온의 열을 전달한다.
한편, 비활성기체 저장부(300)는 고온의 비활성기체를 열교환기(200)로부터 공급받아 저장하고 연료 전지 스택(400)으로 고온의 비활성기체를 공급한다. 또한, 비활성기체 저장부(300)는 저온의 비활성기체를 열교환기(200)에 전달하여 비활성기체가 다시 가열되게 할 수 있다. 열교환기(200)에 전달되어 온도가 상승한 비활성기체는 다시 비활성기체 저장부(300)로 전달되고, 비활성기체 저장부(300)에 있는 비활성기체와 혼합되게 된다. 이때, 비활성기체 저장부(300)에 있는 비활성기체의 온도가 일정한 온도 이상일 경우, 연료전지스택으로만 비활성기체가 공급되고 비활성기체가 열교환기(200)로 전달되어 가열되지 않도록 하는 제어부(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 제어부는 비활성기체 저장부(300) 내부의 비활성기체가 기 설정된 온도 이상으로 가열되면, 상기 열교환기(200)로의 비활성기체 공급을 차단하고, 상기 연료전지스택으로만 비활성기체를 공급하도록 하여 비활성기체가 필요 이상으로 온도 상승되는 것을 방지한다. 이를 위해 비활성기체 저장부(300) 내부에는 비활성기체의 공급방향을 조절할 수 있는 밸브(미도시)가 설치되어 있을 수 있다.
연료 전지 스택(400)을 고온으로 유지하기 위한 가스로는 애노드의 촉매를 산화시키지 않는 모든 유체가 가능하며, 주로 비활성기체가 활용될 수 있다. 예를 들면, 비활성기체는 질소가스 또는 이산화탄소 가스를 사용할 수 있다.
한편, 연료 전지 스택(400)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 분리판(410), 캐소드(420), 전해질(430), 애노드(440), 직접 내부 개질기(450) 및 간접 내부 개질기(460)를 포함할 수 있다.
연료 전지 스택(400)은 비활성 기체가 공급되어 예열 되지 않을 때에는 정상적으로 수소를 포함하는 연료가스와 산소를 포함하는 공기를 공급받아 전기를 생산한다. 이 때, 연료가스는 외부 개질기(도면 미도시)에서 애노드(440)로 공급될 수도 있고, 직접 내부 개질기(DIR, 450) 및 간접 내부 개질기(IIR, 460)에서 개질되어 연료가스가 애노드(440)로 공급될 수 있다.
직접 내부 개질기(450)에서는, 개질 촉매가 연료가스를 연료 전지 스택(400)의 애노드(440)로 직접 전달하는 연료 전지 스택(400)의 애노드(440)의 통로에, 예를 들면 애노드(440)와 직접 소통하는 통로에 위치하게 된다. 이러한 직접 내부 개질기(450)는 개질반응으로 발생된 수소 가스를 함유한 연료가스를 애노드(440)에 직접 제공하는 장점이 있다.
간접 내부 개질기(460)에서는, 개질 촉매가 애노드(440)와 직접 소통하는 통로와 격리된 연료 전지 스택(400) 내의 챔버(Chamber) 또는 통로에 배치될 수 있다. 간접 내부 개질기(460)를 통과한 개질된 연료가스가 전기화학적 반응을 위해 애노드(440)와 연결된 통로로 보내진다. 간접 내부 개질기(460)의 장점은, 개질 촉매가 분리된 챔버 또는 통로에 위치하므로, 개질 촉매가 연료전지 전해질에 의해 파괴되는 것을 보호할 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택이 작동하지 않을 때에는, 연료 전지 스택이 비활성기체 저장부(300)로부터 고온의 비활성 기체를 공급받아 예열된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택이 예열되는 과정을 좀 더 상세히 설명하면, 먼저, 연료 전지 스택이 정상적으로 작동하고 있는 도중에 연료 전지 시스템이 사용자가 미리 설정한 가동 중지 조건이 되면, 비활성기체 저장부가 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택에 공급한다. 이 때 가동 중지 조건은, 예를 들면, 환경 규제에 대한 대응이 필요 없을 때를 위한 운전 조건일 수 있다.
연료 전지 스택(400) 내로 공급된 고온의 비활성기체 중 일부는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 간접 내부 개질기(460), 직접 내부 개질기(450) 및 애노드(440)를 거쳐 열교환기(200)로 회수된다. 또한 나머지 일부는 캐소드(420)를 거쳐 열교환기(200)로 회수된다.
다음으로, 고온의 비활성기체가 연료 전지 스택 내부에 공급되면 비활성기체의 압력이 증가하게 된다. 비활성기체의 압력이 연료 전지 스택 내 미리 설정한 비활성기체의 압력 조건을 만족하면, 연료 전지 스택으로의 연료 가스 공급을 중단한다. 연료가스가 연료 전지 스택으로 공급이 중단되어 전력생산은 중단되게 되고 고온의 비활성기체에 의해서 연료 전지 스택(400)이 예열 된다.
이때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지 스택(400)은 연료 가스의 공급을 제어하기 위하여, 연료 전지 스택(400) 내부의 압력 및 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서부(도면 미도시) 및 센서부의 신호를 받아 연료가스의 공급을 제어하는 제어부(도면 미도시)를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 앞서 설명한 비활성기체의 공급방향을 조절하는 제어부와 일체화되어 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 별도의 제어부로 구성될 수도 있다.
연료 전지 시스템의 가동 중지 조건과 관련하여 좀 더 상세하게 설명하면, 선박의 주 전력은 디젤 발전기이고 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)은 보조 전력으로 사용될 수 있다. 최근 환경 규제에 따라 선박이 항해하는 곳 중 일부에서 배기가스나 분진 등의 발생이 제한될 수 있다. 이때, 환경 규제에 따라 배기가스나 분진 등의 발생이 제한되는 곳을 빠져나갔을 때를 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가동 중지 조건으로 설정할 수 있다.
이러한 환경 규제가 실시되는 지역의 위치와 GPS등으로부터 항해하는 선박의 현재 위치를 알아내어 항해하는 선박이 환경 규제가 실시되는 지역을 빠져나갔는지를 알 수 있다. 환경 규제가 실시되는 지역은 데이터베이스에 미리 저장될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 가동 중지 조건은 미리 저장된 환경 규제를 벗어나는 위치까지의 탈출항해시간으로 설정할 수 있다. 예를 들면, 선박이 환경 규제에 따라 배기가스나 분진 등이 발생이 제한되는 곳으로부터 벗어나기 위한 탈출항해시간과 비활성 기체의 가열 시간 및 고온의 비활성 기체가 연료전지 스택을 가열하기 위한 시간을 비교하여 가동 중지 조건을 설정할 수 있다. 탈출항해시간은 GPS로부터 전달받은 선박의 위치로부터 환경 규제를 벗어나는 위치까지의 최단거리를 선박의 항해 속도로 나눌 수 있다.
또한, 선박의 전력관리부 등에서 디젤 발전기에서 생산되는 전력의 양이 충분하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 중단시킬 필요가 있는 때를 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가동 중지 조건으로 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 선박 내에 설치되어 가동될 때, 선박의 운전모드에 따라 전력수요가 달라지고 그 수요에 따라 부하량을 변경할 수 있다. 예를 들면, 디젤발전기에서 생산되는 전력의 양이 충분하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템에 따른 발전량이 필요 없을 때, 연료 전지 스택(400) 내로 고온의 비활성기체를 공급할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건이 되었을 때에 연료 가스를 연료 전지 스택(400)에 공급한다. 여기에서 가동 시작 조건은 환경 규제에 대응이 필요할 때, 즉 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 가동이 필요할 때가 가동 시작 조건일 수 있다.
다음으로, 연료 전지 스택(400) 내 미리 설정한 연료가스의 압력 조건을 만족하면, 연료 전지 스택(400)으로의 비활성기체의 공급을 중단한다.
가동 시작 조건을 좀 더 상세하게 설명하면, 환경 규제에 따라 배기가스나 분진 등의 발생이 제한되는 곳으로 선박이 들어가기까지의 항해시간을 가동 시작 조건으로 설정할 수 있다.
이러한 환경 규제가 실시되는 지역의 위치와 GPS등으로부터 항해하는 선박의 현재 위치를 알아내어 항해하는 선박이 환경 규제가 실시되는 지역과의 최단 거리를 알아내어 현재의 선박의 항해 속도로 나누면 환경 규제가 실시되는 지역까지의 항해시간을 알 수 있다. 이때, 항해시간이 가동 시작 조건보다 작으면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 연료가스를 연료 전지 스택(400)으로 공급할 수 있다. 예를 들면, 선박이 환경 규제에 따라 배기가스나 분진 등이 발생이 제한되는 곳으로 선박이 들어가기 위한 항해시간과 연료가스를 연료 전지 스택(400)으로 공급하기 위한 시간을 비교하여 가동 시작 조건을 설정함으로써 가동 준비 시간을 확보할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 미리 저장된 환경 규제가 실시되는 지역의 위치까지의 항해시간이 미리 설정한 일정한 시간보다 작은 것으로 가동 시작 조건을 설정할 수 있다. 항해시간은 GPS로부터 전달받은 상기 선박의 위치로부터 환경 규제가 실시되는 지역의 위치까지의 최단거리를 선박의 항해 속도로 나누어서 구할 수 있다.
또한, 선박에서 생산되는 전력관리부 등에서 디젤 발전기에서 생산되는 전력의 양이 부족하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 가동할 필요가 있는 때를 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가동 시작 조건으로 설정할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 여러 가지 운전 조건에 따라 연료 전지 스택을 쉽게 가동 중지했다가 다시 가동할 수 있고, 다시 작동할 때 오랜 시간 동안 가열해 줄 필요가 없다. 따라서, 연료 전지 스택을 가동하기 위해 가열하는 시간을 줄여 부하추종을 쉽게 하고 가열하는 열원으로 폐열을 활용함으로써 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 효율을 높일 수 있다. 또한, 연료 전지 스택을 안정적인 상태로 가동할 수 있어 수명 단축의 발생 가능성을 줄일 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 가동 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 가동 방법에 대한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 전지 시스템 가동 방법은 비활성기체 공급 단계(S110), 연료가스 공급 중단 단계(S120), 연료가스 공급 단계(S130) 및 비활성기체 공급 중단 단계(S140)를 포함할 수 있다.
비활성 기체 공급 단계(S110)에서는 연료 전지 스택(400)이 가동되어 정상적으로 전력을 생산하는 과정에서 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건이 되었을 경우에 또는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 가동을 위하여 고온의 비활성기체를 사용하여 연료 전지 스택에 대한 예열이 필요할 경우에, 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택(400)에 공급한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건이 되어 연료 전지 스택(400)의 가동을 중단하기 위하여 연료가스의 공급이 중단되기 시작할 때, 고온의 열매체를 공급받은 열교환기(200)가 비활성기체 저장부(300)로부터 저장되어 있는 비활성기체를 전달받아 고온으로 비활성기체를 가열한다(①). 가동 중지 조건은 위에서 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
가열된 비활성기체는 비활성기체 저장부(300)로 다시 공급되고 이런 순환에 의해서 비활성기체가 가열되어 정적 온도에 이르게 되면 이때부터 비활성기체 저장부가 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택(400)의 캐소드(Cathode, 420)와 애노드(Anode, 440)쪽으로 공급한다(②).
이 때, 연료 전지 스택(400)으로 공급된 비활성기체의 일부는 애노드(440)에 이르기 전에 간접 내부 개질기(IIR, 460) 및 직접 내부 개질기(DIR, 450)를 통과한다(③-2). 연료 전지 스택(400)으로 공급된 비활성기체의 나머지는 캐소드를 통과한다(③-1). 여기에서, 비활성기체를 이용하는 것은 산소에 의해 애노드(440)의 촉매가 산화되는 것을 방지하기 위해서이다.
비활성기체는 연료 전지 스택(400)을 통과하여 온도가 낮아지나 다시 열교환기(200)에 의해 가열되어 순환하여 연료 전지 스택(400)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다(④-1,④-2). 이때, 연료 전지 스택(400)의 온도를 일정하게 유지하기 위해 연료 전지 스택(400)으로 공급되는 가열된 비활성기체의 공급량을 일정하게 유지할 수 있고, 또한, 비활성기체의 온도를 계측하여 비활성기체의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 비활성기체가 가열되어 정적 온도에 이르게 되었을 때, 연료 전지 스택(400)으로의 연료가스의 공급을 중단한 후에 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택(400)에 공급할 수도 있다.
한편, 연료가스 공급 중단 단계(S120)는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건에서 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택(400)에 공급하기 시작하여 연료 전지 스택(400) 내에 존재하는 비활성기체의 압력이 미리 설정한 비활성 기체의 압력 조건을 만족하면 연료 전지 스택(400)으로의 연료 가스 공급을 중단한다. 이 경우, 연료 전지 스택(400) 내부에 연료가스가 남아 있어도 비활성기체와는 반응이 일어나지 않는다.
한편, 연료가스 공급 단계(S130)에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건일 경우에 연료 가스를 연료 전지 스택에 공급한다. 가동 시작 조건은 위에서 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 비활성기체 공급 중단 단계(S140)에서는 연료 전지 스택(400) 내 공급된 연료가스의 압력이 미리 설정한 연료 가스의 압력 조건을 만족할 때, 연료 전지 스택(400)으로의 비활성 기체의 공급을 중단한다.
다음으로 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박에 대한 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박(900)은 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)을 구비하며, LNG가 기화된 증발가스를 공급하는 LNG 저장 탱크(910), 증발가스를 연소시켜 발생된 열로 청수를 가열하여 수증기를 생성하는 증발가스 연소기(940) 및 수증기 저장부(930)를 포함할 수 있다. 이 때, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박은 재액화부(920)를 더 포함할 수 있다.
LNG 저장 탱크(910)의 내부에 저장된 LNG가 기화하여 증발가스가 발생되며, 이와 같은 증발 가스는 LNG 저장 탱크 외부로 배출된 후 증발가스 연소기(940)에서 연소되거나, 재액화부(920)에서 재액화되어 다시 LNG 저장 탱크 내부에 저장될 수 있다. 이 때, 본 실시예에서는 LNG 저장 탱크 외부로 배출된 증발가스를 연소시킬 때 발생된 열로 선박 내부의 청수를 가열하여 수증기를 생성하고, 이를 수증기 저장부(930)에 저장할 수 있다. 그리고 수증기 저장부(930)에 저장된 수증기를 연료 전지 시스템(10)의 열매체 공급부에 공급할 수 있다. 또한, LNG 저장 탱크(910)의 NG 또는 LNG를 앞서 설명한 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)에 공급할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 전지 시스템이 선박 내부에서 작동할 때 이상과 같이, LNG 저장 탱크(910)에서 발생되는 증발가스를 연소시켜 발생된 열로 청수를 가열하여 발생된 수증기를 본 발명의 제 3 실시예에 따른 선박에 설치되는 연료 전지 시스템(10)의 열매체 공급부에 공급함으로써 연료 전지 시스템의 작동 효율을 보다 높일 수 있다.
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 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
10 : 연료 전지 시스템 100 : 열매체 공급부
200 : 열교환기 300 : 비활성기체 저장부
400 : 연료 전지 스택 410 : 분리판
420 : 캐소드 430 : 전해질
440 : 애노드 450 : 직접 내부 개질기
460 : 간접 내부 개질기 500 : 연료가스 공급부
900 : 선박 910 : LNG 저장 탱크
920 : 재액화부 930 : 수증기 저장부
940 : 증발가스 연소기

Claims (16)

  1. 선박에 설치되는 연료 전지 시스템으로서,
    고온의 열매체를 공급하는 열매체 공급부;
    상기 열매체 공급부로부터 공급된 상기 고온의 열매체로부터 비활성기체에 고온의 열을 전달하는 열교환기;
    고온의 상기 비활성기체를 공급받아 예열되는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급부; 및
    상기 열교환기로부터 고온의 상기 비활성기체를 공급받아 저장하고 상기 연료 전지 스택으로 고온의 상기 비활성기체를 공급하는 비활성기체 저장부를 포함하되,
    상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우에 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열매체 공급부는 선박의 이코노마이저 및 보일러 중 어느 하나 이상을 포함하고,
    상기 고온의 열매체는 상기 선박의 이코노마이저 및 보일러 중 어느 하나 이상에서 공급되는 수증기인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비활성 기체는 질소 가스 또는 이산화탄소 가스를 포함하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은 캐소드, 전해질, 애노드, 직접 내부 개질기 및 간접 내부 개질기를 포함하고,
    상기 비활성기체는 상기 간접 내부 개질기, 상기 직접 내부 개질기 및 상기 애노드를 거쳐 순환되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은,
    상기 연료 전지 스택 내부의 압력 및 온도 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서부 및 상기 센서부의 신호를 받아 연료가스 및 고온의 상기 비활성기체 중 어느 하나 이상의 공급을 제어하는 제어부를 더 포함하는 연료 전지 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 비활성 기체의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 연료 가스 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가동 중지 조건은,
    미리 저장된 환경 규제를 벗어나는 위치까지의 탈출항해시간과 고온의 상기 비활성 기체가 상기 연료 전지 스택을 가열하기 위한 시간을 비교하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건일 경우에 연료 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 연료 가스의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로 고온의 상기 비활성 기체의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 가동 시작 조건은,
    미리 저장된 환경 규제가 적용되는 위치까지의 항해시간과 상기 연료가스를 상기 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 시간을 비교하여 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지 시스템을 예열하는 연료 전지 시스템 가동 방법으로서,
    (a) 고온의 비활성기체를 연료 전지 스택에 공급하는 단계;
    (b) 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 시작 조건일 경우에 연료 가스를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 단계;
    (c) 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 연료 가스의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 상기 비활성 기체의 공급을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 가동 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우 연료 전지 스택으로의 상기 연료 가스의 공급을 중단하고 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 가동 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 상기 연료 전지 스택 내 미리 설정한 상기 비활성 기체의 압력 조건을 만족할 때, 상기 연료 전지 스택으로의 연료 가스 공급을 중단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (a) 단계는 상기 연료 전지 시스템이 미리 설정한 가동 중지 조건일 경우에 고온의 상기 비활성기체를 상기 연료 전지 스택에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템 가동 방법.
  15. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템을 구비한 선박.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 선박은,
    LNG 저장탱크 외부로 배출된 증발가스를 연소시켜 상기 선박 내부의 청수를 가열하여 수증기를 생성하는 증발가스 연소기 및
    상기 증발가스 연소기로부터 상기 수증기를 전달받아 저장하고 상기 연료 전지 시스템에 상기 수증기를 공급하는 수증기 저장부를 포함하는 선박.
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