KR101359950B1 - Fuel Supply System In Ship Loaded Fuel Cell - Google Patents

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Abstract

연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템은, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서, 선체에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크; 선체에 마련되며, 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 연료 전지 유닛; 및 저장 탱크에서 공급받은 액화천연가스가 중압 상태로 저장되어, 연료 전지 유닛에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 연료 전지 유닛으로 공급하는 중압 버퍼 유닛을 포함한다.A fuel cell system of a fuel cell mounted vessel is disclosed. A fuel cell system of a fuel cell equipped ship of the present invention is a power operation system of a liquefied natural gas carrier, the storage tank is provided in the hull and the liquefied natural gas (LNG) is stored therein; A fuel cell unit provided in the hull and using a boil-off gas generated from a storage tank as a fuel; And a medium pressure buffer unit configured to store the liquefied natural gas supplied from the storage tank in a medium pressure state and supply the stored liquefied natural gas to the fuel cell unit when the supply of the fuel supplied to the fuel cell unit is stopped.

Description

연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템{Fuel Supply System In Ship Loaded Fuel Cell}Fuel Supply System In Ship Loaded Fuel Cell}

본 발명은 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스의 일부를 중압 상태로 저장해두었다가 연료 전지 유닛에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 연료 전지 유닛으로 공급하는 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system of a ship equipped with a fuel cell, and more particularly, to store a part of the liquefied natural gas in a medium pressure state and to store the liquefied natural gas stored at the time of supply of fuel supplied to the fuel cell unit as the fuel cell unit. The present invention relates to a fuel cell system of a ship equipped with fuel cells.

연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대된다.A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of reactants (hydrogen and oxygen) directly into electrical energy by an electrochemical reaction, and is excellent in environmental harmony and high power generation efficiency is expected.

이러한 연료전지는 저온형과 고온형으로 분류되며, 고온형의 대표적인 예로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지가 있다.Such fuel cells are classified into a low-temperature type and a high-temperature type, and representative examples of the high-temperature type include a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a solid oxide fuel cell.

고온형 연료전지의 특징을 간략히 살펴보면, MCFC의 경우 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며, 연소과정 없이 650℃ 내외의 고온에서 연료를 바로 전기로 바꾸는 전기화학 반응에 의하여 전기를 생산하는 방식이다.The characteristics of the high temperature type fuel cell can be summarized as follows. MCFC can use various kinds of fuels such as natural gas and coal gas. It can produce electricity by electrochemical reaction that converts fuel directly into electricity at about 650 ° C without combustion process. .

고체산화물 연료전지의 경우는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 다양한 연료의 사용과 1000℃ 이상의 고온에서 작동하므로, 연료전지의 후단에서 발생하는 고온 고압의 스팀을 이용하여 복합발전이 가능하다.In the case of a solid oxide fuel cell, it operates at a high temperature of 1000 ° C or higher and uses a variety of fuels such as natural gas, coal gas, and methanol. Therefore, combined power generation using high temperature and high pressure steam generated at the rear end of the fuel cell is possible.

또한, 연소과정이 없고 연료에서 전기로 직접 발전되는 관계로 소음 및 대기오염 물질 배출이 적어 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.In addition, since there is no combustion process and electricity is generated directly from fuel, it is attracting attention as next generation power generation because there is little noise and air pollutant emission.

이러한 MCFC의 단위셀(unit cell)은, 전기화학 반응이 일어나는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)와, 연료가스와 산화제 가스의 유로를 형성하는 분리판과, 전하를 포집하는 집전판과, 적층의 편의를 위해 시트의 형태로 제작되는 전해질판과, 용융된 탄산염을 수용하는 매트릭스로 구성되며, 애노드로 연료가스를 공급하고 캐소드로 산화제 가스를 공급하면 각각의 전극에서 전기 화학 반응이 발생하여 직류 전력이 얻어지게 된다.The unit cell of such an MCFC includes an anode and a cathode at which an electrochemical reaction takes place, a separator for forming a flow path for a fuel gas and an oxidant gas, a collecting plate for collecting charges, An electrolyte plate made in the form of a sheet and a matrix for accommodating the molten carbonate for the sake of convenience. When the fuel gas is supplied to the anode and the oxidant gas is supplied to the cathode, an electrochemical reaction occurs at each electrode, Power is obtained.

도 1은 이러한 연료전지를 LNG 선박에 적용한, 종래의 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing an example of a fuel cell system of a conventional fuel cell-equipped ship to which such a fuel cell is applied to an LNG carrier.

먼저 연료 전지(13)로 정상적으로 증발가스가 공급되는 상태를 설명한다. 저장탱크에서 생성된 증발가스는 연결유로(L2)를 통해 가습기(11)로 공급된다. 이와 동시에 증발가스는 압축기(21)를 통해 압축된 후 냉각기(22)를 거쳐 증발가스 저장탱크(23)에 저장되며, 증발가스 저장탱크(23)에 저장된 증발가스는 밸브의 잠김으로 가습기(11)로 공급되지 않는다.First, a state in which the evaporative gas is normally supplied to the fuel cell 13 will be described. The boil-off gas generated in the storage tank is supplied to the humidifier 11 through the connection flow path L2. At the same time, the evaporation gas is compressed through the compressor 21 and then stored in the evaporation gas storage tank 23 via the cooler 22. The evaporation gas stored in the evaporation gas storage tank 23 is supplied to the humidifier 11 .

가습기(11)로 공급된 증발가스는 가습기(11)에서 기화되는 액체와 혼합되어 습분 증발가스가 된다. 습분 증발가스는 개질기(12)로 공급되어 개질기(12)에서 수소와 이산화탄소로 개질되며, 개질된 수소와 이산화탄소는 연료 전지(13)로 공급된다.The evaporated gas supplied to the humidifier 11 is mixed with the liquid vaporized in the humidifier 11 to become a wet evaporated gas. The moisture evaporated gas is supplied to the reformer 12, reformed into hydrogen and carbon dioxide in the reformer 12, and the reformed hydrogen and carbon dioxide are supplied to the fuel cell 13.

연료 전지(13)의 애노드는 수소와 이산화탄소를 공급받아 송풍기(14) 및 공기히터(15)를 통해 캐소드로 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용하여 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시킨다.The anode of the fuel cell 13 receives hydrogen and carbon dioxide and acts on the oxidizing gas containing oxygen supplied to the cathode through the blower 14 and the air heater 15 to generate electricity by an electrochemical reaction.

한편 연결유로(L2)를 통해 증발가스의 공급이 중단되는 경우 센서(24)는 이를 인식하여 제어부에 신호를 보낸다. 대표적으로 LNG의 Loading 및 Unloading 작업이 있는 경우 Cargo Operation Manual에 따라 LNG Loading 및 Unloading에 필요한 배관 및 장비를 제외한 LNG 저장탱크와 연결되는 모든 장치 및 배관들은 잠기게 되며 이때 연료전지로 공급되는 LNG 및 BOG 라인이 잠기게 되며, 증발가스 공급이 중단된다. 이러한 때에 제어부에서는 전술한 신호를 기초로 버퍼연결유로에 마련된 밸브를 개방시키고, 증발가스 저장탱크(23)에 저장된 증발가스는 레귤레이터(25)와 히터(26)를 거쳐 온도와 압력이 조절된 후 가습기(11)로 공급된다. 가습기(11)로 공급된 증발가스는 전술한 바와 같이 가습기(11) 및 개질기(12)를 거친 후 연료 전지(13)의 연료로 사용된다.On the other hand, when the supply of the boil-off gas through the connection passage (L2) is stopped, the sensor 24 recognizes this and sends a signal to the controller. Typically, when loading and unloading of LNG is carried out, all equipment and piping connected to LNG storage tank except piping and equipment for LNG loading and unloading are locked according to Cargo Operation Manual, and LNG and BOG The line is locked, and the evaporation gas supply is stopped. At this time, the control unit opens the valve provided in the buffer connection channel based on the above-mentioned signal, and the evaporation gas stored in the evaporation gas storage tank 23 is regulated in temperature and pressure through the regulator 25 and the heater 26 And is supplied to the humidifier 11. The evaporated gas supplied to the humidifier 11 is used as fuel for the fuel cell 13 after passing through the humidifier 11 and the reformer 12 as described above.

이러한 종래의 연료전지시스템의 버퍼연료시스템은 LNG 운반선 운항 중 발생하는 증발가스(BOG)를 압축 저장해두고 저장탱크로부터의 연료 공급 중단시 저장된 증발가스를 연료전지에 공급함으로써 연료전지시스템을 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있었으나, 200bar 이상의 고압으로 증발가스를 저장함으로써 선박의 고압규정에 따라 선내 배치가 매우 제한적이었다. 또한 고압 압축기, 고압 탱크, 안전 설비 등 고압의 증발가스 저장을 위한 부가 장비들이 많이 구비됨으로써 설치 비용이 비싸고, 고압의 가스 저장에 따른 위험도 문제되었다.
The buffer fuel system of the conventional fuel cell system compresses and stores boil-off gas (BOG) generated during the operation of LNG carriers, and continuously supplies the boil-off gas to the fuel cell when the fuel supply from the storage tank is stopped. It was possible to operate it, but by storing the boil-off gas at a high pressure of 200 bar or more, the arrangement of the ship was very limited according to the high pressure regulation of the ship. In addition, the installation of the high pressure compressor, high pressure tank, safety equipment, such as high-pressure evaporative gas storage is provided with a lot of expensive installation costs, the risk of the high-pressure gas storage problem.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연료 전지에 공급되는 연료의 공급이 중단된 경우에도 연료 전지의 작동 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있는 선박용 연료 전지의 버퍼가스 유닛을 확보하면서, 선내 배치가 어렵고 장비로 인한 설비의 비용이 많이 필요한 종래의 문제점을 해결하고자 한다.It is an object of the present invention to provide a buffer gas unit for a marine fuel cell which can be continuously operated without stopping the operation of the fuel cell even when the supply of fuel to the fuel cell is interrupted, To solve the conventional problems that require a large amount of equipment cost.

본 발명의 일 측면에 의하면, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서,According to an aspect of the present invention, as a power operation system of a liquefied natural gas carrier,

선체에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크;A storage tank provided in the hull and storing liquefied natural gas (LNG) therein;

상기 선체에 마련되며, 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 연료 전지 유닛; 및A fuel cell unit provided in the hull and using a boil-off gas generated in the storage tank as a fuel; And

상기 저장 탱크에서 공급받은 액화천연가스가 중압 상태로 저장되어, 상기 연료 전지 유닛에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 상기 액화천연가스를 상기 연료 전지 유닛으로 공급하는 중압 버퍼 유닛을 포함하는 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템이 제공된다.Liquefied natural gas supplied from the storage tank is stored in a medium pressure state, the fuel cell mounting comprising a medium-pressure buffer unit for supplying the liquefied natural gas stored when the supply of the fuel supplied to the fuel cell unit to the fuel cell unit A fuel cell system of a ship is provided.

상기 중압 버퍼 유닛은 상기 선체에 마련되며 상기 저장탱크에서 공급되는 상기 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프와, 상기 펌프에서 이송된 상기 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압탱크와, 상기 중압탱크에 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기와, 상기 기화기와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 버퍼 연결 유로에 마련되며 상기 버퍼 연결 유로를 개폐하는 밸브를 포함할 수 있다.The medium pressure buffer unit is provided in the hull and pumps the liquefied natural gas supplied from the storage tank to transfer to a medium pressure state, a medium pressure tank for storing the medium pressure liquefied natural gas transferred from the pump, and It may include a vaporizer for vaporizing the liquefied natural gas of the medium pressure stored in the medium pressure tank, and a valve provided in the buffer connection flow path connecting the carburetor and the fuel cell unit and opening and closing the buffer connection flow path.

상기 중압 버퍼 유닛은 상기 중압탱크에서 발생하는 버퍼 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.The medium pressure buffer unit may further include a heat exchanger for liquefying the buffer boil-off gas generated in the medium pressure tank by heat exchange with the liquefied natural gas supplied from the storage tank.

상기 열교환기를 통과한 액화천연가스는 상기 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 상기 연료 전지 유닛으로 도입되고, 액체 상태인 경우 상기 저장탱크로 회수될 수 있다.The liquefied natural gas passing through the heat exchanger may be introduced into the fuel cell unit when evaporated by heat exchange with the buffer boil-off gas, and may be recovered to the storage tank in the liquid state.

상기 중압 버퍼 유닛은, 상기 저장탱크와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 연결 유로에 마련되어 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스가 상기 연결 유로로 공급되는지 여부를 감지하는 센서와, 상기 센서로부터 감지된 신호에 의해 상기 밸브를 개폐하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The medium pressure buffer unit may include a sensor provided in a connection flow path connecting the storage tank and the fuel cell unit to detect whether boil-off gas generated in the storage tank is supplied to the connection flow path, and a signal detected from the sensor. It may further include a control unit for opening and closing the valve.

상기 연료 전지 유닛은 상기 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛에서 공급되는 상기 증발가스를 가습시키는 가습기와, 상기 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기와, 애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지와, 외부의 공기를 상기 연료 전지로 공급시키는 송풍기와, 상기 송풍기를 통해서 상기 연료전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함할 수 있다.
The fuel cell unit includes a humidifier for humidifying the boil-off gas supplied from the storage tank or the medium pressure buffer unit, a reformer for reforming the boil-off gas into hydrogen and carbon dioxide, and the hydrogen and carbon dioxide and cathode supplied to the anode. A fuel cell for generating electricity by an electrochemical reaction of the supplied oxygen, a blower for supplying external air to the fuel cell, and an air heater for heating the air supplied to the fuel cell through the blower Can be.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 선체에 마련되며 액화천연가스가 저장된 저장탱크에서 공급되는 증발가스를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서, According to another aspect of the present invention, in the fuel supply method of the fuel cell for ships using the boil-off gas provided in the hull and stored in a storage tank in which liquefied natural gas is stored,

상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 상태로 저장해두었다가, 연료 전지에 공급되는 상기 증발가스의 공급중단시 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료전지를 정지 없이 가동되게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법이 제공된다.A portion of the liquefied natural gas stored in the storage tank is stored at a medium pressure state, and when the supply of the boil-off gas supplied to the fuel cell is stopped, the medium-pressure liquefied natural gas stored in the storage tank is vaporized and supplied to the fuel cell to stop the fuel cell. Provided is a fuel supply method of a fuel cell equipped ship, characterized in that it is operated without.

본 발명의 실시예들은, 연료 전지에 공급되는 연료의 공급이 중단된 경우에도 연료 전지의 작동 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있어 연료 전지의 가용성을 향상시킬 수 있으며, 중압 상태로 액화천연가스를 저장해두므로 선박의 고압규정을 따르지 않아 선내 배치가 비교적 자유롭고, 부가적인 장비 설치에 따른 비용도 줄일 수 있다.Embodiments of the present invention can continue to operate without stopping the fuel cell even when the supply of fuel to the fuel cell is stopped, thereby improving the availability of the fuel cell, and stores the liquefied natural gas at medium pressure As a result, the ship's high pressure requirements are not complied with, so the onboard arrangement is relatively free, and the cost of installing additional equipment can be reduced.

도 1은 종래의 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
1 is a view schematically showing an example of a fuel cell system of a conventional fuel cell-equipped ship.
2 is a view schematically showing a fuel cell system of a fuel cell equipped ship according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한다.2 schematically illustrates a fuel cell system of a fuel cell equipped ship according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템은, 액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서, 선체(H)에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장 탱크(100)와, 선체에 마련되며 저장 탱크(100)에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 연료 전지 유닛(200)과, 저장 탱크(100)에서 공급받은 액화천연가스가 중압 상태로 저장되어, 연료 전지 유닛(200)에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 액화천연가스를 연료 전지 유닛(200)으로 공급하는 중압 버퍼 유닛(300)을 포함한다.As shown in FIG. 2, the fuel cell system of the fuel cell equipped ship of this embodiment is a power operation system of a liquefied natural gas carrier, which is provided in the hull H and stores liquefied natural gas (LNG) stored therein. The tank 100, the fuel cell unit 200 provided in the hull and using a boil-off gas generated in the storage tank 100 as a fuel, and the liquefied natural gas supplied from the storage tank 100 And a medium pressure buffer unit 300 that is stored at an intermediate pressure state and supplies the liquefied natural gas stored at the time of stopping supply of fuel supplied to the fuel cell unit 200 to the fuel cell unit 200.

액화천연가스 운반선이 운송하는 천연가스의 액화 온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, 온도가 높아지면 쉽게 기화된다. 액화천연가스 운반선은 액화천연가스의 액화상태 유지를 위해 화물창 단열 구조를 갖추고 있으나, 액화천연가스는 저장 탱크(100) 내에서도 지속적으로 자연 기화되기 때문에 상당한 양의 증발가스(BOG)가 발생한다. 이를 수치화하면, 액화천연가스 저장탱크에서 증발가스는 약 0.05 vol%/day가 발생하며, 종래 액화천연가스 운반선의 운항시 시간당 4 내지 6 톤(t), 한번 운항시 약 300톤의 액화천연가스가 증발가스화되어 왔다. 연료전지탑재 선박은 이러한 증발가스를 개질하여 연료전지에 연료로 공급함으로써 선박에 필요한 전기를 공급받을 수 있도록 하는 한편, 고가의 증발가스 재액화장치 설치 비용 부담을 줄인 선박이다. The liquefaction temperature of the natural gas transported by the liquefied natural gas carrier is very low at about -163 ° C at normal pressure, so it evaporates easily when the temperature rises. The LNG carrier has a cargo hold insulation structure to maintain the liquefied state of the liquefied natural gas, but since the liquefied natural gas is continuously natural vaporized even in the storage tank 100, a considerable amount of BOG is generated. In this case, evaporation gas is generated in the liquefied natural gas storage tank at about 0.05 vol% / day. In the conventional liquefied natural gas carrier, 4 to 6 tons / hour (t) Has been evaporated and gasified. A fuel cell-equipped vessel is a vessel that reforms the evaporated gas and supplies the fuel cell with fuel so as to receive electricity required for the vessel, while reducing the cost of installing an expensive evaporative gas reliquefaction device.

중압 버퍼 유닛(300)은 선체에 마련되며 저장탱크(100)에서 공급되는 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프(310)와, 펌프(310)에서 이송된 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압탱크(320)와, 중압탱크(320)에 저장된 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기(330)와, 기화기(330)와 연료 전지 유닛(200)을 연결하는 버퍼 연결 유로(B)에 마련되며 버퍼 연결 유로(B)를 개폐하는 밸브(340)를 포함한다.The medium pressure buffer unit 300 is provided in the hull and pumps the liquefied natural gas supplied from the storage tank 100 to be transferred to the medium pressure state, and the medium pressure liquefied natural gas transferred from the pump 310 is stored. In the medium pressure tank 320, the vaporizer 330 for vaporizing the medium pressure liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320, and the buffer connection flow path (B) connecting the vaporizer 330 and the fuel cell unit 200 It is provided and includes a valve 340 for opening and closing the buffer connection flow path (B).

본 실시예는 저장탱크(100)에 저장된 액화천연가스 일부를 펌프(310)에서 펌핑하여 5 내지 10 bar, 바람직하게는 5 bar 내외의 중압 상태로 중압탱크(320)에 저장해둔다. 중압탱크(320)에 저장된 액화천연가스는 중압의 액체 상태로 저장되므로, 종래 시스템에서 탱크에 저장된 기체 상태의 증발가스에 비해 부피를 덜 차지하게 된다. 버퍼가스 공급을 위한 탱크의 필요 사이즈를 계산해본 결과 200 bar의 고압가스로 저장하는 경우와 비교해 중압상태의 액체로 저장하는 경우 탱크 사이즈가 약 1/3로 줄어드는 것을 확인하였다. 한정된 선박 공간의 효율적 활용 측면에서 탱크 사이즈의 이러한 감소는 큰 의미가 있다. 또한 중압 상태로 액화천연가스를 저장함으로써 중압탱크(320) 내의 BOG 발생이 상압인 때에 비해 감소되는 효과도 있다. In this embodiment, a portion of the liquefied natural gas stored in the storage tank 100 is pumped by the pump 310 and stored in the medium pressure tank 320 at a medium pressure of about 5 to 10 bar, preferably about 5 bar. The liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320 is stored in the liquid state of the medium pressure, so that the conventional system occupies less volume than the vaporized gas of the gas state stored in the tank. As a result of calculating the required size of the tank for supplying the buffer gas, it was confirmed that the tank size is reduced to about 1/3 when the liquid is stored under the medium pressure state, compared with the case where the high pressure gas is stored at 200 bar. This reduction in tank size is of great significance in terms of efficient utilization of the limited vessel space. In addition, by storing the liquefied natural gas in the medium pressure state, there is an effect that the BOG generation in the medium pressure tank 320 is reduced compared to the normal pressure.

연료 전지 유닛(200)에 저장탱크(100)로부터 증발가스의 공급이 중단되면 중압탱크(320)에 저장된 액화천연가스가 기화기(330)에서 기체 상태로 상 변화되고, 밸브(340)의 개방에 따라 버퍼 연결 유로(B)를 통해 연료 전지 유닛(200)에 연료로 공급된다.When the supply of the boil-off gas from the storage tank 100 to the fuel cell unit 200 is stopped, the liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320 is phase-changed to a gaseous state in the vaporizer 330, and the valve 340 is opened. Accordingly, the fuel is supplied to the fuel cell unit 200 through the buffer connection channel B.

중압 버퍼 유닛(300)은 중압탱크(320)에서 발생하는 증발가스를 저장탱크(100)로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 열교환기(350)를 더 포함한다.The medium pressure buffer unit 300 further includes a heat exchanger 350 for liquefying the boil-off gas generated in the medium pressure tank 320 by heat exchange with the liquefied natural gas supplied from the storage tank 100.

열교환기(350)를 통과한 액화천연가스는 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 연료 전지 유닛(200)으로 도입되고, 액체 상태인 경우 저장탱크(100)로 회수된다.The liquefied natural gas passing through the heat exchanger 350 is introduced into the fuel cell unit 200 when evaporated by heat exchange with the buffer boil-off gas, and is recovered to the storage tank 100 in the liquid state.

중압탱크(320)에는 액화천연가스가 저장되므로, 저장탱크(100)에서와 마찬가지로 자연 기화로 인한 증발가스가 발생한다. 중압탱크(320)에서 발생한 증발가스는 열교환기(350)로 유도되어, 저장탱크(100)에서 공급된 극저온의 액화천연가스와 열교환을 통해 액체로 상변화된 후 중압탱크(320)에 다시 저장된다. 증발가스와의 열교환으로 극저온의 액화천연가스는 기화될 수 있는데, 이러한 경우 도 2에 도시된 바와 같이 유로(a1)를 통해, 저장탱크(100)에서의 연결 유로(F)에 합류되어 연료 전지 유닛(200)에 연료로 공급된다. 열교환 이후에도 액화천연가스가 기화되지않고 액체 상태를 유지하는 경우 유로(a2)를 통해 저장탱크(100)로 보내 저장해둔다. Since the liquefied natural gas is stored in the medium pressure tank 320, the evaporated gas is generated due to natural vaporization as in the storage tank 100. The boil-off gas generated in the medium pressure tank 320 is guided to the heat exchanger 350, is converted into a liquid through heat exchange with the cryogenic liquefied natural gas supplied from the storage tank 100, and then stored in the medium pressure tank 320 again. . The cryogenic liquefied natural gas may be vaporized by heat exchange with the boil-off gas. In this case, as illustrated in FIG. 2, the liquefied natural gas may be joined to the connection flow path F in the storage tank 100 through the flow path a1 and thus the fuel cell. The unit 200 is supplied with fuel. Even after heat exchange, when the liquefied natural gas is not vaporized and remains in a liquid state, the natural gas is stored in the storage tank 100 through the flow path a2.

중압 버퍼 유닛(300)은, 저장탱크(100)와 연료 전지 유닛(200)을 연결하는 연결 유로(F)에 마련되어 저장탱크(100)에서 발생되는 증발가스가 연결 유로로 공급되는지 여부를 감지하는 센서(360)와, 센서(360)로부터 감지된 신호에 의해 밸브(340)를 개폐하는 제어부(미도시)를 더 포함한다.The medium pressure buffer unit 300 is provided in the connection flow path F connecting the storage tank 100 and the fuel cell unit 200 to detect whether or not the evaporated gas generated in the storage tank 100 is supplied to the connection flow path. The sensor 360 may further include a controller (not shown) for opening and closing the valve 340 by a signal sensed by the sensor 360.

센서(360)는 연결 유로(F)의 증발가스 유량을 측정하면서 연료 전지 유닛(200)으로의 연료 공급 여부를 감지하고, 공급 중단이 감지되면 제어부(미도시)를 통해 밸브(340)를 개방하여 중압 탱크로부터 저장된 액화천연가스가 기화기(330)를 거쳐 연료 전지 유닛(200)에 공급된다.The sensor 360 detects whether fuel is supplied to the fuel cell unit 200 while measuring the flow rate of the boil-off gas in the connection flow path F, and when a supply stop is detected, the sensor 360 opens the valve 340 through a controller (not shown). The liquefied natural gas stored from the medium pressure tank is supplied to the fuel cell unit 200 via the vaporizer 330.

중압 버퍼 유닛(300)의 밸브(340)는, 연결유로를 통해 증발가스가 연료 전지로 정상적으로 공급되는 경우 닫혀진 상태에 있어 중압탱크(320)에 저장된 증발가스는 연료 전지로 공급되지 않는다.The valve 340 of the medium pressure buffer unit 300 is in a closed state when the boil-off gas is normally supplied to the fuel cell through the connection channel, so that the boil-off gas stored in the medium pressure tank 320 is not supplied to the fuel cell.

연료 전지 유닛(200)은 저장탱크(100) 또는 중압 버퍼 유닛(300)에서 공급되는 증발가스를 가습시키는 가습기(210)와, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기(220)와, 애노드로 공급되는 수소 및 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지(230)와, 외부의 공기를 연료 전지(230)로 공급시키는 송풍기(240)와, 송풍기(240)를 통해서 연료전지로 공급되는 공기를 가열시키는 공기히터(250)를 포함한다.The fuel cell unit 200 includes a humidifier 210 for humidifying the boil-off gas supplied from the storage tank 100 or the medium pressure buffer unit 300, a reformer 220 for reforming the boil-off gas with hydrogen and carbon dioxide, and an anode. A fuel cell 230 that generates electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and carbon dioxide supplied and oxygen supplied from a cathode, a blower 240 that supplies external air to the fuel cell 230, and a blower 240. It includes an air heater 250 for heating the air supplied to the fuel cell through.

가습기(210)는 연료 전지(230)에 연료로 공급되는 가스(수소 또는 산소)를 가습하여 공급함으로써 연료 전지(230)가 최적의 성능을 발휘하도록 하는 역할을 한다.The humidifier 210 serves to humidify and supply a gas (hydrogen or oxygen) supplied as fuel to the fuel cell 230 so that the fuel cell 230 exhibits optimal performance.

가스는 가습기(210) 및 개질기(220)를 거친 후 연료 전지(230)의 연료로 사용된다. The gas is used as fuel for the fuel cell 230 after passing through the humidifier 210 and the reformer 220.

개질기(220)는, 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 역할을 한다. 구체적으로 공급되는 증발가스는 공급되는 물(순수)과 가습기(210)에서 혼합되어 습분 연료로 상변환 된다.The reformer 220 serves to reform the evaporation gas into hydrogen and carbon dioxide. Specifically, the boil-off gas is mixed with the supplied water (pure water) and the humidifier 210 and phase-converted to the moist fuel.

이후 습분 연료는 개질되며 메탄을 제외한 고 탄화수소(hydrocarbon)가 제거된다. 메탄가스로 개질된 연료가스는 공급되는 열에 의해 이산화탄소와 수소로 개질된다.The wet fuels are then reformed and high hydrocarbons, excluding methane, are removed. The methane gas reformed fuel gas is reformed into carbon dioxide and hydrogen by the supplied heat.

연료 전지 유닛(200)의 연료 전지(230)는, 개질된 수소와 이산화탄소를 애노드(anode)측으로 공급받아 캐소드(cathode)측으로부터 송풍기(240) 및 공기히터(250)를 통해 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 전기 화학 반응을 일으킴으로써 전기를 얻는 역할을 한다.The fuel cell 230 of the fuel cell unit 200 is supplied with the reformed hydrogen and carbon dioxide from the cathode side through the air blower 240 and the air heater 250, And to generate electricity by causing an electrochemical reaction with the oxidizing gas.

즉 연료전지의 애노드측은 적어도 수소를 함유하는 연료 가스를 공급받고, 연료 전지(230)의 캐소드측은 적어도 산소를 함유하는 산화 가스의 공급을 받는다. 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 산화 가스의 산화 환원 반응에 의해 전기를 얻게 된다.That is, the anode side of the fuel cell is supplied with the fuel gas containing at least hydrogen, and the cathode side of the fuel cell 230 is supplied with the oxidizing gas containing at least oxygen. Electricity is obtained by a redox reaction of a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen.

이하에서 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템의 사용 상태를 간략히 설명한다.Hereinafter, a state of use of the fuel cell system of the fuel cell equipped ship according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. 2.

먼저 연료 전지(230)로 정상적으로 증발가스가 공급되는 상태를 설명한다. 저장탱크(100)에서 생성된 증발가스는 연결 유로(F)를 통해 가습기(210)로 공급된다. 이와 동시에 저장탱크(100) 내 액화천연가스 일부는 펌프(310)를 통해 5 bar 내외의 중압 상태로 중압탱크(320)에 저장되며, 중압탱크(320)에 저장된 액화천연가스는 닫혀진 밸브(340)에 의해 연료 전지 유닛(200)으로 공급되지 않는다. 중압탱크(320)에 저장된 액화천연가스에서 발생한 증발가스는 열교환기(350)에서 액화되어 다시 저장되고, 저장탱크(100)로부터 공급받아 열교환에 사용된 액화천연가스는 기화된 경우 연료 전지 유닛(200)에 공급된다. First, a state in which the evaporative gas is normally supplied to the fuel cell 230 will be described. The boil-off gas generated in the storage tank 100 is supplied to the humidifier 210 through the connection flow path (F). At the same time, a portion of the liquefied natural gas in the storage tank 100 is stored in the medium pressure tank 320 at a medium pressure of about 5 bar through the pump 310, and the liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320 is closed the valve 340. ) Is not supplied to the fuel cell unit 200. The evaporated gas generated from the liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320 is liquefied and stored again in the heat exchanger 350, and the liquefied natural gas used for the heat exchange received from the storage tank 100 is vaporized when the fuel cell unit ( 200).

한편 가습기(210)로 공급된 증발가스는 가습기(210)에서 기화되는 액체와 혼합되어 습분 증발가스가 된다. 습분 증발가스는 개질기(220)로 공급되어 개질기(220)에서 수소와 이산화탄소로 개질되며, 개질된 수소와 이산화탄소는 연료 전지(230)로 공급된다.On the other hand, the evaporated gas supplied to the humidifier 210 is mixed with the liquid vaporized in the humidifier 210 to become a wet evaporated gas. The moist evaporative gas is supplied to the reformer 220 and reformed into hydrogen and carbon dioxide in the reformer 220, and the reformed hydrogen and carbon dioxide are supplied to the fuel cell 230.

연료 전지(230)의 애노드는 수소와 이산화탄소를 공급받아 송풍기(240) 및 공기히터(250)를 통해 캐소드로 공급되는 산소를 함유하는 산화 가스와 작용을 일으켜 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시킨다.The anode of the fuel cell 230 receives hydrogen and carbon dioxide and operates with an oxidizing gas containing oxygen supplied to the cathode through the blower 240 and the air heater 250 to generate electricity by an electrochemical reaction.

한편 연결 유로(F)를 통해 증발가스의 공급이 중단되는 경우 센서(360)는 이를 인식하여 제어부(미도시)에 신호를 보낸다. 제어부에서는 전술한 신호를 기초로 버퍼 연결 유로(B)에 밸브(340)를 개방시켜 중압탱크(320)에 저장된 액화천연가스가 기화기(330)를 거쳐 가습기(210)에 공급되도록 한다. 가습기(210)로 공급된 증발가스는 전술한 바와 같이 가습기(210) 및 개질기(220)를 거친 후 연료 전지(230)의 연료로 사용된다.
On the other hand, when the supply of the boil-off gas through the connection flow path (F), the sensor 360 recognizes this and sends a signal to the controller (not shown). The controller opens the valve 340 in the buffer connection flow path B based on the above-described signal so that the liquefied natural gas stored in the medium pressure tank 320 is supplied to the humidifier 210 through the vaporizer 330. The evaporated gas supplied to the humidifier 210 is used as fuel for the fuel cell 230 after passing through the humidifier 210 and the reformer 220 as described above.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료전지 탑재 선박의 연료공급 방법은, 선체에 마련되며 액화천연가스가 저장된 저장탱크(100)에서 공급되는 증발가스를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서, 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 상태로 저장해두었다가, 연료 전지에 공급되는 증발가스의 공급중단시 저장된 중압의 액화천연가스를 기화시켜 연료 전지에 공급하여 연료전지를 정지 없이 가동되게 하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, a fuel supply method of a fuel cell-equipped vessel is provided in a hull and in a fuel supply method of a fuel cell for ships using a boil-off gas supplied from a storage tank 100 in which liquefied natural gas is stored, the storage tank After storing a part of the liquefied natural gas stored in the medium pressure state, when the supply of the boil-off gas supplied to the fuel cell is stopped by vaporizing the stored medium pressure liquefied natural gas, it is characterized in that the fuel cell is operated without stop. do.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시예는 연료 전지에 공급되는 연료의 공급이 중단된 경우에도 버퍼 가스 유닛에 의해 연료 전지의 작동 정지 없이 계속해서 작동시킬 수 있어 연료 전지의 가용성을 향상시킬 수 있고, 중압 상태의 액체로 액화천연가스를 저장해두므로 부피를 덜 차지하여 공간효율을 높일 수 있고, 선박의 고압규정을 따르지 않아 선내 배치가 비교적 자유롭게 된다.As described above, the present embodiment can continuously operate without stopping the fuel cell by the buffer gas unit even when the supply of the fuel supplied to the fuel cell is stopped, thereby improving the availability of the fuel cell. Since liquid liquefied natural gas is stored as a medium pressure liquid, it can occupy less volume and increase space efficiency, and it is relatively free to be placed on board because it does not comply with high pressure regulations of the ship.

또한 고압가스 저장시에 필요했던 고압 압축기, 고압 탱크, 안전 관련 설비 등의 부가적인 장비 설치에 따른 비용을 줄일 수 있고, 고압가스 저장에 따른 폭발위험성도 낮아지므로 안전한 LNG선박 연료전지 시스템을 구현할 수 있다.
In addition, it is possible to reduce the cost of installing additional equipment such as a high pressure compressor, a high pressure tank, and safety related facilities required for high pressure gas storage, and to reduce the risk of explosion due to high pressure gas storage, thus enabling a safe LNG ship fuel cell system. .

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.

H: 선체
F: 연결 유로
B: 버퍼 연결 유로
100: 저장탱크
200: 연료 전지 유닛
210: 가습기
220: 개질기
230: 연료 전지
240: 송풍기
250: 공기히터
300: 중압 버퍼 유닛
310: 펌프
320: 중압탱크
330: 기화기
340: 밸브
350: 열교환기
360: 센서
H: Hull
F: connecting flow path
B: Buffer Connection Channel
100: storage tank
200: fuel cell unit
210: Humidifier
220: reformer
230: Fuel cell
240: blower
250: Air heater
300: medium pressure buffer unit
310: pump
320: medium pressure tank
330: carburetor
340: valve
350: heat exchanger
360: sensor

Claims (7)

액화천연가스 운반선의 전력 운용 시스템으로서,
선체에 마련되며 내부에 액화천연가스(LNG)가 저장되는 저장탱크;
상기 선체에 마련되며, 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 연료 전지 유닛; 및
상기 저장 탱크에서 공급받은 액화천연가스가 중압 상태로 저장되어, 상기 연료 전지 유닛에 공급되는 연료의 공급 중단시 저장된 상기 액화천연가스를 상기 연료 전지 유닛으로 공급하는 중압 버퍼 유닛을 포함하되,
상기 중압 버퍼 유닛은, 상기 선체에 마련되며 상기 저장탱크에서 공급되는 상기 액화천연가스를 펌핑하여 중압 상태로 이송시키는 펌프; 상기 펌프에서 이송된 상기 중압의 액화천연가스가 저장되는 중압탱크; 및 상기 중압탱크에서 발생하는 버퍼 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 열교환기를 포함하는 연료전지 탑재 선박의 연료전지 시스템.
As electric power operation system of LNG carrier,
A storage tank provided in the hull and storing liquefied natural gas (LNG) therein;
A fuel cell unit provided in the hull and using a boil-off gas generated in the storage tank as a fuel; And
And a medium pressure buffer unit configured to store the liquefied natural gas supplied from the storage tank in a medium pressure state, and supply the liquefied natural gas stored at the supply of the fuel supplied to the fuel cell unit to the fuel cell unit.
The medium pressure buffer unit may include: a pump provided in the hull and pumping the liquefied natural gas supplied from the storage tank to transfer the medium to a medium pressure state; A medium pressure tank storing the medium pressure liquefied natural gas transferred from the pump; And a heat exchanger for liquefying the buffer boil-off gas generated in the medium pressure tank by heat exchange with the liquefied natural gas supplied from the storage tank.
제 1항에 있어서, 상기 중압 버퍼 유닛은
상기 중압탱크에 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 및
상기 기화기와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 버퍼 연결 유로에 마련되며 상기 버퍼 연결 유로를 개폐하는 밸브를 더 포함하는 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템.
The apparatus of claim 1, wherein the intermediate pressure buffer unit
A vaporizer for vaporizing the medium pressure liquefied natural gas stored in the medium pressure tank; And
And a valve provided in a buffer connection flow path connecting the vaporizer and the fuel cell unit to open and close the buffer connection flow path.
삭제delete 제 2항에 있어서,
상기 열교환기를 통과한 액화천연가스는 상기 버퍼 증발가스와의 열교환으로 기화된 경우 상기 연료 전지 유닛으로 도입되고, 액체 상태인 경우 상기 저장탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템.
3. The method of claim 2,
The liquefied natural gas passing through the heat exchanger is introduced into the fuel cell unit when evaporated by heat exchange with the buffer boil-off gas, and is recovered to the storage tank in a liquid state. .
제 2항에 있어서, 상기 중압 버퍼 유닛은,
상기 저장탱크와 상기 연료 전지 유닛을 연결하는 연결 유로에 마련되어 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스가 상기 연결 유로로 공급되는지 여부를 감지하는 센서; 및
상기 센서로부터 감지된 신호에 의해 상기 밸브를 개폐하는 제어부를 더 포함하는 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템.
The method of claim 2, wherein the medium pressure buffer unit,
A sensor provided in a connection flow path connecting the storage tank and the fuel cell unit to detect whether boil-off gas generated in the storage tank is supplied to the connection flow path; And
And a control unit for opening and closing the valve by a signal sensed by the sensor.
제 1항에 있어서, 상기 연료 전지 유닛은
상기 저장탱크 또는 상기 중압 버퍼 유닛에서 공급되는 상기 증발가스를 가습시키는 가습기;
상기 증발가스를 수소와 이산화탄소로 개질시키는 개질기;
애노드로 공급되는 상기 수소 및 상기 이산화탄소와 캐소드로부터 공급되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 연료 전지;
외부의 공기를 상기 연료 전지로 공급시키는 송풍기; 및
상기 송풍기를 통해서 상기 연료전지로 공급되는 상기 공기를 가열시키는 공기히터를 포함하는 연료전지탑재 선박의 연료전지 시스템.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell unit
A humidifier for humidifying the boil-off gas supplied from the storage tank or the medium pressure buffer unit;
A reformer for reforming the evaporated gas into hydrogen and carbon dioxide;
A fuel cell generating electricity by an electrochemical reaction of the hydrogen supplied to the anode and the oxygen supplied from the carbon dioxide and the cathode;
A blower for supplying external air to the fuel cell; And
And a fuel heater for heating the air supplied to the fuel cell through the blower.
선체에 마련되며 액화천연가스가 저장된 저장탱크에서 공급되는 증발가스를 이용하는 선박용 연료전지의 연료공급방법에서,
상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 일부를 중압 상태로 저장해두었다가, 연료 전지에 공급되는 상기 증발가스의 공급중단시 저장된 상기 중압의 액화천연가스를 기화시켜 상기 연료 전지에 공급하여 상기 연료전지를 정지 없이 가동되게 하고,
상기 중압의 액화천연가스로부터 발생하는 버퍼 증발가스는 상기 저장탱크로부터 공급된 액화천연가스와 열교환으로 액화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지탑재 선박의 연료공급 방법.
In the fuel supply method of the ship fuel cell using the boil-off gas provided in the hull and supplied from the storage tank in which the liquefied natural gas is stored,
A portion of the liquefied natural gas stored in the storage tank is stored at a medium pressure state, and when the supply of the boil-off gas supplied to the fuel cell is stopped, the medium-pressure liquefied natural gas stored in the storage tank is vaporized and supplied to the fuel cell to stop the fuel cell. Without operation,
And a buffer boil-off gas generated from the medium pressure liquefied natural gas is liquefied by heat exchange with the liquefied natural gas supplied from the storage tank.
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