KR101430154B1 - 다중 연료전지 운용 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

다중 연료전지 운용 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템은, 선박에 탑재되어 복수로 배치된 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸; 액체상태의 연료를 기화시키고 탈황 처리하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 연료 공급받아 수소와 매탄을 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질기; 상기 개질기로부터 전달되는 개질 가스를 일정한 압력으로 저장하고 상기 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 조절하여 상기 멀티스택룸으로 공급하는 가압 탱크부; 및 상기 가압 탱크부의 압력이 설정 기준치 미만으로 떨어지면 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크부로 유입시키는 제어부를 포함한다.

Description

다중 연료전지 운용 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATION OF MULTI FUEL CELL}
본 발명은 선박에 탑재되는 다중 연료전지 운용 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화석에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체에너지로서 수소에너지가 각광 받고 있으며 수소에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
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.
이러한 연료전지들은 수소와 산소가 화학 반응을 일으켜 열과 전기, 물을 배출하는 것이 기본 원리이며 이러한 화학 반응을 위하여 필요한 수소는 다양한 방법으로 공급된다. 그리고, 그 중에서도 용융탄산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 및 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 같은 고온연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 각종 탄화수소계 연료를 적용할 수 있어 선박용 연료전지로 주목 받고 있다.
다만, 고온연료전지는 일반적으로 약 600도 내지 1000도의 고온상태에서만 전력을 발생시키기 때문에 고온연료전지를 선박에서 구동하기 위해서는 반드시 고온상태를 유지해야 하고, 이러한 작동 조건으로 부하추종성이 낮아 운전상의 제약 이 따르는 단점이 있다.
한편, 최근에는 부하추종성이 낮은 고온연료전지를 선박에 적용함에 있어서 가변적으로 전력생산량을 조절하기 위해 단위 용량의 연료전지를 다중(Multi)으로 설치 운영하는 방안이 제안되고 있다.
그러나, 연료전지를 다중으로 설치하는 경우 각 연료전지로 공급되는 연료의 개질에서부터 공급까지의 과정과 그 설비가 매우 복잡해지는 문제점이 있다. 그리고, 개질된 연료가스에 포함된 수소나 매탄의 비율에 따라 연료전지의 전력 생산량이 달라지므로 균일한 비율로 연료가스를 공급하지 못하는 경우 연료전지를 다수 개로 구성하더라도 그 전력 생산량을 예측하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 다수의 연료전지를 구비하더라도 한번 작동된 연료전지를 선박의 운항조건에 따른 부하의 감소로 정지시켜 쿨 다운(col down) 되는 경우 연료전지의 수명이 단축되어 효율적이지 못한 문제점이 있다.
따라서, 선박에 다중으로 연료전지를 설치 운영하기 위해서는 균일하게 연료를 공급할 수 있는 간소화된 연료 공급 설비와 연료전지의 수명 단축 없이 선택적으로 작동이 가능한 운용 방안이 절실히 요구된다.
본 발명의 실시 예는 선박에 탑재되는 다중 연료전지에 균일한 연료를 공급하는 연료전지 운용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지의 수명 단축 없이 다중 연료전지를 선택적으로 작동시키는 연료전지 운용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 연료전지 운용 시스템은, 선박에 탑재되어 복수로 배치된 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸; 액체상태의 연료를 기화시키고 탈황 처리하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 연료 공급받아 수소와 매탄을 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질기; 상기 개질기로부터 전달되는 개질 가스를 일정한 압력으로 저장하고 상기 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 조절하여 상기 멀티스택룸으로 공급하는 가압 탱크부; 및 상기 가압 탱크부의 압력이 설정 기준치 미만으로 떨어지면 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크부로 유입시키는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 가압 탱크부는, 수직한 길이방향으로 연장 형성되어 상기 개질 가스의 수소와 매탄이 분자 무게에 따라 상층부 및 하층부에 각각 분포되도록 저장하는 가압 탱크; 상기 개질 가스가 유입되는 통로로 길이방향의 상기 가압 탱크 중앙에 형성되는 연료 유입구; 상기 가압 탱크의 상부에 형성되어 상기 상층부에 분포된 수소를 수소 공급 유로로 방출하는 수소 방출구; 및 상기 가압 탱크의 하부에 형성되어 상기 하층부에 분포된 매탄을 매탄 공급 유로로 방출하는 매탄 방출구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 멀티스택룸의 온도와 가압 탱크의 압력을 감시하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가압 탱크부는, 수소 공급 유로 및 매탄 공급 유로를 통해 전달되는 상기 수소 및 매탄을 믹싱하여 혼합 비율이 균일한 개질 가스를 상기 연료전지스택으로 전달하는 연료 공급 유로; 상기 가압 탱크의 압력을 측정하여 상기 모니터링부로 전송하는 압력 센서; 및 상기 연료 유입구에 연결된 유로에 압력을 불어넣어 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크로 유입시키는 압축기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 멀티스택룸은, 상기 연료전지스택의 작동신호(Start)에 따라 개방(ON)되어 상기 개질 가스를 공급하고, 상기 연료전지스택의 정지신호(Stop)에 따라 폐쇄(OFF)되어 상기 개질 가스의 공급을 중단하는 복수의 체크 밸브; 및 상기 멀티스택룸의 내부온도가 상기 연료전지스택의 작동 조건을 유지하도록 가열하는 전기 히터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가압 탱크부는, 유로에 연결되어 적어도 하나의 방향으로 고정된 스크류를 통해 관내로 유입되는 수소와 매탄을 난류유체로 변환시켜 주면서 연속적인 교반을 일으켜 혼합하는 라인믹서를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 탑재되는 연료전지 시스템의 다중 연료전지 운용 방법은, a) 개질 가스를 공급받아 가압 탱크에 일정한 압력으로 저장하고 상기 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 조절하여 복수의 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸으로 공급하는 단계; b) 상기 복수의 연료전지스택의 각 체크 밸브를 개방(ON)하여 전력을 생산하는 단계; c) 선박 내 수요 전력량이 감소하면 상기 체크 밸브를 선택적으로 폐쇄(OFF)하여 적어도 하나의 상기 연료전지스택의 발전을 정지하는 단계; 및 d) 전기 히터를 작동하여 상기 멀티스택룸의 내부온도를 상기 연료전지스택의 작동 조건을 유지하도록 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계는, 상기 가압 탱크의 압력을 체크하고, 개질기에서 생산된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크로 유입하여 상기 가압 탱크의 압력을 일정한 상태로 유지시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 a) 단계는, 상기 가압 탱크로 유입된 상기 개질 가스의 수소와 매탄을 분자의 무게에 따라 상기 가압 탱크의 상층부 및 하층부에 각각 분포시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 개질 가스의 수소와 매탄을 분리하여 저장하고 이를 각각의 통로로 일정하게 방출 및 혼합함으로써 연료전지스택에 균일한 연료를 공급할 수 있다.
그리고, 복수의 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸의 내부 온도를 작동조건에 맞게 유지시킴으로써 연료전지스택의 수명 단축 없이 다중 연료전지스택을 선택적으로 작동 및 정지할 수 있다.
또한, 일정한 압력으로 개질 가스를 저장하는 가압 탱크를 공유하고 복수의 연료전지스택으로의 연료를 공급함으로써 복수의 연료전지스택 설비에 따른 연료의 공급의 복잡도를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가압 탱크부의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 선택적인 연료전지스택 작동 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가압 탱크부에 라인믹서가 추가된 상태를 나타낸다.
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.
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.
또한, 명세서 전체에서, “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.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템(100)은 멀티스택룸(Multi Stack Room)(110), 연료 공급부(120), 개질기(130), 가압 탱크부(140), 전력 변환부(150), 모니터링부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
멀티스택룸(110)은 열과 행으로 배치된 복수의 연료전지스택(S1~S6), 인가되는 제어신호에 따라 복수의 연료전지스택(S1~S6)으로 각각 연료를 공급하는 복수의 체크 밸브(V1~V6) 및 배치된 복수의 연료전지스택(S1~S6)사이에 설치되는 전기 히터(111)를 포함한다.
이하, 멀티스택룸(110)은 6개의 연료전지스택(S)으로 구성된 것으로 가정하여 설명하겠으나 그 수가 이에 한정되지 않으며, 복수의 연료전지스택(S1~S6)을 열 또는 행으로만 배치(배열)할 수도 있다.
연료전지스택(S)(Fuel Cell Stack)은 전극과 전해질 및 분리판으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소(H2) 및 매탄(CH4)이 포함된 개질 가스와 산소(O2)의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산한다.
복수의 체크 밸브(V1~V6)는 복수의 연료전지스택(S1~S6)에 대응되는 유로상에 각각 설치된다.
체크 밸브(V)는 연료전지스택(S)의 작동신호(Start)에 따라 개방(ON)되어 개질 가스를 해당 연료전지스택으로 공급하고, 연료전지 정지신호(Stop)에 따라 폐쇄(OFF)되어 개질 가스의 공급을 중단한다.
또한, 체크 밸브(V1~V6)는 연료전지스택 측의 유로상에 있는 개질 가스가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
전기 히터(111)는 멀티스택룸(110)을 가열하여 내부 온도가 작동 조건(예; 600~700도)을 유지하도록 한다. 이 때, 전기 히터(111)는 멀티스택룸(110) 내부 전체를 공통적으로 가열하거나 가열부위를 복수의 모듈로 구분하여 정지된 특정 연료전지스택(S)을 대상으로 선택적인 가열을 할 수 있다.
즉, 전기 히터(111)는 멀티스택룸(110)내부온도를 작동조건으로 유지시킴으로써 연료전지스택(S)이 발전을 정지하더라도 쿨 다운 되는 것을 예방할 수 있다.
한편, 연료 공급부(120)는 액체상태로 저장된 연료(LNG)를 기화시켜 개질기(130)로 전달한다. 이 때, 도면에서는 생략되었으나 연료 공급부(120)는 전달되는 연료에서 황성분을 제거하는 탈황기를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 편의상 LNG 연료를 이용하는 것으로 가정하여 설명하나 연료가 LNG에 한정되지는 않는다.
개질기(130)는 연료 공급부(120)로부터 연료 공급받아 수소(H2)와 매탄(CH4)을 포함하는 개질 가스를 생성한다. 여기서, 연료의 개질(Fuel reforming)은 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.
가압 탱크부(140)는 개질기(130)로부터 전달되는 개질 가스를 일정한 압력으로 저장하고, 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 균일하게 하여 멀티스택룸(110)으로 공급하는 연료공급 버퍼로서의 역할을 한다.
여기서, 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 균일하게 하는 이유는 정량적으로 그 혼합 비율에 따라 전력 생산량이 달라지므로 이를 균일하게 유지시킴으로써 다중 연료전지스택(S1~S6)에서의 출력을 예측하고, 균일한 출력으로 전력 수요량에 맞게 계획적인 전력을 생산하기 위함이다.
한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가압 탱크부의 구조를 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 탱크부(140)는 가압 탱크(141), 연료 유입구(142), 수소 방출구(143), 매탄 방출구(144), 연료 공급 유로(145), 압력 센서(146) 및 압축기(147)를 포함한다.
가압 탱크(141)는 바닥으로부터 수직한 길이방향으로 연장 형성하여 상기 개질 가스의 수소(H2)와 매탄(CH4)이 분자의 무게에 따라 상층부 및 하층부에 각각 분포되도록 저장한다.
연료 유입구(142)는 상기 개질 가스가 유입되는 통로이며, 가압 탱크(141)의 중앙에 형성되어 가압 탱크(141) 내부의 중앙으로부터 분자 무게에 따라 수소(H2)와 매탄(CH4)이 상하로 분리될 수 있도록 한다. 이 때, 매탄은 가압 탱크(141) 내부의 하층부에 분포되고, 상기 매탄에 비해 분자 무게가 상대적으로 가벼운 수소는 가압 탱크(141)의 상층부에 분포되어 서로 분리된다.
수소 방출구(143)는 가압 탱크(141)의 상부에 형성되어 상기 상층부에 분포된 수소를 수소 공급 유로(143-1)로 방출한다.
매탄 방출구(144)는 가압 탱크(141)의 하부에 형성되어 상기 하층부에 분포된 매탄을 매탄 공급 유로(144-1)로 방출한다.
연료 공급 유로(145)는 수소 공급 유로(143-1) 및 매탄 공급 유로(144-1)를 통해 전달되는 수소 및 매탄을 믹싱(mixing)하여 혼합 비율이 균일한 개질 가스를 각 연료전지스택으로 전달한다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 탱크부(140)는 복수의 연료전지스택(S1~S6)에 수소와 매탄의 혼합 비율(예; 50:50)이 균일한 개질 가스를 공급함으로써 전력생산량의 변동 없이 일정한 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다.
압력 센서(146)는 가압 탱크(141)의 압력을 측정하여 후술되는 모니터링부(160)로 전송한다.
압축기(Compressor)(147)는 가압 탱크(141)의 연료 유입구(142)에 연결된 유로에 압력을 불어넣어 개질기(130)에서 생성된 개질 가스를 가압 탱크(141)로 유입시킨다.
전력 변환부(150)는 멀티스택룸(110)에서 출력되는 직류전력을 선박 내 전력부하장치에서 사용 하기에 적합한 교류전력으로 변환한다.
모니터링부(160)는 선박 및 연료전지 시스템의 동작을 감시하는 감시 시스템(Monitoring System)으로 압력 센서(146)를 통해 측정된 가압 탱크(141) 내부의 압력이 일정 기준치를 충족하는지 감시한다.
또한, 모니터링부(160)는 멀티스택룸(110)의 내부온도를 체크하여 그 온도가 작동 조건(예; 600~700도)을 만족하는지 감시한다.
제어부(170)는 연료전지 시스템의 전반적인 운용을 위한 상기 각 구성의 동작을 제어한다.
제어부(170)는 압력 센서(146)를 통해 가압 탱크(141)의 압력을 체크하고, 연료전지스택의 작동으로 상기 압력이 설정 기준치 미만으로 떨어지면 압축기(147)를 구동하여 개질 가스를 가압 탱크(141)에 보충함으로써 가압 탱크(141)가 상기 기준치의 압력을 유지하도록 한다.
즉, 제어부(170)는 연료전지스택의 작동을 위해 개질 가스가 소비되어 가압 탱크(141)의 압력이 설정 기준치 미만으로 떨어지면, 개질 가스와 떨어진 압력을 상기 기준치로 맞추기 위하여 개질 가스를 가압 탱크(141)로 유입시킨다.
여기서, 가압 탱크(141)를 일정한 압력으로 유지시킨다는 것은 혼합 비율이 균일한 개질 가스가 연료 공급 유로(145)를 따라 흐를 수 있도록 압력을 제공하는 것을 의미하기도 한다.
한편, 제어부(170)는 선박 내 전체적인 전력망을 관리하는 중앙전력 분배장치로서의 역할로 선박의 동작 상황에 따라 필요한 수요 전력량을 파악하고, 복수의 연료전지스택(S1~S6)을 선택적으로 작동하여 필요한 만큼의 전력을 계획적으로 생산할 수 있다.
이 때, 제어부(170)는 연료전지스택이 작동 조건(600~700도)을 만족하는 핫 스탠바이(Hot Standby) 상태에서 복수의 연료전지스택(S1~S6)의 체크 밸브만(V1~V6)을 선택적으로 개방(ON)하여 필요한 개수의 연료전지스택(S)을 간단하게 작동시킬 수 있다.
예컨대, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 선택적인 연료전지스택 작동 상태를 나타낸다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(170)는 연료전지스택의 온도가 작동 조건을 충족하는 상태에서 선택적으로 제1 체크 밸브(V1), 제2 체크 밸브(V2), 제3 체크 밸브(V3)를 개방(ON)한다. 그러면, 혼합 비율이 균일한 개질 가스가 해당 제1 연료전지스택(S1), 제2 연료전지스택(S2), 제3 연료전지스택(S3)으로 공급되어 각 해당 연료전지스택(S1, S2, S3)이 작동된다.
반면, 제어부(170)는 제4 체크 밸브(V4), 제5 체크 밸브(V5), 제6 체크 밸브(V6)을 폐쇄(OFF)하여 개질 가스의 공급을 중단함으로써 제4 연료전지스택(S4), 제5 연료전지스택(S5), 제6 연료전지스택(S6)을 정지시킬 수 있다.
이 때, 제어부(170)는 멀티스택룸(110)의 온도를 지속적으로 체크하고 전기 히터(111)로 가열하여 정지된 제4 연료전지스택(S4), 제5 연료전지스택(S5), 제6 연료전지스택(S6)이 쿨 다운되는 것을 예방한다.
또한, 정지된 제4 연료전지스택(S4), 제5 연료전지스택(S5), 제6 연료전지스택(S6)은 필요 시 해당 체크 밸브(V4, V5, V6)의 개방(ON)으로 언제든지 재 작동될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 연료전지 운용 시스템(100)은 가압 탱크(141)의 압력을 체크하고(S101), 개질기(130)에서 생산된 개질 가스를 가압 탱크(141)로 유입하여 가압 탱크(141)의 압력을 일정한 상태로 유지시킨다(S102).
이 때, 가압 탱크(141)로 유입된 개질 가스의 수소(H2)와 매탄(CH4)을 분자의 무게에 따라 가압 탱크(141)의 상층부 및 하층부에 각각 분포시킨다(S103).
다중 연료전지 운용 시스템(100)은 가압 탱크(141)의 상층부에 형성된 수소 방출구(143) 및 하층부에 형성된 매탄 방출구(144)를 통해 방출되는 수소와 매탄을 균일하게 혼합하여 멀티스택룸(110)으로 공급한다(S104).
그리고, 다중 연료전지 운용 시스템(100)은 멀티스택룸(110)에 포함된 복수의 연료전지스택(S1~S6)의 체크 밸브(V1~V6)를 개방(ON)하여 전력을 생산한다(S105).
이후, 다중 연료전지 운용 시스템(100)은 선박의 동작 상황이 변경되어 선박 내 수요 전력량이 감소하면(S106), 적어도 하나의 체크 밸브를 선택적으로 폐쇄(OFF)하여 해당 연료전지스택의 발전을 중단한다(S107).
예컨대, 하나의 연료전지스택(S)의 발전량용량이 100KW 이고 선박 내 전력 수요량이 300KW 라고 가정할 경우, 도 3에서와 같이 3개의 연료전지스택(S1, S2, S3)만을 가동하고, 제4 체크 밸브(V4), 제5 체크 밸브(V5), 제6 체크 밸브(V6)을 폐쇄(OFF)하여 제4 연료전지스택(S4), 제5 연료전지스택(S5), 제6 연료전지스택(S6)을 정지시킬 수 있다.
그리고, 다중 연료전지 운용 시스템(100)은 전기 히터(111)를 작동하여 멀티스택룸(110)의 내부온도를 작동 조건에 맞게 유지시킴으로써 정지된 연료전지스택이 쿨 다운 되는 것을 예방한다(S108).
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 개질 가스의 수소와 매탄을 분리하여 저장하고 이를 각각의 통로로 일정하게 방출 및 혼합함으로써 다중 연료전지스택에 균일한 연료를 공급할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 복수의 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸의 내부 온도를 작동조건에 맞게 유지시킴으로써 연료전지스택의 수명 단축 없이 다중 연료전지스택을 선택적으로 작동 및 정지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 일정한 압력으로 개질 가스를 저장하는 가압 탱크를 공유하고 복수의 연료전지스택으로의 연료를 공급함으로써 복수의 연료전지스택을 운용함에 따른 연료의 공급의 복잡도를 줄일 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가압 탱크부에 라인믹서가 추가된 상태를 나타낸다.
첨부된 도 5를 참조하면, 상기 도 2를 통한 본 발명의 실시 예에서는 연료 공급 유로(145)가 수소 공급 유로(143-1) 및 매탄 공급 유로(144-1)를 통해 전달되는 수소 및 매탄을 믹싱(mixing)하는 것으로 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않으며 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가압 탱크부(140)는 연료 공급 유로(145)상에 설치되는 라인믹서(148)를 더 포함 할 수 있다.
라인믹서(148)는 유로에 연결되어 적어도 하나의 방향으로 고정된 스크류를 통해 관내로 유입되는 수소와 매탄을 난류유체로 변환시켜 주면서 연속적인 교반을 일으켜 혼합한다.
따라서, 라인믹서(148)는 관내를 통과하는 수소와 매탄의 연속적인 분할, 방향전환, 뒤섞임을 통해 효과적으로 혼합할 수 있다.
또한, 상기 도 4의 S108 단계에서는 히터를 작동하여 멀티스택룸(110)의 내부온도를 가열하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 제어부(170)에서 정지된 연료전지스택이 쿨 다운되는 것을 예방하기 위하여 작동중인 연료전지스택의 배기가스를 회수하여 상기 정지된 연료전지스택을 히팅 하도록 제어할 수 있다.
이 때, 배기가스는 작동중인 연료전지스택에서 반응된 가스와 미반응 가스를 포함하며 촉매연소를 통해 가열된 공기를 정지된 연료전지스택으로 공급하여 히팅 할 수 있는 것이다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
100: 다중 연료전지 운용 시스템 110: 멀티스택룸
S: 연료전지스택 V: 체크 밸브
111: 전기 히터 120: 연료 공급부
130: 개질기 140: 가압 탱크부
141: 가압 탱크 142: 연료 유입구
143: 수소 방출구 143-1: 수소 공급 유로
144: 매탄 방출구 144-1: 매탄 공급 유로
145: 연료 공급 유로 146: 압력 센서
147: 압축기 148: 라인믹서
150: 전력 변환부 160: 모니터링부
170: 제어부

Claims (9)

  1. 선박에 탑재되어 복수로 배치된 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸;
    액체상태의 연료를 기화시키고 탈황 처리하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부로부터 연료 공급받아 수소와 매탄을 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질기;
    상기 개질기로부터 전달되는 개질 가스를 일정한 압력으로 저장하고 상기 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 조절하여 상기 멀티스택룸으로 공급하는 가압 탱크부; 및
    상기 가압 탱크부의 압력이 설정 기준치 미만으로 떨어지면 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크부로 유입시키는 제어부를 포함하되,
    상기 가압 탱크부는, 상기 개질 가스의 수소와 매탄이 분자 무게에 따라 상층부 및 하층부에 각각 분포되도록 저장하는 가압 탱크, 상기 개질 가스가 유입되는 연료 유입구, 상기 가압 탱크의 상부에 형성되어 상기 상층부에 분포된 수소를 수소 공급 유로로 방출하는 수소 방출구 및 상기 가압 탱크의 하부에 형성되어 상기 하층부에 분포된 매탄을 매탄 공급 유로로 방출하는 매탄 방출구를 포함하는 다중 연료전지 운용 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티스택룸의 온도와 가압 탱크의 압력을 감시하는 모니터링부를 더 포함하는 다중 연료전지 운용 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가압 탱크부는,
    수소 공급 유로 및 매탄 공급 유로를 통해 전달되는 상기 수소 및 매탄을 믹싱하여 혼합 비율이 균일한 개질 가스를 상기 연료전지스택으로 전달하는 연료 공급 유로;
    상기 가압 탱크의 압력을 측정하여 상기 모니터링부로 전송하는 압력 센서; 및
    상기 연료 유입구에 연결된 유로에 압력을 불어넣어 상기 개질기에서 생성된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크로 유입시키는 압축기를 더 포함하는 다중 연료전지 운용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티스택룸은,
    상기 연료전지스택의 작동신호(Start)에 따라 개방(ON)되어 상기 개질 가스를 공급하고, 상기 연료전지스택의 정지신호(Stop)에 따라 폐쇄(OFF)되어 상기 개질 가스의 공급을 중단하는 복수의 체크 밸브; 및
    상기 멀티스택룸의 내부온도가 상기 연료전지스택의 작동 조건을 유지하도록 가열하는 전기 히터를 포함하는 다중 연료전지 운용 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압 탱크부는,
    유로에 연결되어 적어도 하나의 방향으로 고정된 스크류를 통해 관내로 유입되는 수소와 매탄을 난류유체로 변환시켜 주면서 연속적인 교반을 일으켜 혼합하는 라인믹서를 포함하는 다중 연료전지 운용 시스템.
  7. 선박에 탑재되는 연료전지 시스템의 다중 연료전지 운용 방법에 있어서,
    a) 개질 가스를 공급받아 가압 탱크에 일정한 압력으로 저장하고 상기 개질 가스의 수소와 매탄의 혼합 비율을 조절하여 복수의 연료전지스택을 포함하는 멀티스택룸으로 공급하는 단계;
    b) 상기 복수의 연료전지스택의 각 체크 밸브를 개방(ON)하여 전력을 생산하는 단계;
    c) 선박 내 수요 전력량이 감소하면 상기 체크 밸브를 선택적으로 폐쇄(OFF)하여 적어도 하나의 상기 연료전지스택의 발전을 정지하는 단계; 및
    d) 전기 히터를 작동하여 상기 멀티스택룸의 내부온도를 상기 연료전지스택의 작동 조건을 유지하도록 가열하는 단계를 포함하되,
    상기 a) 단계는, 상기 가압 탱크로 유입된 상기 개질 가스의 수소와 매탄을 분자의 무게에 따라 상기 가압 탱크의 상층부 및 하층부에 각각 분포시키는 단계를 포함하는 다중 연료전지 운용 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    상기 가압 탱크의 압력을 체크하고, 개질기에서 생산된 상기 개질 가스를 상기 가압 탱크로 유입하여 상기 가압 탱크의 압력을 일정한 상태로 유지시키는 단계를 포함하는 다중 연료전지 운용 방법.
  9. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101616401B1 (ko) * 2014-05-15 2016-04-28 삼성중공업 주식회사 액화천연가스 운반선
CN112909309B (zh) * 2021-02-03 2022-05-31 清华大学 一种带有恒压均质供给分配器的多堆组结构燃料电池系统
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07226224A (ja) * 1994-02-08 1995-08-22 Toyota Motor Corp 燃料電池の燃料供給装置
KR20060024900A (ko) * 2004-09-15 2006-03-20 현대모비스 주식회사 분산형 연료전지 시스템
KR20070021596A (ko) * 2005-08-19 2007-02-23 (주) 디지털워터 스케일 및 녹 제거용 아쿠아 배관
KR20120071042A (ko) * 2010-12-22 2012-07-02 대우조선해양 주식회사 메탄수화물을 연료로 하는 연료전지 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07226224A (ja) * 1994-02-08 1995-08-22 Toyota Motor Corp 燃料電池の燃料供給装置
KR20060024900A (ko) * 2004-09-15 2006-03-20 현대모비스 주식회사 분산형 연료전지 시스템
KR20070021596A (ko) * 2005-08-19 2007-02-23 (주) 디지털워터 스케일 및 녹 제거용 아쿠아 배관
KR20120071042A (ko) * 2010-12-22 2012-07-02 대우조선해양 주식회사 메탄수화물을 연료로 하는 연료전지 시스템

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