KR101435384B1 - 연료전지 운전 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 운전 시스템 및 그 방법이 개시된다.본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 운전 시스템은 선박에 탑재된 복수의 연료전지스택과, 상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 수소와 메탄을 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기와, 상기 개질기로부터 전달되는 개질가스를 기 설정된 압력으로 저장하며, 개질가스를 혼합하는 개질가스 혼합수단을 갖는 가압 탱크부와, 상기 가압 탱크부와 상기 복수의 연료전지스택 각각을 연결하는 복수의 연료 공급관을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 운전 시스템{SYSTEM FOR OPERATION OF FUEL CELL}
본 발명은 선박에 탑재되는 연료전지 운전 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.
그러나 이러한 고온연료전지는 통상적으로 연료를 개질한 개질가스를 사용하는 데, 개질가스는 수소와 메탄을 포함한다. 그러나 수소는 메탄보다 무게가 가벼워서 수소는 위로 올라가고 메탄은 아래로 가라앉아서 개질가스의 성분이 불균일해지는 문제가 있다. 특히, 개질가스를 탱크 등에 보관하는 경우에는 배출관이 설치된 위치에 따라서 배출되는 개질가스의 성분이 달라지게 되는데, 개질가스의 성분이 불균일하면 연료전지스택의 발전 성능이 저하될 뿐만 아니라 연료전지스택의 수명이 감소하는 문제가 있다.
또한, 고온연료전지는 부하추종성이 낮은 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는 균일한 개질가스를 공급할 수 있는 연료전지 운전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 운전 시스템은 선박에 탑재된 복수의 연료전지스택과, 상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 수소와 메탄을 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기와, 상기 개질기로부터 전달되는 개질가스를 기 설정된 압력으로 저장하며, 개질가스를 혼합하는 개질가스 혼합수단을 갖는 가압 탱크부와, 상기 가압 탱크부와 상기 복수의 연료전지스택 각각을 연결하는 복수의 연료 공급관을 포함할 수 있다.
상기 연료전지 운전 시스템은 기 연료 공급관들에 각각 설치된 밸브와, 선박부하의 전력 수요를 판단하여 전달하는 선박 전력제어부, 및 상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 상기 선박 전력제어부에서 전달된 전력 수요 정보를 바탕으로 상기 밸브의 개폐를 제어하는 전력 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 개질가스 혼합수단은 상기 가압 탱크부의 내에 설치된 팬으로 이루어질 수 있다.
상기 개질가스 혼합수단은 상기 가압 탱크부와 연통되어 상기 가압 탱크부에서 개질가스를 배출하여 상기 가압 탱크부로 유입시키는 순환관과 상기 순환관에 연결 설치된 펌프를 포함할 수 있다.
상기 순환관에서 상기 가압 탱크부로 개질가스를 유입시키는 단부는 상기 가압 탱크부의 내측으로 돌출되도록 삽입 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가압 탱크부에 개질가스 혼합수단이 설치되어 연료전지스택으로 균일한 성분을 갖는 개질가스를 공급할 수 있다.
또한, 선박 전력제어부에서 부하의 전력수요에 대한 정보를 전력변환부로 전달하고 전력변환부가 멀티 스택의 발전을 제어하므로 부하 추종성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멀티스택의 작동 상태를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 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 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템(100)은 멀티스택룸(Multi Stack Room)(110), 연료 공급부(120), 개질기(130), 가압 탱크부(140), 전력 변환부(150), 선박 전력제어부(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 밸브(V1~V6)를 포함한다. 이하, 멀티스택룸(110)은 6개의 연료전지스택(S1~S6)으로 구성된 것으로 가정하여 설명하겠으나 그 수가 이에 한정되지 않으며, 복수의 연료전지스택(S1~S6)을 열 또는 행으로만 배치(배열)할 수도 있다.
연료전지스택(S1~S6)은 전극과 전해질 및 분리판으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소(H2) 및 메탄(CH4)이 포함된 개질가스와 산소(O2)의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산한다. 연료전지스택(S1~S6)에서 생산된 전력은 전력 공급라인(151)을 통해서 전력 변환부(150)로 전달된다.
복수의 밸브(V1~V6)가 복수의 연료전지스택(S1~S6)에 연결된 연료 공급관(145)에 각각 설치된다. 밸브들(V1~V6)은 연료전지스택(S1~S6)의 개방(ON) 또는 폐쇄(OFF)되어 개질가스를 해당 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 것을 제어한다. 밸브들(V1~V6)은 체크 밸브로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 연료전지스택(S1~S6) 측의 유로상에 있는 개질가스가 역류하는 것을 방지할 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 실시예를 설명함에 있어서 편의상 LNG 연료를 이용하는 것으로 가정하여 설명하나 연료가 LNG에 한정되지 않으며 다양한 탄화수소계 연료가 적용될 수 있다.
개질기(130)는 연료 공급부(120)로부터 연료 공급받아 수소(H2)와 메탄(CH4)을 포함하는 개질가스를 생성한다. 여기서, 연료의 개질(Fuel reforming)은 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.
개질기(130)에는 가압 탱크부(140)가 연결 설치되는 바, 가압 탱크부(140)는 개질기(130)로부터 전달되는 개질가스를 일정한 압력으로 저장하고, 멀티스택룸(110)으로 개질가스를 공급하는 연료공급 버퍼로서의 역할을 한다. 가압 탱크부(140)에는 연료 공급관(145)이 연결 설치되고, 연료 공급관(145)에는 밸브(146)가 설치된다. 또한, 가압 탱크부(140)에는 개질가스를 혼합하는 개질가스 혼합수단이 설치된다. 본 실시예에 따른 개질가스 혼합수단은 가압 탱크부(140) 내에 설치된 팬(142)으로 이루어지며, 팬(142)은 가압 탱크부(140)의 바닥에 회전 가능하도록 설치된다.
개질기(130)에서 생성된 개질가스는 수소와 메탄을 포함하는 바, 수소와 메탄이 고르게 분포하지 못하고 상대적으로 무게가 가벼운 수소는 위에 분포하며, 무게가 무거운 메탄은 아래에 분포한다. 따라서 가압 탱크에서 배출되는 개질가스의 성분은 균일하지 못한 경우가 많은데 개질가스의 성분이 균일하지 못하면, 연료전지의 발전 효율이 저하된다. 그러나 본 실시예와 같이 가압 탱크부(140) 내에 팬(142)을 설치하면 메탄과 수소를 혼합하여 균일한 성분을 갖는 개질가스를 연료전지스택(S1~S6)으로 공급할 수 있다.
개질기(130)는 선박부하(160)의 전력수요와 상관없이 개질가스를 생산하며, 부하의 전력수요가 증가함에 따라 가압 탱크부(140)의 압력 이 낮아지면 개질기(130)의 작동을 가속하여 가압 탱크부(140)의 압력이 일정한 수준을 유지될 수 있도록 한다.
전력 변환부(150)는 멀티스택룸(110)에서 출력되는 직류전력을 선박 내 전력부하장치에서 사용 하기에 적합한 교류전력으로 변환한다. 전력 변환부(150)는 교류전력을 전력계통을 통해서 선박부하(160)로 전달한다.
선박 전력제어부(170)는 선박의 전력계통을 제어하며 선박부하(160)의 전력수요를 판단한다. 또한 선박 전력제어부(170)는 선박부하(160)의 전력수요에 대한 정보를 전력 변환부(150)로 전달한다. 전력 변환부(150)는 선박 전력제어부(170)에서 전달된 선박부하(160)의 전력수요에 대한 정보를 바탕으로 연료전지스택(S1~S6)의 작동을 제어한다.
전력 변환부(150)는 제어부(153)를 더 포함하는 바, 제어부(153)는 각 연료전지스택(S1~S6)과 연결된 밸브(V1~V6)의 개폐를 제어한다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 선박부하(160)의 전력수요의 변화를 선박 전력제어부(170)가 판단하고, 이러한 정보를 바탕으로 전력 변환부(150)가 밸브(V1~V6)를 개폐하여 연료전지스택(S1~S6)을 제어함으로써 보다 신속하게 부하에 추종하여 전력을 생산할 수 있다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환부(150)는 선박부하(160)의 전력수요에 따라 선택적으로 제1 밸브(V1), 제2 밸브(V2), 제3 밸브(V3)를 개방(ON)한다. 그러면, 개질가스가 해당 제1 연료전지스택(S1), 제2 연료전지스택(S2), 제3 연료전지스택(S3)으로 공급되어 각 해당 연료전지스택(S1, S2, S3)이 작동된다.
반면, 전력 변환부(150)는 제4 체크 밸브(V4), 제5 체크 밸브(V5), 제6 체크 밸브(V6)을 폐쇄(OFF)하여 개질가스의 공급을 중단함으로써 제4 연료전지스택(S4), 제5 연료전지스택(S5), 제6 연료전지스택(S6)을 정지시킬 수 있다.
이 때 개질기(130)는 가압 탱크부(140)의 압력에 추종하여 개질가스를 생산하며 선박부하(160)의 전력수요와 상관없이 개질가스를 생산하여 발전가능 상태를 유지한다.
종래의 연료전지시스템은 개질기나 연료공급부의 제어를 통해서 부하에 추종하여 전력을 생산하도록 구성되었다. 그러나 이러한 시스템은 개질가스를 생산하는 시간과 개질가스를 공급하여 연료전지를 가동하는 시간이 소요되므로 부하의 증가에도 불구하고 전력생산의 증가 속도가 늦어져서 부하추종성이 낮은 문제가 있었다.
그러나 본 실시예에 따르면 가압 탱크부에 개질가스가 충분히 저장된 상태에서 선박 전력제어부(170) 및 전력 변환부(150)에 의한 밸브(V1~V6)의 개폐 만으로 전력생산 속도가 제어되므로 보다 부하추종성이 향상된다
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템(200)은 멀티스택룸(Multi Stack Room)(110), 연료 공급부(120), 개질기(130), 가압 탱크부(240), 전력 변환부(150), 선박 전력제어부(170)를 포함한다.
본 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템(200)은 가압 탱크부(240)의 구성을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 연료전지 운전 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.
개질기(130)에는 가압 탱크부(240)가 연결 설치되는 바, 가압 탱크부(240)는 개질기(130)로부터 전달되는 개질가스를 일정한 압력으로 저장하고, 멀티스택룸(110)으로 개질가스를 공급하는 연료공급 버퍼로서의 역할을 한다. 가압 탱크부(240)에는 연료 공급관(245)을 매개로 연료전지스택(S1~S6)과 연결된다.
가압 탱크부(240)는 개질가스를 혼합하는 개질가스 혼합수단을 구비하며, 개질가스 혼합수단은 가압 탱크부(240)에 연결 설치된 순환관(242)과 순환관(242)에 설치된 펌프(244)를 포함한다. 순환관(242)은 양측 단부가 가압 탱크부(240)와 연결 설치되어 가압 탱크부(240)에서 개질가스를 배출시켜서 가압 탱크부(240)로 개질가스를 유입시킨다. 개질가스는 펌프(244)에 의하여 이동하며 펌프(244)는 개질가스를 강한 힘으로 가압하여 가압 탱크부(240) 내로 분사한다. 개질가스에 의하여 분사된 개질가스는 가압 탱크부(240) 내부의 유동을 생성시켜서 개질가스를 혼합시킨다.
한편, 순환관(242)에서 가압 탱크부(240)로 개질가스를 유입시키는 측의 단부(243)는 가압 탱크부(240) 내부로 삽입되어 가압 탱크부(240)의 내측으로 돌출된다. 순환관(242)은 가압 탱크부(240)의 바닥에 연결 설치되는 바, 순환관(242)에서 가압 탱크부(240) 내로 배출되는 개질가스는 상부로 배출되어 개질가스를 혼합할 수 있다. 가압 탱크부(240)의 바닥에서 순환관(242)으로 유입되는 개질가스는 수소 성분이 많이 함유된 개질가스인 바. 이러한 개질가스가 상부로 배출되면 수소와 메탄이 효율적으로 혼합될 수 있다.
본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 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, 200: 연료전지 운전 시스템 110: 멀티스택룸
120: 연료 공급부 130: 개질기
140, 240: 가압 탱크부 145, 245: 연료 공급관
150: 선박 전력제어부 150: 전력 변환부
151: 전력 공급라인 153: 제어부
160: 선박부하 170: 선박 전력제어부
242: 순환관 243: 단부
244: 펌프

Claims (5)

  1. 선박에 탑재된 복수의 연료전지스택;
    상기 연료전지스택에 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부로부터 연료를 공급받아 개질가스를 생성하는 개질기;
    상기 개질기로부터 전달되는 개질가스를 기 설정된 압력으로 저장하며, 개질가스를 혼합하는 개질가스 혼합수단을 갖는 가압 탱크부; 및
    상기 가압 탱크부와 상기 복수의 연료전지스택 각각을 연결하는 복수의 연료 공급관;을 포함하며,
    상기 개질가스 혼합수단은 상기 가압 탱크부와 연통되어 상기 가압 탱크부에서 개질가스를 배출하여 상기 가압 탱크부로 유입시키는 순환관과 상기 순환관에 연결 설치된 펌프를 포함하는 연료전지 운전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급관들에 각각 설치된 밸브;
    선박부하의 전력 수요를 판단하여 전달하는 선박 전력제어부; 및
    상기 연료전지스택에서 생산된 전력을 상기 선박 전력제어부에서 전달된 전력 수요 정보를 바탕으로 상기 밸브의 개폐를 제어하는 전력 변환부
    를 더 포함하는 연료전지 운전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개질가스 혼합수단은 상기 가압 탱크부의 내에 설치된 팬을 포함하는 연료전지 운전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환관에서 상기 가압 탱크부로 개질가스를 유입시키는 단부는 상기 가압 탱크부의 내측으로 돌출되도록 삽입 설치된 연료전지 운전 시스템.
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