KR101447863B1 - Fuel cell system - Google Patents

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KR101447863B1
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김준석
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서, 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택; 연료를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 연료의 개질을 위하여 연료 공급부로 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 포함하며, 초순수 공급부는, 선박에서 사용되는 해수를 저장하는 해수 탱크; 연료전지 스택에서 배출되는 배기가스의 폐열을 공급받아서 해수 탱크에서 공급받은 해수를 가열하여 수증기를 추출하는 증발기; 및 증발기와 연결되어 추출된 수증기로부터 이온을 제거하여 초순수를 생성하는 탈이온화 장치를 포함하며, 탈이온화 장치는, 수증기로부터 이온을 제거하는 탈이온 유닛이 복수 개 적층된 형태로 형성되되, 탈이온 유닛은 수증기가 주입 및 배출되는 입구 및 출구를 구비하며, 수증기가 복수 개의 탈이온 유닛을 연속적으로 통과할 수 있도록 서로 인접한 탈이온 유닛 간의 입구와 출구가 서로 연결된다.A fuel cell system is disclosed. A fuel cell system according to an embodiment of the present invention is a fuel cell system installed in a ship, comprising: a fuel cell stack for converting chemical reaction energy of fuel into electric energy; A fuel supply unit for supplying fuel to the fuel cell stack; And an ultrapure water supply unit for supplying ultrapure water to the fuel supply unit for reforming the fuel, wherein the ultrapure water supply unit comprises: a seawater tank for storing seawater used in the ship; An evaporator for receiving waste heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to extract seawater by heating seawater supplied from the seawater tank; And a deionization device connected to the evaporator to remove ions from the extracted steam to generate ultrapure water. The deionization device is formed by stacking a plurality of deionization units for removing ions from steam, The unit has an inlet and an outlet through which water vapor is injected and discharged, and the inlet and the outlet between adjacent deionization units are connected to each other so that water vapor can pass through the plurality of deionization units successively.

Figure R1020120092576
Figure R1020120092576

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.Fuel cells are an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electric energy. It is a new generation technology that continuously produces electricity by supplying hydrogen and oxygen to the anode and cathode.

연료전지는 연료공급기(MBOP), 연료전지스택(Stack) 및 전력변환기(EBOP)로 구성된다. The fuel cell consists of a fuel supplier (MBOP), a fuel cell stack (Stack) and a power converter (EBOP).

연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 연료전지스택에 공급하며, 연료전지스택 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다.The fuel supplier (MBOP) supplies air and fuel to the fuel cell stack in the fuel cell stack. In the fuel cell stack, the oxygen in the supplied air and the hydrogen supplied through the fuel or the hydrogen generated through the reforming of the fuel are subjected to chemical reaction , Water, and heat.

이 때, 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.At this time, the generated electricity is supplied to the outside through the electric power converter (EBOP).

이러한 연료전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.These fuel cells are classified into alkaline type (AFC), phosphate type (PAGC), molten carbonate type (MCFC), solid electrolyte type (SOFC), and polymer electrolyte type (PEMFC) depending on operating temperature and main fuel type.

그 중에서도, 용융 탄산염형(MCFC) 연료전지는, 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 주 연료로 하여 개질 반응을 거쳐서 수소를 공급할 수 있으므로, 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.In particular, since a molten carbonate fuel cell (MCFC) fuel cell can supply hydrogen through a reforming reaction with liquefied natural gas (LNG) as its main fuel, it can be used as an auxiliary power source It is evaluated as appropriate.

이 때, 연료로서 공급되는 LNG와 같은 액화 가스를 수소로 변환하는 개질을 위해서는 물이 필요한데, 이 때 요구되는 물은 이온 불순물이 제거된 초순수가 사용된다.At this time, water is required for the reforming of a liquefied gas such as LNG supplied as fuel to hydrogen. In this case, ultrapure water from which ion impurities are removed is used as water required.

또한, 사용되는 초순수는 연료의 개질이 용이하게 이루어지도록 하기 위해 고온으로 가열된 증기 형태로 공급되어야 한다.In addition, the ultrapure water used must be supplied in the form of a vapor heated to a high temperature so that the reforming of the fuel can be easily performed.

이에 따라, 선박에 탑재된 연료전지의 경우, 연료전지에 공급되는 물을 초순수로 변환시키기 위한 초순수 생성 장치와, 초순수를 고온으로 가열하기 위한 에너지가 별도로 요구된다.Accordingly, in the case of a fuel cell mounted on a ship, an ultrapure water generating device for converting water supplied to the fuel cell into ultrapure water and energy for heating the ultrapure water to high temperature are separately required.

본 발명의 일 실시예는 해수로부터 연료전지에 공급되는 연료의 개질에 필요한 초순수를 생성하는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention is to provide a fuel cell system that generates ultra pure water necessary for reforming fuel supplied from sea water to a fuel cell.

본 발명의 일 실시예는 연료전지에서 배출되는 배기가스의 폐열을 재사용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reusing waste heat of exhaust gas discharged from a fuel cell.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서, 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택; 상기 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 상기 연료의 개질을 위하여 상기 연료 공급부로 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 포함하며, 상기 초순수 공급부는, 상기 선박에서 사용되는 해수를 저장하는 해수 탱크; 상기 연료전지 스택에서 배출되는 배기가스의 폐열을 공급받아서 상기 해수 탱크에서 공급받은 해수를 가열하여 수증기를 추출하는 증발기; 및 상기 증발기와 연결되어 상기 추출된 수증기로부터 이온을 제거하여 상기 초순수를 생성하는 탈이온화 장치를 포함하며, 상기 탈이온화 장치는, 상기 수증기로부터 이온을 제거하는 탈이온 유닛이 복수 개 적층된 형태로 형성되되, 상기 탈이온 유닛은 상기 수증기가 주입 및 배출되는 입구 및 출구를 구비하며, 상기 수증기가 상기 복수 개의 탈이온 유닛을 연속적으로 통과할 수 있도록 서로 인접한 탈이온 유닛 간의 입구와 출구가 서로 연결되는, 연료전지 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system installed in a ship, comprising: a fuel cell stack for converting chemical reaction energy of fuel into electric energy; A fuel supply unit for supplying the fuel to the fuel cell stack; And an ultrapure water supply unit for supplying ultrapure water to the fuel supply unit for reforming the fuel, wherein the ultrapure water supply unit comprises: a seawater tank for storing seawater used in the ship; An evaporator for receiving waste heat of exhaust gas discharged from the fuel cell stack to extract seawater by heating seawater supplied from the seawater tank; And a deionization device connected to the evaporator to remove ions from the extracted steam to generate the ultrapure water, wherein the deionization device includes a plurality of deionization units for removing ions from the steam, Wherein the deionization unit has an inlet and an outlet through which the water vapor is injected and discharged and an inlet and an outlet between adjacent deionization units are connected to each other so that the steam can pass through the plurality of deionization units continuously A fuel cell system is provided.

이 때, 상기 증발기에는 감압 장치가 설치될 수 있다.At this time, a decompression device may be installed in the evaporator.

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한편, 상기 연료 공급부는, 상기 연료가 저장되어 있는 연료 탱크; 상기 연료 탱크로부터 공급된 상기 연료와 상기 초순수 공급부로부터 공급된 상기 초순수가 서로 혼합되는 가습기; 및 상기 가습기로부터 공급된 상기 연료 및 상기 초순수의 혼합물을 수소로 변환시켜서 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 포함할 수 있다.The fuel supply unit may include a fuel tank in which the fuel is stored; A humidifier in which the fuel supplied from the fuel tank and the ultrapure water supplied from the ultrapure water supply unit are mixed with each other; And a reformer for converting a mixture of the fuel and the ultrapure water supplied from the humidifier into hydrogen and supplying the hydrogen to the fuel cell stack.

이 때, 상기 연료 탱크는 상기 선박에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함할 수 있다.At this time, the fuel tank may include a liquid cargo storage tank provided in the ship.

본 발명의 일 측면에 따르면, 해수와 폐열로부터 연료전지에 공급되는 연료의 개질에 필요한 초순수를 생성함으로써, 연료전지 시스템에서 초순수 생성 공정을 단순화시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to simplify the process of producing ultrapure water in a fuel cell system by generating ultrapure water required for reforming the fuel supplied to the fuel cell from seawater and waste heat.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지에서 배출되는 배기가스의 폐열을 재사용함으로써, 효율적인 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.According to an aspect of the present invention, an efficient fuel cell system can be constructed by reusing the waste heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템이 설치된 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 탈이온화 장치를 간단히 도시한 도면이다.1 is a view showing a ship equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view illustrating a deionization apparatus in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템이 설치된 선박을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.1 is a view showing a ship equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 2 is a view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이 때, 도 1 및 도 2에서, 실선의 화살표는 배기가스의 흐름, 파선의 화살표는 물의 흐름, 일점쇄선의 화살표는 연료의 흐름, 이점쇄선의 화살표는 전기의 흐름을 나타낸다.In FIGS. 1 and 2, arrows in solid lines indicate flows of exhaust gas, arrows in broken lines indicate flows of water, arrows in one dotted line indicate flows of fuel, and arrows in double dotted line indicate electric current.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 선박(10)에 설치되어 선박(10)의 구동원 또는 전력 공급원으로 사용되며, 연료전지 스택(120), 연료 공급부(140) 및 초순수 공급부(160)를 포함한다.1, a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention is installed in a ship 10 and is used as a driving source or a power source of a ship 10 and includes a fuel cell stack 120, (140) and an ultrapure water supply unit (160).

연료전지 스택(120)은 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 부분으로, 후술할 연료 공급부(140)로부터 연료를 공급받는다.The fuel cell stack 120 is a part for converting the chemical reaction energy of the fuel into electrical energy, and is supplied with fuel from a fuel supply part 140 to be described later.

이 때, 연료전지 스택(120)은 원하는 전기 출력을 얻기 위해 단위 전지를 복수 개 적층하여 형성될 수 있으며, 전력 변환기(EBOP, 미도시)와 연결되어 선박(10) 내 전력 계통에 연계될 수 있다.In this case, the fuel cell stack 120 may be formed by stacking a plurality of unit cells in order to obtain a desired electric output, and may be connected to an electric power converter (EBOP, not shown) have.

한편, 연료 공급부(140)는 연료를 연료전지 스택(120)으로 공급하는 구성으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 탱크(142), 연료 공급 밸브(143), 가습기(144) 및 개질기(146)를 포함할 수 있다.2, the fuel supply unit 140 supplies fuel to the fuel cell stack 120. The fuel supply unit 140 includes a fuel tank 142, a fuel supply valve 143, A humidifier 144, and a reformer 146. The humidifier 144,

이 때, 연료 탱크(142)는 연료전지 스택(120)으로 공급되는 연료가 저장되는 장소로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박(10)에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함할 수 있다.In this case, the fuel tank 142 is a place where the fuel supplied to the fuel cell stack 120 is stored, and according to an embodiment of the present invention, may include a liquid cargo storage tank provided in the vessel 10 .

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 탱크(142)는 LNG 저장 탱크를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며 연료전지 스택(120)에서 사용될 수 있는 수소를 포함하는 연료를 저장하는 공간은 모두 포함될 수 있다.In this case, according to one embodiment of the present invention, the fuel tank 142 may include an LNG storage tank, but is not limited thereto. The fuel tank 142 may include a space for storing fuel including hydrogen that can be used in the fuel cell stack 120 May be included.

한편, 도 2를 참조하면, 연료 탱크(142)에 저장되어 있는 연료는 가습기(144)로 공급될 수 있다.2, the fuel stored in the fuel tank 142 may be supplied to the humidifier 144.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 탱크(142)에서 가습기(144)로의 연료 공급은 연료 공급 밸브(143)에 의하여 제어될 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the fuel supply from the fuel tank 142 to the humidifier 144 can be controlled by the fuel supply valve 143. [

또한, 도면에 도시되지 않았지만, 연료 공급 밸브(143)는 별도의 제어 장치와 센서에 연결되어, 연료전지 스택(120)에서의 전기 생산 상태 등에 따라, 공급되는 연료량을 조절하는 역할을 수행할 수 있다.Although not shown in the drawings, the fuel supply valve 143 may be connected to a separate control device and a sensor to control the amount of fuel to be supplied depending on the electric production state or the like in the fuel cell stack 120 have.

한편, 가습기(144)는 연료전지 스택(120)으로 공급되는 연료의 개질을 용이하게 하기 위하여 연료에 물을 혼합하기 위한 구성이다.On the other hand, the humidifier 144 is a structure for mixing water into the fuel to facilitate modification of the fuel supplied to the fuel cell stack 120.

이는, 연료전지 스택(120)에서는, 연료를 통해 공급되는 수소와, 공기를 통해 공급되는 산소 간의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 바, 연료 탱크(142)로부터 공급되는 연료는 연료전지 스택(120)으로 공급되기 위해서 연료를 수소로 변환시키는 개질(改質, reforming) 공정이 필요하며, 연료의 개질을 용이하게 하기 위해서는 촉매 역할을 수행할 수 있는 물을 연료에 혼합할 필요가 있기 때문이다.In the fuel cell stack 120, fuel is supplied from the fuel tank 142 through a chemical reaction between hydrogen supplied through the fuel and oxygen supplied through the air. The fuel supplied from the fuel tank stack 120 (Reforming) process to convert the fuel into hydrogen is required to feed the fuel into the fuel. In order to facilitate the reforming of the fuel, it is necessary to mix the water, which can act as a catalyst, into the fuel.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 탱크(142)의 연료는 가습기(144)로 공급되며, 연료와 혼합될 물은 후술할 초순수 공급부(160)로부터 가습기(144)로 공급될 수 있다.The fuel in the fuel tank 142 is supplied to the humidifier 144 and the water to be mixed with the fuel is supplied to the humidifier 144 from the ultrapure water supply unit 160 to be described later have.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료의 개질을 용이하게 하기 위하여 가습기(144)에는 연료를 고온으로 가열할 수 있는 열공급 수단이 설치될 수 있다.In this case, according to an embodiment of the present invention, the humidifier 144 may be provided with a heat supply means for heating the fuel to a high temperature in order to facilitate the modification of the fuel.

이는, 연료의 개질은 고온 상태에서 보다 효과적으로 이루어질 수 있기 때문이다.This is because the modification of the fuel can be made more effectively at a high temperature.

그러나, 이에 한정되지 아니하며, 연료 탱크(142)에서 연료가 가습기(144)로 공급되기 이전에 열공급 수단으로부터 가열될 수도 있으며, 이에 따라 고온 상태의 연료가 가습기(144)로 공급될 수도 있다.However, the present invention is not limited to this, and the fuel may be heated from the heat supply unit before the fuel is supplied to the humidifier 144 in the fuel tank 142, so that the high-temperature fuel may be supplied to the humidifier 144.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 가습기(144)를 통과한 연료와 물의 혼합물은 전술한 개질 공정을 위하여 개질기(146)로 공급될 수 있다.2, a mixture of fuel and water having passed through the humidifier 144 may be supplied to the reformer 146 for the above-described reforming process.

즉, 개질기(146)는 연료를 수소로 변환하기 위한 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택(120)의 외부 또는 내부, 또는 내외부 모두에 배치될 수 있으며, 복수 개의 개질 장치가 연속적으로 배열된 형태로 구성될 수도 있다.That is, the reformer 146 may be disposed outside or inside the fuel cell stack 120, or both inside and outside of the fuel cell stack 120, according to an embodiment of the present invention, May be arranged in a continuous arrangement.

전술한 개질기(146)를 통과한 연료는 수소로 변환되어 연료전지 스택(120) 내부에서 산소와 함께 화학반응이 이루어진다.The fuel that has passed through the reformer 146 is converted into hydrogen and is chemically reacted with oxygen in the fuel cell stack 120.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 전술한 가습기(144)에서 연료와 혼합되는 물이 초순수 공급부(160)를 통해 공급될 수 있는 바, 이하, 초순수 공급부(160)의 구성에 대하여 상세히 설명한다.In the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention, the water mixed with the fuel in the humidifier 144 may be supplied through the ultrapure water supply unit 160. Hereinafter, the ultrapure water supply unit 160 Will be described in detail.

도 1 및 도 2를 참조하면, 초순수 공급부(160)는 개질되기 전의 연료와 혼합되는 물(초순수)을 해수로부터 생성하여, 연료 공급부(140)의 가습기(144)로 공급하기 위한 구성이다.1 and 2, the ultrapure water supply unit 160 is configured to generate water (ultrapure water) mixed with the fuel before reforming from seawater and supply it to the humidifier 144 of the fuel supply unit 140.

이 때, 초순수 공급부(160)로부터 가습기(144)로 공급될 물은 이온 불순물이 제거된 상태의 물, 즉 초순수이어야 한다.At this time, water to be supplied from the ultrapure water supply unit 160 to the humidifier 144 should be water in the state where ion impurities are removed, that is, ultrapure water.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초순수 공급부(160)는 해수 탱크(168), 해수 펌프(166), 증발기(161) 및 탈이온화 장치(165)를 포함할 수 있다.The ultrapure water supply unit 160 may include a seawater tank 168, a seawater pump 166, an evaporator 161, and a deionization unit 165. In this case,

해수 탱크(168)는 초순수의 원료가 되는 해수를 저장하는 공간이다.The seawater tank 168 is a space for storing seawater as a raw material of ultrapure water.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수 탱크(168)는 선박(10)의 흘수를 조정하기 위해 선박(10)에 구비된 밸러스트(ballast) 탱크 또는 선박(10)에서 사용되는 식수나 용수를 공급하기 위하여 해수를 저장해놓은 해수 저장 탱크일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 해수가 존재하는 공간이면 본 발명의 해수 탱크(168)에 포함될 수 있다.In this case, the seawater tank 168 may be a ballast tank provided in the ship 10 for adjusting the draft of the ship 10, or drinking water used in the ship 10 However, the present invention is not limited thereto, and it may be included in the seawater tank 168 of the present invention as long as the space exists in the seawater.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해수 탱크(168)에서 증발기(161)로 이어지는 배관에는 해수 펌프(166)가 설치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a seawater pump 166 may be installed in the piping leading from the seawater tank 168 to the evaporator 161.

이 때, 해수 펌프(166)는 해수를 증발기(161)로 이동시키는 압송 수단으로서, 펌프에 한정되지 아니하며, 해수를 이동시킬 수 있는 다양한 압송 수단으로 구성될 수 있다.At this time, the seawater pump 166 is a press-feeding means for moving the seawater to the evaporator 161. The press-feeding means is not limited to the pump, and may be composed of various press-feeding means capable of moving seawater.

이에 따라, 해수 탱크(168)에 저장된 해수를 용이하게 증발기(161)로 이송시킬 수 있다.Accordingly, the seawater stored in the seawater tank 168 can be easily transferred to the evaporator 161.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 증발기(161)는 해수를 수증기화 하기 위한 구성으로서, 도 2를 참조하면, 연료전지 스택(120)에서 배출되는 배기가스와 열교환을 하도록 구성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the evaporator 161 is configured to vaporize seawater, and may be configured to exchange heat with the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 120, referring to FIG.

보다 상세히, 해수 탱크(168)로부터 공급된 해수는 증발기(161) 내부에서 연료전지 스택(120)에서 배출되는 배기가스와 열교환을 하는데, 이 때 배기가스는 400℃ 이상의 고온이므로, 해수에 포함된 물이 상변화되어 수증기의 형태로 증발하게 된다.More specifically, the seawater supplied from the seawater tank 168 exchanges heat with the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 120 inside the evaporator 161. Since the exhaust gas at this time has a high temperature of 400 ° C or higher, The water is phase-changed and evaporates in the form of water vapor.

이 때, 증발된 수증기는 배기가스의 온도와 같은 400℃ 이상의 고온 상태이며, 염분과 불순물이 제거된 청수 상태의 증기이다.At this time, the evaporated water vapor is a high-temperature state at 400 ° C or more, which is the same as the temperature of the exhaust gas, and is a fresh water state in which salt and impurities are removed.

즉, 증발기(161)로 공급된 해수는 고온의 배기가스의 폐열로부터 폐열을 흡수하고, 고온으로 가열된 해수로부터 물이 상변화되어 수증기 형태로 증발될 수 있다. That is, the seawater supplied to the evaporator 161 absorbs the waste heat from the waste heat of the high-temperature exhaust gas, and the water can be phase-changed from the seawater heated to high temperature and evaporated in the form of water vapor.

이 때, 해수로부터 증발된 고온의 수증기만이 추출되어, 증발기(161)로부터 후술할 탈이온화 장치(165)로 이동될 수 있다.At this time, only the high-temperature steam vapor evaporated from the seawater can be extracted and transferred from the evaporator 161 to the deionization apparatus 165 to be described later.

이 때, 고온 상태의 수증기는 탈이온화 장치(165)를 거쳐서 고온 상태의 초순수로 변환되므로, 결국 초순수는 고온의 스팀 형태로 가습기(144)에 공급될 수 있다.At this time, the water vapor at a high temperature is converted into ultra-pure water at a high temperature through the deionizer 165, so that ultrapure water can be supplied to the humidifier 144 in the form of high-temperature steam.

이 때, 전술하였듯이 연료의 개질은 고온 상태에서 효과적으로 이루어질 수 있는 바, 결과적으로, 해수와 연료전지 스택(120)에서 배출되는 고온의 배기가스와의 열교환에 의하여, 고온 상태의 초순수가 연료 공급부(140)의 가습기(144)로 공급됨으로써, 연료의 개질 공정을 촉진시킬 수 있다.At this time, as described above, the reforming of the fuel can be effectively performed at a high temperature. As a result, by the heat exchange between the seawater and the high temperature exhaust gas discharged from the fuel cell stack 120, 140 to the humidifier 144, thereby facilitating the fuel reforming process.

이와 같이, 연료전지 스택(120)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 재활용함으로써, 가습기(144)로 공급되는 초순수를 고온 상태로 만들기 위해 필요한 가열 수단이 구비될 필요가 없으며, 따라서 추가적인 에너지의 소비를 줄일 수 있어서 효율적이다.By thus recycling the waste heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 120, there is no need to provide the heating means necessary for bringing the ultra pure water supplied to the humidifier 144 into a high temperature state, It is efficient.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 증발기(161)에는 감압 장치(169)가 설치될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the evaporator 161 may be provided with a decompression device 169.

이 때, 감압 장치(169)는 증발기(161) 내부의 압력을 낮추기 위한 장치로서, 해수의 증발량을 늘리기 위함이다. 이는, 해수가 저장된 증발기(161) 내부의 압력이 낮을수록 해수의 증발 압력이 높아져서 증발량이 증가하기 때문이다.At this time, the decompression device 169 is a device for lowering the pressure inside the evaporator 161 in order to increase the evaporation amount of seawater. This is because as the pressure inside the evaporator 161 in which the seawater is stored is lower, the evaporation pressure of the seawater is increased and the evaporation amount is increased.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 감압 장치(169)는 이젝터 또는 밸브일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며 다양한 수단으로 구성될 수 있다.At this time, according to one embodiment of the present invention, the pressure reducing device 169 may be an ejector or a valve, but is not limited thereto and may be configured by various means.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 증발기(161)는 순수한 수증기(H2O) 성분만을 추출해야 하므로, 수증기 성분을 제외한 타 성분을 제거할 수 있는 필터나 여과 장치가 추가적으로 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the evaporator 161 needs to extract only pure water vapor (H 2 O) components, it may further include a filter or a filtration device that can remove other components other than steam components.

한편, 탈이온화 장치(165)는 증발기(161)로부터 공급된 수증기에서 이온을 제거하여 초순수를 생성하고, 생성된 초순수를 전술한 연료 공급부(140)의 가습기(144)로 공급하는 구성이다.The deionizer 165 removes ions from the steam supplied from the evaporator 161 to generate ultrapure water and supplies the generated ultrapure water to the humidifier 144 of the fuel supply unit 140 described above.

이 때, 증발기(161)로부터 공급된 수증기는 염분이나 타 물질성분이 포함되어 있지 않은 순수한 청수 상태이므로, 수증기로부터 이온 불순물을 제거하면 초순수 상태가 될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈이온화 장치(165)에서 수증기 내에 포함되어 있는 이온 불순물을 제거할 수 있다.At this time, the water vapor supplied from the evaporator 161 is in a pure water state in which salt or other material components are not contained. Therefore, when the ion impurities are removed from the water vapor, the water vapor may be in an ultra pure water state. According to an embodiment of the present invention, It is possible to remove the ion impurities contained in the water vapor in the deionization device 165.

이 때, 초순수는, 전술하였듯이, 수소가 포함된 연료와 혼합되어 연료를 수소로 변환시키는 개질을 돕는 역할을 수행할 수 있다.At this time, as described above, the ultrapure water can be mixed with the fuel containing hydrogen to help reform the fuel into hydrogen.

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 탈이온화 장치를 간단히 도시한 도면이다.3 is a schematic view illustrating a deionization apparatus in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이 때, 도 3에서 파선의 화살표는 수증기의 흐름을 나타낸다.At this time, an arrow in a dashed line in FIG. 3 represents the flow of water vapor.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 탈이온화 장치(165)는 수증기로부터 이온을 제거하는 복수 개의 탈이온 유닛(164)이 적층된 형태로 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 3, the deionization device 165 may be formed in a stacked structure of a plurality of deionization units 164 for removing ions from water vapor.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈이온 유닛(164)은 전기 탈이온 (Electrodeionization:EDI) 또는 축전식 탈이온(Capacitive Deionization: CDI) 방식으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 다양한 방식으로 구성될 수 있다.In this case, according to one embodiment of the present invention, the deionization unit 164 may be formed by electrodeposition (EDI) or capacitive deionization (CDI), but is not limited thereto, And can be configured in various ways.

여기서, EDI 기술은 순수 및 초순수 제조용 전기 탈이온 장치로서, 전기투석 장치의 희석실에 이온교환수지를 충진시킨 것이다. EDI는 수평으로 배치되며 전극판이 내장된 다수 개의 셀(cell)과 이러한 셀이 모인 스택(stack)으로 구성될 수 있으며, 반응속도와 전력소모에서 전기 투석법보다 우수하기 때문에 낮은 전해질을 가진 수처리에 다양하게 응용되고 있다. 주로 전자 및 반도체회사의 초순수 생산설비에 적용되어 온 EDI 방식은 기존의 이온 교환수지를 사용하는 데미 시스템(DEMI SYSTEM)과 달리 전기적으로 이온을 제거하기 때문에 재생을 위하여 약품을 사용하지 않으며 이에 따른 재생 폐액이 생성되지 않아 환경 친화적인 방식이다.Here, EDI technology is an electric deionization device for producing pure water and ultra pure water, in which a dilution chamber of an electrodialysis device is filled with an ion exchange resin. The EDI is arranged horizontally and can be composed of a plurality of cells with built-in electrode plates and stacks of these cells and is superior to the electrodialysis method in terms of reaction speed and power consumption, Various applications have been made. The EDI system, which has been applied mainly to the ultrapure water production facilities of electronics and semiconductor companies, does not use chemicals for regeneration because it eliminates electrons ion unlike the demi system (DEMI SYSTEM) using existing ion exchange resins. It is environment-friendly because no waste liquid is generated.

또한, CDI 기술은 다공성의(porous) 두 전극에 전원을 인가하여 양극 전극(Positive electrode)에는 음이온이, 음극 전극(Negative electrode)에는 양이온이 전기적으로 흡착하여 물과 같은 유체 속에 용존하는 이온을 제거하는 간단한 원리에 기초한다. 또한 전극에 이온의 흡착이 포화상태가 되면 전극의 극성을 반대로 바꾸어 주거나 전원을 차단하여 전극에 흡착되어 있는 이온들을 분리(탈착)시킴으로서 전극의 재생이 간편하다. 또한 CDI 기술은 전극의 재생을 위해 이온교환수지법이나 역삼투압법과 같이 산이나 염기 등의 세척용액을 사용하지 않으므로 2차적으로 발생하는 화학적 폐기물이 전혀 없고, 전극의 부식이나 오염이 거의 없어 수명이 반영구적이며 다른 처리방식에 비해 에너지 효율이 높아 에너지를 10~20배 절감할 수 있다.In CDI technology, negative ions are applied to a positive electrode and positive ions are electrically adsorbed to a negative electrode by applying power to two porous electrodes to remove ions dissolved in a fluid such as water Based on simple principles. In addition, when the adsorption of ions into the electrode is saturated, the polarity of the electrode is reversed or the power is shut off to separate (desorb) the ions adsorbed on the electrode, so that the electrode can be easily regenerated. In addition, since CDI technology does not use acid or base cleaning solution such as ion exchange resin method or reverse osmosis method for electrode regeneration, there is no chemical waste generated secondarily, there is almost no corrosion or pollution of electrodes, It is semi-permanent and energy efficient compared to other treatment methods, which can save energy by 10 to 20 times.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 탈이온 유닛(164)은 수증기가 내부로 유동할 수 있는 형태이며, 수증기가 주입 및 배출될 수 있는 입구 및 출구를 구비할 수 있다.3, the deionization unit 164 is a type in which water vapor can flow into the interior, and includes an inlet and an outlet through which water vapor can be injected and discharged can do.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈이온화 장치(165)는 수증기가 복수 개의 적층된 탈이온 유닛(164)을 연속적으로 통과할 수 있도록, 서로 인접한 탈이온 유닛(164) 간의 입구와 출구가 서로 연결되게 형성될 수 있다.At this time, according to one embodiment of the present invention, the deionization apparatus 165 is provided with an inlet and an outlet between the adjacent deionization units 164 so that water vapor can pass through the plurality of stacked deionization units 164 continuously The outlets may be formed to be connected to each other.

이에 따라, 탈이온화 장치(165)는 소형화될 수 있으며, 탈이온화 장치(165)에 주입된 수증기는 탈이온화 장치(165)의 내부를 유동함에 따라, 적은 공간에서 효과적으로 이온이 제거될 수 있다.Accordingly, the deionization apparatus 165 can be miniaturized, and as the water vapor injected into the deionization apparatus 165 flows inside the deionization apparatus 165, the ions can be effectively removed in a small space.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 해수로부터 연료의 개질에 필요한 초순수를 생성하는 공정을 위해 연료전지 스택(120)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 재활용함으로써, 추순수의 가열을 위한 부가적 에너지 투입을 줄여서 효율적인 에너지 활용이 가능하다.As described above, the fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention recycles the waste heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 120 for the process of generating ultrapure water required for reforming the fuel from seawater, It is possible to utilize efficient energy by reducing the additional energy input for heating the pure pure water.

또한, 초순수 생성 공정에 폐열을 활용함과 동시에, 초순수를 생성하기 위한 탈이온화 장치(165)를 적층 형태로 컴팩트하게 구성하여, 초순수를 생성하기 위한 공정 단계를 보다 효율적으로 구성할 수 있으며, 연료전지 시스템(100) 구성의 단순화를 도모할 수 있다.In addition, waste heat can be utilized in the ultrapure water generation process, and the deionization device 165 for producing ultrapure water can be constructed in a compact form in a laminated form, so that a process step for producing ultrapure water can be configured more efficiently, The configuration of the battery system 100 can be simplified.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 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 will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10 선박 100 연료전지 시스템
120 연료전지 스택 140 연료 공급부
141 연료 탱크 143 연료 공급 밸브
144 가습기 146 개질기
160 초순수 공급부 161 증발기
164 탈이온 유닛 165 탈이온화 장치
166 해수 펌프 168 해수 탱크
169 감압 장치10 Ships 100 Fuel Cell System
120 Fuel cell stack 140 Fuel supply part
141 Fuel tank 143 Fuel supply valve
144 Humidifier 146 Reformer
160 an ultrapure water supply unit 161 an evaporator
164 deionization unit 165 deionization unit
166 Seawater pumps 168 Seawater tanks
169 Pressure reducing device

Claims (6)

선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서,
연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택;
상기 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및
상기 연료의 개질을 위하여 상기 연료 공급부로 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 포함하며,
상기 초순수 공급부는,
상기 선박에서 사용되는 해수를 저장하는 해수 탱크;
상기 연료전지 스택에서 배출되는 배기가스의 폐열을 공급받아서 상기 해수 탱크에서 공급받은 해수를 가열하여 수증기를 추출하는 증발기; 및
상기 증발기와 연결되어 상기 추출된 수증기로부터 이온을 제거하여 상기 초순수를 생성하는 탈이온화 장치를 포함하며,
상기 탈이온화 장치는,
상기 수증기로부터 이온을 제거하는 탈이온 유닛이 복수 개 적층된 형태로 형성되되,
상기 탈이온 유닛은 상기 수증기가 주입 및 배출되는 입구 및 출구를 구비하며,
상기 수증기가 상기 복수 개의 탈이온 유닛을 연속적으로 통과할 수 있도록 서로 인접한 탈이온 유닛 간의 입구와 출구가 서로 연결되는, 연료전지 시스템.1. A fuel cell system installed on a ship,
A fuel cell stack for converting the chemical reaction energy of the fuel into electric energy;
A fuel supply unit for supplying the fuel to the fuel cell stack; And
And an ultrapure water supply unit for supplying ultrapure water to the fuel supply unit for reforming the fuel,
The ultra-
A seawater tank for storing seawater used in the ship;
An evaporator for receiving waste heat of exhaust gas discharged from the fuel cell stack to extract seawater by heating seawater supplied from the seawater tank; And
And a deionization device connected to the evaporator to remove ions from the extracted steam to generate the ultrapure water,
The deionization device comprises:
A plurality of deionization units for removing ions from the water vapor are stacked,
Wherein the deionization unit has an inlet and an outlet through which the water vapor is injected and discharged,
And an inlet and an outlet between adjacent deionization units are connected to each other so that the water vapor can continuously pass through the plurality of deionization units. 제 1항에 있어서,
상기 증발기에는 감압 장치가 설치되는, 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the evaporator is provided with a pressure reducing device. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 연료 공급부는,
상기 연료가 저장되어 있는 연료 탱크;
상기 연료 탱크로부터 공급된 상기 연료와 상기 초순수 공급부로부터 공급된 상기 초순수가 서로 혼합되는 가습기; 및
상기 가습기로부터 공급된 상기 연료 및 상기 초순수의 혼합물을 수소로 변환시켜서 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 포함하는, 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the fuel supply unit includes:
A fuel tank in which the fuel is stored;
A humidifier in which the fuel supplied from the fuel tank and the ultrapure water supplied from the ultrapure water supply unit are mixed with each other; And
And a reformer for converting a mixture of the fuel and the ultrapure water supplied from the humidifier into hydrogen and supplying the hydrogen to the fuel cell stack. 제 5항에 있어서,
상기 연료 탱크는 상기 선박에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함하는, 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
Wherein the fuel tank includes a liquid cargo storage tank provided in the ship.
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