KR101457907B1 - 선박용 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

선박용 연료 전지 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템은, 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스, 상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스, 상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인, 상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브, 및 상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함한다.

Description

선박용 연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM FOR SHIP}
본 발명은 선박용 연료 전지 시스템에 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 고온형연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 각종 탄화수소계 연료를 적용할 수 있어 선박용 연료전지로 주목 받고 있다.
그러나 이러한 고온형연료전지는 부하추종성이 낮은 문제가 있다. 또한 부하추종성을 높이기 위하여, 연료전지스택을 복수로 구비하여 고온형연료전지를 형성할 수 있다. 이 경우, 하나 또는 복수의 연료전지스택이 기계적 또는 화학적인 원인 등에 의해서, 성능을 제대로 나타내지 못 할 수 있다. 이때, 연료전지스택은 연료 공급이 중단되어, 운전이 중단될 수 있다.
운전이 중단되면, 연료전지스택에서 발열반응이 일어나지 않으므로 연료전지스택이 서서히 냉각된다. 그런데 고온형연료전지는 열 사이클 대처 능력이 낮다. 즉 연료전지스택이 냉각(cool down)되었다가 다시 가열(heat up)되는 경우, 온도차에 의해 연료전지스택에 사용되는 실란트 등이 파손될 수 있다. 따라서 연료전지스택의 내구성을 위하여, 운전되지 않더라도 연료전지스택은 고온 상태, 즉 핫 스탠바이(hot standby) 상태를 유지할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예는 부하추종성이 향상된 선박용 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 복수의 연료전지스택 중 운전되지 않는 연료전지스택을 고온 상태로 유지하는 선박용 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박용 연료 전지 시스템은, 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스, 상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스, 상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부, 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인, 상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브, 및 상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함한다.
상기 핫 스탠바이 라인은, 상기 제1 연료전지스택의 배기가스 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 연결할 수 있다.
상기 열유체조절밸브는, 상기 배기가스 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브일 수 있다.
상기 핫 스탠바이 라인은, 엔진의 배기가스를 공급하는 폐열 라인과 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스를 연결할 수 있다.
상기 열유체조절밸브는, 상기 폐열 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 온오프 밸브일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템은, 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스 내부에 설치되는 열교환기를 더 포함하며, 상기 핫 스탠바이 라인은, 상기 선박의 스팀을 공급하는 스팀 라인과 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스 내의 열교환기를 연결할 수 있다.
상기 열유체조절밸브는, 상기 스팀 라인과 상기 열교환기의 연결부에 설치되는 온오프 밸브일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템은, 상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 공급부는, 상기 제1 연료전지스택의 공기극 배기구를 순차적으로 상기 제2 연료전지스택의 공기극 공급구에 연결하는 미반응 공기 공급 라인, 상기 미반응 공기 공급 라인에 연결되어 불활성가스를 공급하는 불활성 가스 공급 라인, 및 상기 미반응 공기 공급 라인과 상기 불활성 가스 공급 라인의 연결부에 설치되는 공기량조절밸브를 포함할 수 있다.
상기 핫 스탠바이 라인은, 상기 제1 연료전지스택의 배기가스 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 순차적으로 연결할 수 있다.
상기 열유체조절밸브는, 상기 배기가스 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브일 수 있다.
상기 연료 공급부는, 상기 제1 연료전지스택의 연료극 배기구를 순차적으로 상기 제2 연료전지스택의 연료극 공급구에 연결하는 미반응 연료 공급 라인을 포함하되, 상기 핫 스탠바이 라인은, 상기 미반응 연료 공급 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 순차적으로 연결할 수 있다.
상기 열유체조절밸브는, 상기 미반응 연료 공급 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 선박의 전력 제어부에서 부하의 전력수요에 대한 정보를 연료 전지 시스템의 전력변환부로 전달하고 전력변환부가 복수로 연결된 연료전지스택으로 공급되는 연료의 양을 조절하여 연료 전지 시스템에서 생산하는 전력의 양을 제어하므로 연료 전지 시스템의 부하추종성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 복수의 연료전지스택 중 작동하지 않는 연료전지스택에 고온의 열유체, 예를 들면, 작동 중인 연료전지스택에서 배출되는 고온의 배기가스, 엔진의 폐열 또는 폐열을 이용한 스팀을 공급하여 작동하지 않는 연료전지스택을 고온 상태로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료전지스택 전단부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료전지스택의 작동 상태를 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 1의 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
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.
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" 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 부유식 액화천연가스 생산 저장 하역 설비(FLNG)와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박은 예를 들어, 액화천연가스 운반선(LNGC) 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료전지스택 전단부의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료전지스택의 작동 상태를 나타낸 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(100)은 연료 공급부(110), 공기 공급부(220), 압력 탱크(140), 멀티스택룸(Multi Stack Room)(150), 전력 변환부(160) 및 선박의 전력 제어부(170)를 포함한다.
연료 공급부(110)는 연료전지스택(S1~S6)으로 연료인 개질가스를 공급하기 위한 구성 요소로서, 탈황기(120) 및 개질기(130)를 포함할 수 있다. 공기 공급부(220)는 연료전지스택(S1~S6)으로 산소를 포함하는 공기를 공급할 수 있다.
선박의 저장 탱크 등에 액체 상태로 저장된 연료, 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG)는 연료 공급부(110)의 탈황기(120)로 공급되어 황성분이 제거된 후 기화된 상태로 개질기(130)로 전달된다. 이 때, 도면에 도시되지는 아니하였으나, 연료 공급부(110)는 탈황기(120)에서 나온 연료를 기화시키기 위하여 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
개질기(130)는 탈황기(120)로부터 연료를 공급받아 수소(H2)와 매탄(CH4)을 포함하는 개질 가스를 생성한다. 여기서, 연료의 개질(Fuel reforming)은 원료로 제공되는 연료를 연료전지스택(S1~S6)에서 요구되는 상태로 전환하는 것을 의미한다.
개질기(130)로부터 나온 개질 가스는 압력 탱크(140) 내에 저장된다. 압력 탱크(140)는 일정한 압력을 유지하도록 설정되며, 멀티스택룸(150) 내의 연료전지스택(S1~S6)으로 개질가스를 공급하는 연료공급 버퍼로서의 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 공급부(110)는 선박 부하(180)의 전력수요와 상관없이 개질 가스를 생산하며, 압력 탱크(140)의 압력이 낮아지면 연료 공급부(110)에서 압력 탱크(140)의 압력이 일정한 수준을 유지될 수 있도록 연료를 공급한다.
이와 동시에, 공기 공급부(220)는 멀티스택룸(150) 내의 연료전지스택(S1~S6)으로 공기를 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기 공급부(220)는 선박 부하(180)의 전력수요에 상응하도록 공기를 공급한다.
멀티스택룸(150)은 열과 행으로 배치된 복수의 연료전지스택(S1~S6), 인가되는 제어신호에 따라 복수의 연료전지스택(S1~S6)으로 각각 연료인 개질 가스를 공급하도록 제어되는 복수의 연료량조절밸브(V1~V6), 및 연료전지스택(S1~S6)을 각각 내장하는 복수의 핫 박스(B1~B6)를 포함한다.
이 때, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 연료전지스택(S1~S6)은 6개로 구성되며, 각각 3개의 연료전지스택(S1~S6)이 2열로 배열되되, 병렬로 연결되도록 형성된다. 이하, 멀티스택룸(150)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 매탄(CH4)이 포함된 개질 가스와 산소(O2)의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산한다. 연료전지스택(S1~S6)에서 생산된 전력은 전력 공급라인을 통해서 전력 변환부(160)로 전달된다.
복수의 연료량조절밸브(V1~V6)는 복수의 연료전지스택(S1~S6)에 각각 연결된 복수의 연료 공급 라인(145b)에 각각 설치된다. 여기서 복수의 연료 공급 라인(145b)은 압력 탱크(140)와 복수 개의 연료전지스택(S1~S6)을 연결한다.
이 때, 복수의 연료 공급 라인(145b)은 압력 탱크(140)에 연결된 주 연료 공급 라인(145a)으로부터 분기되어 압력 탱크(140)로부터 연료를 각각의 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되도록 한다.
연료량조절밸브(V1~V6)는 개방(on) 또는 폐쇄(off)되어 개질 가스가 해당 연료전지스택(S1~S6)으로 공급 또는 차단되도록 한다. 이 때, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 복수의 연료량조절밸브(V1~V6) 각각은 온오프 밸브일 수 있다. 그러나, 연료량조절밸브는 솔레노이드 밸브와 같이 밸브의 개폐량에 따라 유량을 조절할 수 있는 밸브로 이루어질 수도 있다.
압력 탱크(140)에 저장된 개질 가스는 주 연료 공급 라인(145a) 및 연료 공급 라인(145b)을 거쳐 복수의 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되고, 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기는 공기 공급 라인(155b)(도 4 참조)을 거쳐 복수의 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되며, 이에 따라 연료전지스택(S1~S6)은 전기를 생산한다.
이 때, 주 연료 공급 라인(145a)에는 레귤레이터(146)가 설치되어 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 연료, 즉 개질 가스의 공급 압력이 일정하게 유지되도록 한다.
한편, 주 연료 공급 라인(145a)에는 벤트 라인(147)이 설치될 수 있다. 이 때, 벤트 라인(147)은 예를 들어 연료전지스택(S1~S6)의 운전 부하가 낮아 연료 소모량이 적을 경우 압력 탱크(140)의 압력 조절이 필요한데, 이와 같을 경우 벤트 라인(147)을 통하여 개질 가스를 배출시킬 수 있다.
배출된 개질 가스 등은 보일러(미도시) 등에 의하여 연소되거나, 연료 공급부(110)로 다시 공급되어 연료 공급부(110) 내에 설치되는 연소기(미도시) 등의 연료로 활용되거나 또는 단순히 외부로 배출될 수도 있다.
이 때, 벤트 라인(147)을 통한 개질 가스의 배출은 압력 탱크(140) 내의 압력 센서(142)에서 측정된 압력 탱크(140) 내부 압력 또는 레귤레이터(146) 앞단의 압력 센서(미도시)에 의해서 측정된 연료 공급 압력에 따라 이루어질 수 있다.
핫 박스(B1~B6)는 연료전지스택(S1~S6)을 각각 수용하여 연료전지스택(S1~S6) 중 일부가 구동되지 않더라도 구동되지 않는 연료전지스택을 고온 상태로 유지할 수 있게 한다. 이를 위하여, 제1 실시예는 핫 박스(B1~B6)에 고온의 열유체를 공급하기 위한 핫 스탠바이 라인과 열유체조절밸브를 포함한다.
도 4는 도 1의 선박용 연료 전지 시스템에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다. 편의상, 도 4는 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)을 내장하는 제1, 제2 핫 박스(B1, B2), 제1, 제2 핫 박스(B1, B2)에 열유체를 공급 제어하는 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)과 제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)를 예시한다.
도 4를 참조하면, 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)은 제1, 제2 핫 박스(B1, B2)에 연결되어, 제2, 제1 연료전지스택(S2, S1)이 운전되지 않을 때, 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)에 각각 열유체를 공급할 수 있다. 제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)는 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)에 설치되어 제1, 제2 핫 박스(B1, B2)로 열유체의 공급을 단속한다.
제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)에는 연료극 공급구(FI)와 배기구(FO), 공기극 공급구(AI)와 배기구(AO)를 구비한다.
연료극 공급구(FI)에는 연료 공급 라인(145b)이 연결되고, 연료극 배기구(FO)에는 배기가스 라인(245b)이 연결된다. 공기극 공급구(AI)에는 공기 공급 라인(155b)이 연결되고, 공기극 배기구(AO)에는 미반응 공기 라인(255b)이 연결된다.
편의상, 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)을 예로 들어 공기 공급부(220)를 설명한다. 공기 공급부(220)는 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)에 공기를 공급하는 공기 공급 라인(155b), 공기 공급 라인(155b) 각각에 연결되어 불활성가스를 공급하는 불활성 가스 공급 라인(156b), 및 공기량조절밸브(V21, V22)를 포함한다.
공기량조절밸브(V21, V22)는 공기 공급 라인(155b)과 불활성 가스 공급 라인(156b)의 연결부에 설치되어, 공기 공급 라인(155b)으로 공급되는 공기와 불활성 가스 공급 라인(156b)으로 공급되는 불활성 가스를 선택적으로 공기극 공급구(AI)에 공급한다.
즉, 공기량조절밸브(V21, V22)는 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)이 정상적으로 운전되는 경우, 공기량을 조절하여 공급하고, 정지된 경우, 불활성 가스를 공급할 수 있다.
제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)은 제2, 제1 연료전지스택(S2, S1)의 배기가스 라인(245b)을 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)의 핫 박스(B1, B2)에 각각 연결한다. 제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)는 배기가스 라인(245b)과 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)의 연결부에 각각 설치되는 삼방향 밸브로 형성될 수 있다.
제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)는 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)이 정상 운전되는 경우, 배기가스 라인(245b)으로 배기가스를 배출시킨다. 그러나 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 연료전지스택(S1)이 정상 작동하고, 제2 연료전지스택(S2)이 작동하지 않을 수 있다.
이 경우, 제1 열유체조절밸브(V31)는 제1 연료전지스택(S1)의 배기가스 라인(245b)을 제2 핫 스탠바이 라인(ST2)에 연결하여, 제1 연료전지스택(S1)에서 배출되는 고온의 배기가스를 제2 핫 스탠바이 라인(ST2)을 통하여 제2 핫 박스(B2)로 공급한다. 따라서 제2 핫 박스(B2) 내의 제2 연료전지스택(S2)은 작동되지 않지만 고온 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST1, ST2)에 설치된 제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)가 선택 및 조절됨에 따라 제2, 제1 핫 박스(B2, B1)로 공급되는 열유체의 양이 결정된다.
이와 같은 제1, 제2 열유체조절밸브(V31, V32)의 선택 및 조절 여부는 전력 변환부(160)에서 전달된 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)의 운전 및 정지 신호에 따라 제어될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연료 공급 라인(145b)에 설치된 연료량조절밸브(V1~V6)가 개폐됨에 따라 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 연료의 양이 결정되는데, 이와 같은 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐 여부는 전력 변환부(160)에서 전달된 개폐 신호에 의하여 제어된다.
보다 상세히, 전력 변환부(160)는 멀티스택룸(150)에서 출력되는 직류전력을 선박 내의 전력부하에서 사용하기에 적합한 교류전력으로 변환한다. 전력 변환부(160)는 교류전력을 전력계통을 통해서 선박 부하(180)로 전달한다.
선박의 전력 제어부(170)는 선박의 전력 계통을 제어하며 선박 부하(180)의 전력 수요를 판단한다. 또한 선박의 전력 제어부(170)는 선박 부하(180)의 전력수요에 대한 정보를 전력 변환부(160)로 전달한다.
그러면, 전력 변환부(160)에서는 선박의 전력 제어부(170)에서 전달된 선박 부하(180)의 전력수요에 대한 정보를 바탕으로 연료전지스택(S1~S6)의 작동을 제어한다.
보다 상세히 설명하면, 전력 변환부(160)에는 제어기(163)가 설치되며, 선박 부하(180)의 전력수요에 대한 정보를 바탕으로 제어기(163)가 각 연료전지스택(S1~S6)과 연결된 연료량조절밸브(V1~V6) 및 공기량조절밸브의 개폐를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박 부하(180)의 전력수요의 변화를 선박 전력 제어부(170)가 판단하고, 이러한 정보를 바탕으로 전력 변환부(160)가 연료량조절밸브(V1~V6) 및 공기량조절밸브를 개폐하여 연료전지스택(S1~S6)을 제어함으로써 보다 신속하게 부하에 추종하여 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 작동을 도 3를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선, 선박 부하(180)의 전력수요에 따라 선박의 전력 제어부(170)가 전력 수요에 대한 정보를 전력 변환부(160)에 전달한다.
그러면, 전력 변환부(160)의 제어기(163)에서 3개의 연료전지스택에서 전력을 생산할 필요가 있다고 판단하고, 선택적으로, 예를 들어, 제1 연료량조절밸브(V1), 제2 연료량조절밸브(V2) 및 제3 연료량조절밸브(V3)를 개방(on)하고, 제4 연료량조절밸브(V4), 제5 연료량조절밸브(V5) 및 제6 연료량조절밸브(V6)를 폐쇄(off)한다.
그러면, 개질 가스와 공기가 제1 내지 제 3 연료전지스택(S1~S3)으로 공급되어 제 1 내지 제 3 연료전지스택(S1~S3)이 작동되어 전력을 생산하고, 제4 내지 제 6 연료전지스택(S4~S6)에는 개질 가스와 공기의 공급이 중단되어 제4 내지 제 6 연료전지스택(S4~S6)은 전력 생산을 중단한다.
이 때 개질기(130)는 압력 탱크(140) 내에 설치되는 압력 센서(142)에 의하여 측정된 압력 탱크(140)의 압력에 추종하여 개질 가스를 생산하며 선박 부하(180)의 전력수요와 상관없이 개질 가스를 생산하여 압력 탱크(140)에 공급한다.
한편, 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 개질 가스의 공급량을 결정하도록 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐 제어가 이루어지면, 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐 정도에 따라 압력 탱크(140)로부터 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 개질 가스의 연료 공급 압력을 일정하게 유지하기 위한 레귤레이터(146)의 제어가 이루어진다.
이 때, 예를 들어 개폐되는 연료량조절밸브(V1~V6)의 개수에 따라 연료 공급 압력을 일정하게 유지하기 위한 레귤레이터(146)의 제어 방법, 예를 들어 레귤레이터(146)의 개폐 정도는 미리 설정될 수 있다. 이에 따라, 개폐되는 연료량조절밸브(V1~V6)의 수 또는 공급되는 연료의 양에 따라 레귤레이터(146)가 자동적으로 제어되도록 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 작동 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(100)의 작동 방법은 연료 공급부(110)로부터 공급된 연료를 압력 탱크(140)에 저장하는 단계(S101), 선박의 전력을 제어하는 선박의 전력 제어부(170)에서 선박 부하의 전력 수요를 판단하는 단계(S102), 선박의 전력 제어부(170)에서 판단된 전력 수요 정보를 전력 변환부(160)로 전달하는 단계(S103), 전력 변환부(160)에서 압력 탱크(140)로부터 복수개의 연료전지스택(S1~S6)으로 공급되는 복수의 연료 공급 라인(145b)에 설치되는 복수의 연료량조절밸브(V1~V6)를 제어하는 단계(S104) 및 복수의 연료량조절밸브(V1~V6)를 통하여 공급되는 연료의 공급 압력을 조절하는 단계(S105)를 포함할 수 있다.
먼저, 연료를 압력 탱크(140)에 저장하는 단계(S101)에서는 개질기(130)에서 생산된 개질 가스를 압력 탱크(140)에 기 설정된 압력으로 가압하여 저장한다.
그 후, 선박의 전력을 제어하는 선박의 전력 제어부(170)에서 선박 부하의 전력 수요를 판단하는 단계(S102)에서는 선박에 설치되어 선박 전체의 전력을 제어하는 선박 전력 제어부(170)에서 선박의 전력수요를 판단하고 필요한 전력을 연산한다.
그리고, 선박 전력 제어부(170)에서 판단된 전력 수요 정보를 전력 변환부(160)로 전달하는 단계(S103)에서는 선박 전력 제어부(160)에서 판단된 필요한 전력량에 대한 정보를 전력 변환부(160)로 전달한다.
전력 변환부(160)에서 복수의 연료량조절밸브(V1~V6)를 제어하는 단계(S104)에서는 전력 변환부(160)에 설치된 제어부(153)에서 연료량조절밸브(V1~V6)를 개방 또는 폐쇄하는 신호를 송출하여 필요한 전력이 생산될 수 있도록 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐를 제어한다.
한편, 복수의 연료량조절밸브(V1~V6)를 통하여 공급되는 연료의 공급 압력을 조절하는 단계(S105)에서는 복수의 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐 정도에 따라 연료 공급 압력을 일정하게 유지하기 위하여 레귤레이터(146)를 조절한다.
압력 탱크(140)로부터 연료가 공급되면 압력 탱크(140)의 압력 변화가 발생하게 되며, 이 때, 압력 탱크(140) 내부의 압력을 측정한다(S106).
그리고, 측정된 압력 탱크(140)의 압력에 따라 연료 공급부(110), 예를 들어 개질기(130)의 작동을 제어하여 압력 탱크(140)로 공급되는 연료의 양을 조절(S107)한다.
이와 같이 압력 탱크(140)로 공급되는 연료의 양이 조절되면서 연료가 압력 탱크(140)에 저장되는 과정이 반복되며 연료 전지 시스템의 작동이 제어될 수 있다.
종래의 연료 전지 시스템은 선박의 부하에 추종하여 전력을 생산하기 위하여 연료공급부 내의 개질기 등을 직접 제어하도록 구성되었다. 그러나 이와 같은 연료 전지 시스템의 제어 방법은 개질 가스를 생산하는 시간과 개질 가스를 공급하여 연료전지 시스템을 가동하는데 많은 시간이 소요되므로 부하의 증가에도 불구하고 전력생산의 증가 속도가 늦어져서 부하추종성이 낮을 수 있다.
그러나 본 실시예에서와 같이 압력 탱크(140)에 개질 가스가 충분히 저장된 상태에서 선박의 전력 제어부(170) 및 전력 변환부(160)에 의한 연료량조절밸브(V1~V6)의 개폐로 연료전지스택(S1~S6)으로 유입되는 개질 가스의 양을 전력 변환부(160)에서 제어하면 보다 신속하게 연료전지스택(S1~S6)의 전력 생산을 수행할 수 있어 연료전지 시스템의 부하추종성이 향상될 수 있다.
또한, 제1 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(100)은, 열유체조절밸브를 제어하여, 정지된 연료전지스택의 핫 박스로 열유체를 공급하여, 정지된 연료전지스택을 고온 상태, 즉 핫 스탠바이 상태로 유지시킬 수 있다.
도 4를 예로 들면, 제1 열유체조절밸브(V31)를 제어하여, 제1 연료전지스택(S1)에서 생성되는 고온의 배기가스를 정지된 제2 연료전지스택(S2)의 핫 박스(B2)로 공급함으로써, 정지된 제2 연료전지스택(S2)이 핫 스탠바이 상태로 유지될 수 있다.
이하에서 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예 및 기설명된 실시예와 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(200)에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 6을 참조하면, 제2 실시예의 선박용 연료 전지 시스템(200)에서, 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST21, ST22)은 엔진(미도시)의 배기가스를 공급하는 폐열 라인(165b)과 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)의 제1, 제2 핫 박스(B1, B2)를 연결한다.
제1, 제2 열유체조절밸브(V41, V42)는 폐열 라인(165b)과 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST21, ST22)의 연결부에 설치된다. 예를 들면, 제1, 제2 열유체조절밸브(V41, V42)는 온오프 밸브로 형성될 수 있다.
제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)이 작동하지 않을 경우, 제1, 제2 열유체조절밸브(V41, V42)는 각각 폐열 라인(165b)으로 공급되는 패열을 제2, 제1 핫 박스(B2, B1)에 각각 공급할 수 있다.
폐열은 제2, 제1 핫 박스(B2, B1)에 각각 공급하여, 작동하지 않는 제2, 제1 연료전지스택(S2, S1)을 고열 상태로 유지시킨다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(300)에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 7을 참조하면, 제3 실시예의 선박용 연료 전지 시스템(300)은 제1, 제2 핫 박스(B1, B2) 내부에 설치되는 제1, 제2 열교환기(H1, H2)를 더 포함한다.
제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST31, ST32)은 선박에 사용되는 고온의 스팀을 공급하는 스팀 라인(175b)과 제2, 제1 핫 박스(B1, B2) 내의 제2, 제1 열교환기(H2, H1)를 연결한다.
제1, 제2 열유체조절밸브(V41, V42)는 스팀 라인(175b)과 제1, 제2 핫 스탠바이 라인(ST31, ST32)의 연결부에 설치된다. 예를 들면, 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)이 작동하지 않을 경우, 제1, 제2 열유체조절밸브(V41, V42)는 각각 스팀 라인(175b)으로 공급되는 스팀을 제2, 제1 핫 박스(B2, B1)의 제2, 제1 열교환기(H2, H2)에 각각 공급할 수 있다.
제2, 제1 열교환기(H2, H2)는 스팀으로 전달되는 열을 제2, 제1 핫 박스(B2, B1)에 각각 공급하여, 작동하지 않는 제2, 제1 연료전지스택(S2, S1)을 고열 상태로 유지시킨다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(400)에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 8을 참조하면, 제4 실시예의 선박용 연료 전지 시스템(400)은 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)를 순차적으로 연결한다. 이를 위하여, 미반응 공기 공급 라인(355b)은 제1 연료전지스택(S1)의 공기극 배기구(AO)를 순차적으로 제2 연료전지스택(S2)의 공기극 공급구(AI)에 연결한다.
따라서, 제4 실시예에서 공기 공급부(320)는 미반응 공기 공급 라인(355b)과, 불활성 가스 공급 라인(156b), 및 제1, 제2 공기량 조절밸브(V21, V22)를 포함한다.
미반응 공기 공급 라인(355b)은 제1 연료전지스택(S1)의 공기극 배기구(AO)를 제2 연료전지스택(S2)의 공기극 공급구(AI)에 연결하여, 제1 연료전지스택(S1)에서 배출되는 미반응 공기를 제2 연료전지스택(S2)에 공급한다.
불활성 가스 공급 라인(156b)은 미반응 공기 공급 라인(355b)에 연결되어 불활성가스를 공급한다. 제1, 제2 공기량조절밸브(V21, V22)는 미반응 공기 공급 라인(155b)과 불활성 가스 공급 라인(156b)의 연결부에 설치된다.
핫 스탠바이 라인(ST4)은 제1 연료전지스택(S1)의 배기가스 라인(245b)과 제2 연료전지스택(S2)의 핫 박스(B)를 순차적으로 연결한다. 열유체조절밸브(V34)는 배기가스 라인(245b)과 핫 스탠바이 라인(ST4)의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브로 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(500)에서 연료전지스택의 핫 스탠바이 작동 상태도이다.
도 9를 참조하면, 제5 실시예의 선박용 연료 전지 시스템(500)은 제1, 제2 연료전지스택(S1, S2)을 순차적으로 연결한다. 이를 위하여, 미반응 연료 공급 라인(345b)은 제1 연료전지스택(S1)의 연료극 배기구(FO)를 순차적으로 제2 연료전지스택(S2)의 연료극 공급구(FI)에 연결한다.
따라서, 제5 실시예에서 연료 공급부(210)는 미반응 연료 공급 라인(345b)을 더 포함한다.
미반응 연료 공급 라인(345b)는 제1 연료전지스택(S1)의 연료극 배기구(FO)를 제2 연료전지스택(S2)의 연료극 공급구(FI)에 연결하여, 제1 연료전지스택(S1)에서 배출되는 미반응 연료를 제2 연료전지스택(S2)에 공급한다.
핫 스탠바이 라인(ST5)은 미반응 연료 공급 라인(345b)과 제2 연료전지스택(S2)의 제1 핫 박스(B2)를 순차적으로 연결한다. 열유체조절밸브(V35)는 미반응 연료 공급 라인(345b)과 핫 스탠바이 라인(ST5)의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브로 형성될 수 있다.
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.
100, 200, 300, 400, 500: 연료 전지 시스템 110, 210: 연료 공급부
120: 탈황기 130: 개질기
140: 압력 탱크 145a: 주 연료 공급 라인
145b: 연료 공급 라인 146: 레귤레이터
150: 멀티스택룸 155b: 공기 공급 라인
156b: 불활성 가스 공급 라인 160: 전력 변환부
165b: 폐열 라인 170: 선박의 전력 제어부
175b: 스팀 라인 180: 선박 부하
245b: 배기가스 라인 255b: 미반응 공기 라인
355b: 미반응 공기 공급 라인 345b: 미반응 연료 공급 라인
AI: 공기극 공급구 AO: 공기극 배기구
B1~B6: 핫 박스 FI: 연료극 공급구
FO: 연료극 배기구 H1, H2: 제1, 제2 열교환기
S1~S6 연료전지스택 ST4, ST5: 핫 스탠바이 라인
ST1, ST21, ST31: 제1 핫 스탠바이 라인
ST2, ST22, ST32: 제2 핫 스탠바이 라인
V1~V6: 연료량조절밸브 V21, V22: 공기량조절밸브
V31, V32: 제1, 제2 열유체조절밸브 V34, V35: 열유체조절밸브
V41, V42: 제1, 제2 열유체조절밸브

Claims (13)

  1. 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어, 상기 제1 연료전지스택과 상기 제1 핫 박스 사이 및 상기 제2 연료전지스택과 상기 제2 핫 박스 사이로 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인;
    상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브; 및
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함하는 선박용 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핫 스탠바이 라인은,
    상기 제1 연료전지스택의 배기가스 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 연결하는 선박용 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열유체조절밸브는,
    상기 배기가스 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브인 선박용 연료 전지 시스템.
  4. 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인;
    상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브; 및
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함하고,
    상기 핫 스탠바이 라인은,
    엔진의 배기가스를 공급하는 폐열 라인과 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스를 연결하는 선박용 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열유체조절밸브는,
    상기 폐열 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 온오프 밸브인 선박용 연료 전지 시스템.
  6. 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인;
    상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브; 및
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함하고,
    상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스 내부에 설치되는 열교환기를 더 포함하며,
    상기 핫 스탠바이 라인은,
    상기 선박의 스팀을 공급하는 스팀 라인과 상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스 내의 열교환기를 연결하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열유체조절밸브는,
    상기 스팀 라인과 상기 열교환기의 연결부에 설치되는 온오프 밸브인 선박용 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부를 더 포함하는 선박용 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기 공급부는,
    상기 제1 연료전지스택의 공기극 배기구를 순차적으로 상기 제2 연료전지스택의 공기극 공급구에 연결하는 미반응 공기 공급 라인,
    상기 미반응 공기 공급 라인에 연결되어 불활성가스를 공급하는 불활성 가스 공급 라인, 및
    상기 미반응 공기 공급 라인과 상기 불활성 가스 공급 라인의 연결부에 설치되는 공기량조절밸브를 포함하는 선박용 연료 전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 핫 스탠바이 라인은,
    상기 제1 연료전지스택의 배기가스 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 순차적으로 연결하는 선박용 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열유체조절밸브는,
    상기 배기가스 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브인 선박용 연료 전지 시스템.
  12. 선박에 탑재되는 제1 연료전지스택을 내장하는 제1 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택과 이격되어 배치되는 제2 연료전지스택을 내장하는 제2 핫 박스;
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 제1 핫 박스 및 상기 제2 핫 박스에 연결되어 열유체를 공급하는 복수의 핫 스탠바이 라인;
    상기 핫 스탠바이 라인에 설치되어 상기 열유체를 단속하는 열유체조절밸브; 및
    상기 제1 연료전지스택 및 상기 제2 연료전지스택의 운전 및 정지 신호에 따라 운전되지 않는 상기 제1 연료전지스택의 제1 핫 박스 또는 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스 내부로 열유체가 공급되도록 상기 열유체조절밸브를 제어하는 전력 변환부를 포함하고,
    상기 연료 공급부는,
    상기 제1 연료전지스택의 연료극 배기구를 순차적으로 상기 제2 연료전지스택의 연료극 공급구에 연결하는 미반응 연료 공급 라인을 포함하되,
    상기 핫 스탠바이 라인은,
    상기 미반응 연료 공급 라인과 상기 제2 연료전지스택의 제2 핫 박스를 순차적으로 연결하는 선박용 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열유체조절밸브는,
    상기 미반응 연료 공급 라인과 상기 핫 스탠바이 라인의 연결부에 설치되는 삼방향 밸브인 선박용 연료 전지 시스템.
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