KR102190941B1 - Ship - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열로 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생성하는 증발기를 갖는 디젤엔진 배기시스템, 상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템, 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention is a diesel engine exhaust system having an evaporator generating steam (H 2 O) by evaporating water with waste heat of exhaust gas discharged from a diesel engine, a fuel cell system interlocking with the diesel engine exhaust system, and the fuel cell. It relates to a ship including a power conversion unit for converting the DC current (DC) output from the system to the AC current (AC).

Description

선박{SHIP}Ship{SHIP}

본 발명은 환경 친화적인 선박에 관한 것이다.The present invention relates to an environmentally friendly vessel.

일반적으로 전체 에너지의 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그런데 화석연료의 매장량은 제한되어 있고, 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등 환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 환경 친화적인 발전시스템이 개발되고 있다. In general, most of the total energy comes from fossil fuels. However, the reserves of fossil fuels are limited, and the use of fossil fuels has serious effects on the environment, such as air pollution, acid rain, and global warming. In order to solve the problems associated with the use of fossil fuels, an environment-friendly power generation system is being developed.

환경 친화적인 발전시스템에는 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전시스템이 있다. 또한, 환경 친화적인 발전시스템에는 화석연료를 변환하거나 수소와 산소 등의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템이 있다. Environmentally friendly power generation systems include power generation systems that generate electricity by converting renewable energy including sunlight, water, geothermal heat, precipitation, and biological organisms. In addition, environmentally friendly power generation systems include fuel cell systems that convert fossil fuels or generate electricity through chemical reactions such as hydrogen and oxygen.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 운전온도, 전해질, 발전효율, 발전성능이 서로 다르다. Depending on the type of electrolyte used, fuel cells include alkaline fuel cells (AFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxides. It is classified into fuel cells (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), and Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Each of these fuel cells operates based on fundamentally the same principle, but differs in operating temperature, electrolyte, power generation efficiency, and power generation performance.

한편, 열차, 선박, 산업용 차량 등에서는 디젤엔진을 사용하여 필요한 전력을 발전하는 발전시스템이 보편적으로 사용되고 있다. 그런데, 디젤엔진을 이용한 발전시스템은 열효율이 30∼40%로 낮을 뿐만 아니라, 전력을 생산할 때에 이산화탄소(CO2), 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX) 등의 환경오염물질이 발생하는 문제점이 있다. 최근 들어, 업계에서는 디젤엔진을 이용한 발전시스템과 환경 친화적인 발전시스템인 연료전지 시스템을 복합적으로 사용하여 필요한 전력을 발전함과 동시에 전 세계적인 환경오염 규제에 대응할 수 있는 새로운 방안을 연구하고 있다. On the other hand, in trains, ships, industrial vehicles, etc., power generation systems that generate necessary power using a diesel engine are commonly used. However, the power generation system using a diesel engine not only has a low thermal efficiency of 30 to 40%, but also generates environmental pollutants such as carbon dioxide (CO 2 ), sulfur oxides (SO X ), and nitrogen oxides (NO X ) when generating electricity. There is a problem. In recent years, the industry is researching a new method that can cope with global environmental pollution regulations while generating required power by using a combination of a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system, which is an environmentally friendly power generation system.

그런데, 하나의 구조물에 디젤엔진을 사용하는 발전시스템과 연료전지 시스템을 적용하는 경우, 다음과 같은 문제점이 발생한다. However, when a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system are applied to one structure, the following problems arise.

첫째, 디젤엔진을 사용하는 발전시스템과 연료전지 시스템을 하나의 구조물에 설치하게 되면, 구조물 설비 구축비용이 상승하게 되는 문제가 있다. First, when a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system are installed in one structure, there is a problem in that the construction cost of the structure facility increases.

둘째, 연료전지가 많아지거나 요구되는 발전출력이 커지면 종래의 탄화수소발전 기술보다는 적지만 연료전지에서 배출되는 미반응 잔여물질과 물과 같은 반응생성물이 많아지게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 잔여물질과 반응생성물의 증가로 인해 태양광 등의 재생에너지보다는 환경오염을 심화시키는 문제가 있다. Second, as the number of fuel cells increases or the required power generation output increases, the amount of unreacted residual substances and reaction products such as water discharged from the fuel cell increases, although less than that of the conventional hydrocarbon power generation technology. Therefore, the fuel cell system according to the prior art has a problem of intensifying environmental pollution rather than renewable energy such as sunlight due to an increase in residual substances and reaction products.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 설비 구축비용 및 운영비용을 줄일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and is to provide a ship capable of reducing facility construction cost and operation cost.

본 발명은 연료전지에서 발생하는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 줄일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a ship capable of reducing unreacted residual substances and reaction products generated in a fuel cell.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.In order to solve the problems as described above, the present invention may include the following configuration.

본 발명에 따른 선박은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열로 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생성하는 증발기를 갖는 디젤엔진 배기시스템; 상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템; 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 LNG를 증발시키는 LNG 증발기로부터 공급되는 가스와 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시켜 개질가스를 생성하는 개질기, 상기 개질기를 가열하는 연소기, 상기 개질가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지, 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받아 스팀(H2O)과 액체상태의 물을 분리하며, 스팀(H2O)을 상기 개질기로 공급하는 기수분리기, 및 상기 기수분리기로부터 공급되는 고온의 물로 발열하며 상기 기수분리기로부터 공급되는 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하는 제1 기화기를 포함할 수 있다.The ship according to the present invention includes a diesel engine exhaust system having an evaporator generating steam (H 2 O) by evaporating water with waste heat of exhaust gas discharged from the diesel engine; A fuel cell system interlocking with the diesel engine exhaust system; And a power conversion unit for converting a direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC), wherein the fuel cell system includes a gas supplied from an LNG evaporator that evaporates LNG and the diesel engine exhaust system. A reformer that generates reformed gas by reforming the steam supplied from the evaporator (H 2 O), a combustor that heats the reformer, a fuel cell that generates electricity by receiving the reformed gas, and steam from the evaporator of the diesel engine exhaust system (H 2 O) is supplied to separate steam (H2O) and liquid water, and steam (H2O) is supplied to the reformer, and heat is generated with high temperature water supplied from the steam separator. It may include a first vaporizer for supplying the supplied water to the evaporator of the diesel engine exhaust system.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 공기를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 가열기는 가열된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)에 공급할 수 있다.In the ship according to the present invention, the diesel engine exhaust system includes a heater for heating air by using waste heat of exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source, and the heater uses the heated air as a cathode of the fuel cell. ) Can be supplied.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 공기를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 상기 디젤엔진 배기시스템의 가열기로부터 공급되는 가열된 공기 및 상기 기수분리기로부터 상기 개질기로 공급되는 스팀(H2O)을 열교환시키는 스팀용 제1 열교환기를 포함할 수 있다. In the ship according to the present invention, the diesel engine exhaust system includes a heater for heating air using waste heat of exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source, and the fuel cell system is supplied from a heater of the diesel engine exhaust system. It may include a first heat exchanger for heat exchanging the heated air and the steam (H2O) supplied from the water separator to the reformer.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention, the following effects can be achieved.

본 발명은 디젤엔진 배기시스템(800)을 통해 외부로 배출되는 디젤엔진의 배기가스의 폐열을 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 열원으로 사용하도록 구현됨으로써, 종래 연료전지 시스템에 LNG(액화천연가스)를 가열하기 위해 설치되었던 가열장치를 생략할 수 있으므로 별도의 가열장치에 공급하는 연료나 전기를 줄일 수 있다. 이에 따라, 디젤엔진을 사용하는 발전시스템과 연료전지 시스템이 하나의 구조물에 설치되더라도 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention is implemented to use the waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside through the diesel engine exhaust system 800 as a heat source for vaporizing LNG (Liquefied Natural Gas). ), it is possible to omit the heating device installed to heat it, so it is possible to reduce the fuel or electricity supplied to the separate heating device. Accordingly, even if a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system are installed in one structure, it can contribute to reducing the facility construction cost and operation cost.

본 발명은 연소기가 연료전지의 연료극(anode) 또는 연료전지의 공기극(anode)으로부터 미반응 잔여물질과 반응생성물을 공급받아 연소반응에 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지의 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention is implemented so that the combustor receives unreacted residual materials and reaction products from an anode of a fuel cell or an anode of a fuel cell and uses them for a combustion reaction. It can contribute to reducing environmental pollution due to increased air emissions.

본 발명은 연료전지의 연료극(anode) 및 공기극(anode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 연소기에서 연소시킨 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 기수분리기로 공급하여 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출되는 디젤엔진 배기가스의 폐열로 가열하여 스팀을 생산하도록 구현됨으로써, 개질기에서 필요한 스팀을 생성 및 공급하기 위한 원료수에 대한 가열 열원 및 원료수의 외부공급량을 줄일 수 있으므로, 상기 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.The present invention produces water by condensing unreacted residual substances and reaction products discharged from an anode and an anode of a fuel cell in a combustor to produce water, and supplies the produced water to a separator for exhaust. Since it is implemented to produce steam by heating with waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside through a gas economizer, it is possible to reduce the amount of heating heat source and external supply of raw material water for the raw material water for generating and supplying the steam required by the reformer. , It is possible to increase the efficiency of the power generation system.

도 1은 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 3a, 도 3b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도
도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 실시예에 따른 구성도
도 8은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도
1 is a conceptual configuration diagram of an entire system according to the present invention
2 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention
3A and 3B are exemplary views for explaining the operation of a fuel cell used in the present invention, and FIG. 3A is a conceptual configuration diagram of a solid oxide fuel cell (SOFC)
3B is a conceptual diagram of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC)
4 is an exemplary view for explaining a hydrogen generating unit according to an embodiment of the present invention
5 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
6 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention
7 is a configuration diagram according to an embodiment of the fuel cell system of FIG. 5
8 is a schematic diagram showing an example of a ship according to the present invention

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 발전시스템(100)에 적용되어 전기를 생산하는 기능을 담당한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 설명하기에 앞서, 상기 발전시스템(100)을 먼저 살펴보면, 다음과 같다.Referring to FIG. 1, the fuel cell system 200 according to the present invention is applied to the power generation system 100 to generate electricity. Prior to describing the fuel cell system 200 according to the present invention, a first look at the power generation system 100 is as follows.

상기 발전시스템(100)은 원료 공급부(110), 원료수 공급부(120), 공기 공급부(130), 전력변환부(140), 및 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 포함한다.The power generation system 100 includes a raw material supply unit 110, a raw material water supply unit 120, an air supply unit 130, a power conversion unit 140, and a fuel cell system 200 according to the present invention.

상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크를 포함하며 상기 원료 저장탱크에 저장된 원료를 공급한다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소 등일 수 있다.The raw material supply unit 110 includes a raw material storage tank and supplies raw materials stored in the raw material storage tank. For example, raw materials are hydrocarbon-based materials, such as LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, It may be hydrogen-purified off-gas, pure hydrogen, or the like.

일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크와 상기 원료 저장탱크에 저장된 원료를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현된다. 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 LNG 운반선에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 LNG 저장탱크로부터 LNG(액화천연가스)를 공급한다. 또 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 디젤엔진 선박에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 디젤연료 저장탱크와 상기 디젤연료 저장탱크로부터 디젤연료를 공급하는 장치를 포함하여 구현된다.For example, when the power generation system 100 is applied to a vehicle, the raw material supply unit 110 includes a raw material storage tank and a device (eg, a pump) for supplying raw materials stored in the raw material storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to an LNG carrier, the raw material supply unit 110 supplies LNG (liquefied natural gas) from an LNG storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to a diesel engine ship, the raw material supply unit 110 includes a diesel fuel storage tank and a device for supplying diesel fuel from the diesel fuel storage tank.

상기 원료수 공급부(120)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크에 저장된 원료수를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현될 수 있다. 원료수는 예를 들어, 상수(上水), 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물의 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. The raw material water supply unit 120 may include a raw material water storage tank and a device (eg, a pump) for supplying raw material water stored in the raw material water storage tank. The raw material water may be, for example, fresh water, fresh water, or sea water. As another example, the raw material water may be water that has been treated to remove impurities or remove ions from fresh water or sea water. As another example, the raw material water may be fresh water or water in which impurities have been removed from seawater.

상기 공기 공급부(130)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급한다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소를 제거한 기체, 또는 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. The air supply unit 130 supplies air to the fuel cell system 200 according to the present invention. In general, air refers to a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and the like, but in the present specification, a gas from which nitrogen or carbon dioxide is removed, or a case in which all gases other than oxygen are removed is also included. The air supply unit 130 may include an air storage tank and a device (eg, a blower) supplying air from the air storage tank. As another example, the air supply unit 130 may be implemented to receive external air, compress it, and then supply compressed high-pressure air or supply it at normal pressure.

상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력 변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(140)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.The power conversion unit 140 converts the direct current (DC) from the fuel cell system 200 according to the present invention into an alternating current (AC). The power conversion unit 140 includes a DC-DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 according to the present invention and a DC-AC for converting a DC current (DC) into an AC current (AC). It may be composed of an inverter or the like. The power conversion unit 140 discharges electricity supplied from the fuel cell system 200 according to the present invention as a power load. For example, in the case of a ship, the power load may be an electrical equipment in a ship such as basic electrical equipment of a ship and electric equipment of a cargo system. Although not shown, the power conversion unit 140 may be implemented to transmit and store electricity to an energy storage device, for example, a battery.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료, 물(H2O), 및 공기를 이용하여 전기를 생산한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 가정이나 자동차와 같은 소형 구조물에 사용될 수 있고, 선박 등과 같이 대형 구조물에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클(Rankine Cycle)과 연동하도록 구현될 수도 있다.The fuel cell system 200 according to the present invention uses fuel, water (H 2 O), and air to generate electricity. The fuel cell system 200 according to the present invention may be used in small structures such as homes or automobiles, and may be used in large structures such as ships. The fuel cell system 200 according to the present invention may be implemented to interlock with a diesel engine, a gas engine, a steam turbine, a gas turbine, or a Rankine Cycle using combustion energy of fuel.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system 100 according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 및 수소생성부(400)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. 본 명세서에서는 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수로 정의하고, 수소생성부(400)에서 생성되어 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.Referring to FIG. 2, the fuel cell system 200 according to the first embodiment of the present invention includes a fuel cell 210 and a hydrogen generator 400. The fuel cell system 200 according to the present invention may be implemented by including a control unit 250 that controls the operation of all components including the fuel cell 210 and the hydrogen generator 400. In this specification, what flows into the hydrogen generation unit 400 is defined as a raw material and raw material water, and what is generated in the hydrogen generation unit 400 and flows into the fuel cell 210 is defined as a fuel.

상기 연료전지(210)는 연료전지 스택(stack)을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 공기극(cathode)과 연료극(anode) 사이에 전해질(electrolyte)층이 형성되고, 연료극(anode)과 공기극(cathode)에는 수소공급 및 공기공급, 열회수를 위한 분리판(separator)이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다.The fuel cell 210 is implemented including a fuel cell stack. In the fuel cell stack, an electrolyte layer is formed between a cathode and an anode, and a separator for supplying hydrogen, supplying air, and recovering heat is provided at the anode and cathode. It is composed of the installed unit cell modules connected in series as much as the required quantity.

상기 연료전지(210)는 온도센서와 온도 유지용 기기, 즉 히터나 공기극 팬과 연료극 팬, 냉각판 등을 포함할 수 있다. 상기 온도센서는 연료전지 스택의 온도, 공기극(cathode)의 온도, 연료극(anode)의 온도를 센싱한다. 상기 히터에 의해 연료전지를 가열하여 운전에 필요한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 상기 공기극 팬은 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 연료극 팬은 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 공기극 팬 및 연료극 팬은 연료전지 스택에 사용되는 열교환기의 일부 구성으로 구현될 수 있다.The fuel cell 210 may include a temperature sensor and a temperature maintaining device, that is, a heater or a cathode fan, an anode fan, and a cooling plate. The temperature sensor senses the temperature of the fuel cell stack, the temperature of the cathode, and the temperature of the anode. The fuel cell may be heated by the heater to maintain a temperature required for operation. The cathode fan dissipates heat generated by the cathode of the fuel cell stack. The anode fan dissipates heat generated by an anode of the fuel cell stack. The cathode fan and the anode fan may be implemented as a part of a heat exchanger used in a fuel cell stack.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 히터나 공기극 팬과 연료극 팬을 제어하여 상기 연료전지(210)의 운전온도를 적절하게 유지한다. 예를 들어, 제어부(250)는 인산형 연료전지(PAFC)의 경우 운전온도를 190∼210℃로 유지하며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 경우 운전온도를 550∼650℃로 유지하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 운전온도를 650∼1000℃로 유지하며, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 운전온도를 30∼80℃로 유지하도록 한다.When the fuel cell system 200 according to the present invention includes the control unit 250, the control unit 250 controls the heater or cathode fan and the anode fan using a signal output from a temperature sensor to control the fuel cell 210 ) To properly maintain the operating temperature. For example, the control unit 250 maintains the operating temperature at 190 to 210°C in the case of a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and maintains the operation temperature at 550 to 650°C in the case of a molten carbonate fuel cell (MCFC), and In the case of an oxide fuel cell (SOFC), the operating temperature is maintained at 650-1000°C, and in the case of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the operating temperature is maintained at 30-80°C.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 구비되는 연료전지(210)의 동작을 도 3a, 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도이고, 도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도이다.Hereinafter, the operation of the fuel cell 210 provided in the fuel cell system 200 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. 3A is a conceptual configuration diagram of a solid oxide fuel cell (SOFC), and FIG. 3B is a conceptual configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

먼저, 도 3a를 참조하면 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 공기극(cathode)(311)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한다. 연료극(anode)(313)에서는 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응하여 물(H2O)과 전자(e-)가 생성된다. 공기극(cathode)(311)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(311)과 연료극(anode)(313)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.First, referring to FIG. 3A, in a solid oxide fuel cell (SOFC) 310, oxygen ions generated by a reduction reaction of oxygen in a cathode 311 are transferred through an electrolyte 312 to an anode 313. Go to. Fuel containing hydrogen (H 2 ) is introduced from the anode 313, and oxygen ions (O 2- ) and hydrogen (H 2 ) moved to the anode 313 through the electrolyte 312 Reacts electrochemically to generate water (H 2 O) and electrons (e-). Since electrons are consumed in the cathode 311, electricity flows when the cathode 311 and the anode 313 are connected to each other.

고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 연료극(anode)(313)에 공급된 연료 중 포함될 수 있는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 배출한다. 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 공기극(cathode)(311)에서는 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다.The solid oxide fuel cell (SOFC) 310 includes electrochemical unreacted substances such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ), which may be included in the fuel supplied to the anode 313, and unreacted hydrogen (H 2 ). ) And the reaction product water (liquid or gaseous H 2 O) are discharged. In addition, unreacted oxygen and nitrogen are discharged from the cathode 311 of the solid oxide fuel cell (SOFC) 310.

도 3b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)에서 수소(H2)가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 생성된다. 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)(323)을 통해 공기극(cathode)(324)으로 이동한다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 스팀(H2O)을 생산한다. 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)과 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.Referring to FIG. 3B, in a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320, hydrogen (H 2 ) is generated as hydrogen ions (H + ) and electrons (e-) in the catalyst layer 322 formed on the anode 321. do. Hydrogen ions (H + ) move to the cathode 324 through the polymer membrane 323. The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 produces steam (H 2 O) by reacting hydrogen ions (H + ) and oxygen (O 2 ) in the catalyst layer 325 formed on the cathode 324. When the catalyst layer 322 formed on the anode 321 and the catalyst layer 325 formed on the cathode 324 are connected to each other, electricity flows.

고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)의 촉매층(322)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에서 미반응 산소와 물(H2O)을 배출한다.The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 discharges residual substances such as unreacted hydrogen (H 2 ) from the catalyst layer 322 of the anode 321. In addition, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 discharges unreacted oxygen and water (H 2 O) from the cathode 324.

그 외에 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 연료극(anode)에서 수소(H2)와 탄산이온(CO3 2-)이 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2), 전자(e-)가 생성된다. 생성된 이산화탄소(CO2)는 공기극(cathode)으로 보내지게 되고, 공기극(cathode)에서 이산화탄소(CO2)와 산소(O2)가 반응하여 탄산이온(CO3 2-)을 생산한다. 탄산이온(CO3 2-)은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)에서는 전기를 생성하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 외부로 배출하지 않고 연료전지 내부에서 순환되도록 구현될 수 있다. In addition, in the molten carbonate fuel cell (MCFC), hydrogen (H 2 ) and carbonate ions (CO 3 2- ) react at the anode, resulting in water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and electrons (e-). Is created. The generated carbon dioxide (CO 2 ) is sent to a cathode, and carbon dioxide (CO 2 ) and oxygen (O 2 ) react at the cathode to produce carbonate ions (CO 3 2- ). Carbonate ions (CO 3 2- ) move to the anode through the electrolyte. In the molten carbonate fuel cell (MCFC), carbon dioxide (CO 2 ) generated in the process of generating electricity may be circulated inside the fuel cell without discharging to the outside.

도 2 및 도 4를 참고하면, 상기 수소생성부(400)는 원료를 이용하여 연료전지(210)의 연료극(anode)에 필요한 연료, 즉 수소(H2) 가스를 생성하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서는 상기 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수로 정의하고, 상기 수소생성부(400)에서 생성되어 상기 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다. Referring to FIGS. 2 and 4, the hydrogen generation unit 400 includes a device for generating fuel, that is, hydrogen (H 2 ) gas required for an anode of the fuel cell 210 by using a raw material. In this specification, what flows into the hydrogen generation unit 400 is defined as a raw material and raw material water, and what is generated in the hydrogen generation unit 400 and flows into the fuel cell 210 is defined as a fuel.

상기 수소생성부(400)는 연료전지(210)의 종류에 따라 또는 전기 생성 효율 향상을 위해 그 구조가 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지(210)가 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우, 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지(210)가 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기 외에도 수성가스화반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)를 더 포함하여 구현될 수 있다. The hydrogen generation unit 400 may be designed in various ways according to the type of fuel cell 210 or to improve electricity generation efficiency. For example, when the fuel cell 210 is a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC), the hydrogen generation unit 400 may be implemented by including a reformer and a combustor. . As another example, when the fuel cell 210 is a phosphoric acid type fuel cell (PAFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the hydrogen generating unit 400 includes a reformer and a combustor, as well as a water gas shift reactor. , WGS) may be further included.

상기 수성가스화반응기(WGS)는 고온 수성가스화반응기(HTS, High-Temperature Shift reactor), 중온 수성가스화반응기(MTS, Mid-Temperature Shift reactor), 저온 수성가스화반응기(LTS, Low-Temperature Shift reactor), 또는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 상기 일산화탄소 제거기는 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. The water gasification reactor (WGS) is a high temperature water gasification reactor (HTS, High-Temperature Shift reactor), a medium temperature water gasification reactor (MTS, Mid-Temperature Shift reactor), a low temperature water gasification reactor (LTS, Low-Temperature Shift reactor), Or it may include a carbon monoxide remover. The carbon monoxide remover may include a selective oxidation reactor (Preferential Oxidation, PROX) for removing only carbon monoxide (CO) by burning, or a methanation reactor for reducing the concentration by reacting carbon monoxide (CO) with hydrogen (H 2 ). .

도 4를 참고하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 수소생성부(400)의 일례를 살펴보면, 다음과 같다.In the fuel cell system 200 according to the present invention with reference to FIG. 4, an example of the hydrogen generation unit 400 will be described as follows.

상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(Reformer)(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다.The hydrogen generation unit 400 may include a raw material processing unit 410, a raw material water treatment unit 420, a reformer 430, and a combustor 440.

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 예를 들어, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 액화천연가스를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하여 구현될 수 있다. 원료가 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy Fuel Oil, HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료인 경우, 상기 원료 처리부(410)는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 또는 일반 중유(HFO)에 열을 가하는 히터와 상기 가열된 원료를 촉매 반응하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료 처리부(410)는 원료에 포함된 불순물을 제거하는 필터나 황화물을 제거하는 탈황기를 포함하여 구현될 수 있다. The raw material processing unit 410 pre-processes raw materials supplied from a raw material supply unit including a raw material storage tank. For example, the raw material processing unit 410 may include an LNG evaporator for evaporating liquefied natural gas supplied from an LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator. If the raw material is a liquid raw material having a relatively high molecular weight, such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), heavy fuel oil (HFO), etc., the raw material processing unit ( 410) is implemented by including a heater that applies heat to marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), or general heavy oil (HFO) and a methanizer that generates methane (CH4) by catalytic reaction of the heated raw material. Can be. In addition, the raw material processing unit 410 may include a filter for removing impurities contained in the raw material or a desulfurization device for removing sulfides.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 개질기(Reformer)로 공급한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 연소기(440)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 원료수를 가열하는 열교환기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 연료전지 시스템의 배기가스나 증기 내에 포함된 수분(물방울)을 분리하는 기수분리기(steam separator)를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 원료수를 연료전지 시스템에서 요구하는 순도를 유지하기 위해 활성탄, 이온제거용 수지 등을 이용할 수도 있으며, 이를 측정하는 센서 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다른 예로, 원료수 처리부(420)에 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다.The raw material water treatment unit 420 pre-treats raw material water supplied from a raw material water supply unit including a raw material water storage tank. The raw material water treatment unit 420 generates steam (H 2 O) by heating the raw material water, for example, and supplies the steam (H 2 O) to a reformer. The raw material water treatment unit 420 may include, for example, a heat exchanger that heats raw material water with waste heat of exhaust gas generated from the combustor 440. In addition, the raw material water treatment unit 420 may be implemented by including a steam separator for separating moisture (water droplets) contained in exhaust gas or steam of the fuel cell system. In addition, the raw material water treatment unit 420 may use activated carbon, a resin for removing ions, etc. to maintain the purity required by the fuel cell system, and may include a sensor and a control system for measuring the raw material water. As another example, the raw material water treatment unit 420 may include an external water supply line and system for maintaining a predetermined level of water.

상기 개질기(Reformer)(430)는 상기 원료 처리부(410)로부터 공급되는 전처리된 원료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급되는 스팀(H2O)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연소기(440)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 개질기(330)에서 나오는 개질가스를 연료로 정의한다.The reformer 430 performs a reforming reaction of the pretreated raw material supplied from the raw material processing unit 410 and the steam (H 2 O) supplied from the raw material water treatment unit 420 to generate hydrogen (H 2 ). It generates a reformed gas containing. In performing such a reforming reaction, the reformer 330 may use heat energy provided from the combustor 440. Hereinafter, in the present specification, the reformed gas emitted from the reformer 330 is defined as fuel.

상기 개질기(Reformer)(430)는 개질반응을 촉발시키는 개질촉매층을 포함하여 구현된다. 개질촉매층은 개질촉매가 담체에 담지된 촉매를 충전한 구조로 이루어진다. 개질촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 세라믹, 내열성금속 등, 예컨대 알루미나(Al2O3)나 티타니아(TiO2) 등이 될 수 있다.The reformer 430 is implemented by including a reforming catalyst layer that triggers a reforming reaction. The reforming catalyst layer has a structure in which the reforming catalyst is filled with a catalyst supported on a carrier. The reforming catalyst is made of nickel (Ni), ruthenium (Ru), platinum (Pt), and the like, and the shape of the carrier supporting the catalyst may be, for example, a granular shape, a pellet shape, and a honeycomb shape, and the material constituting the support May be ceramic, heat-resistant metal, or the like, such as alumina (Al 2 O 3 ) or titania (TiO 2 ).

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연료전지(210)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 외부 개질형으로 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연료전지(210)의 내부에 개질촉매층의 형태로 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 내부 개질형으로 구현된다.In the fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention, the reformer 330 may be installed outside the fuel cell 210. In this case, the fuel cell 210 is implemented in an external reforming type. In the fuel cell system 200 according to the present invention, the reformer 330 may be installed in the form of a reforming catalyst layer inside the fuel cell 210. In this case, the fuel cell 210 is implemented in an internal reforming type.

상기 연소기(440)는 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(440)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(430)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(430) 내에 발생한다. 상기 연소기(440)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(430)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다. The combustor 440 provides heat so that the reforming reaction proceeds smoothly in the reformer 430. When the reformer heating temperature by the combustor 440 is low, the reforming reaction due to the endothermic reaction of the reformer 430 does not proceed well, and moisture (water droplets) is generated in the reformer 430 . When the heating temperature of the combustor 440 is high, the catalytic activity of the reforming catalyst layer of the reformer 430 may decrease.

상기 연소기(440)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료, 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 원료로 사용할 수 있다. 상기 연소기(440)는 공기 공급부(130, 도 1에 도시됨)에서 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 연소기(440)는 추가로 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다.In order to improve the overall efficiency of the system, the combustor 440 includes raw materials pretreated by the raw material processing unit 410, exhaust gas discharged from an anode of the fuel cell stack of the fuel cell 210, or both. A mixture of can be used as a raw material. The combustor 440 may use air supplied from the air supply unit 130 (shown in FIG. 1 ). In the fuel cell system 200 according to the present invention, the combustor 440 may additionally use air discharged from a cathode of the fuel cell stack of the fuel cell 210.

도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(400)는 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도센서는 개질기(Reformer)(430)의 온도를 검출한다. 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도는 상기 개질기(Reformer)(430)의 구성 및 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 상기 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 연소기(440)의 원료 연소량을 증감시켜 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(250)는 최적 온도 범위에 대하여 ±20℃ 정도의 범위 내로 제어하도록 구현될 수 있다. Although not shown, the hydrogen generating unit 400 may further include one or more temperature sensors, and the temperature sensor detects the temperature of the reformer 430. The temperature of the reformer 430 is the optimum temperature depending on the configuration of the reformer 430 and the mixing ratio of the raw material pretreated in the raw material processing unit 410 and steam (H 2 O). The range changes. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes the control unit 250 (shown in Fig. 2), the control unit 250 uses a signal output from a temperature sensor to determine the amount of raw material combustion in the combustor 440. By increasing or decreasing the temperature of the reformer 430 is controlled. For example, the controller 250 may be implemented to control within a range of about ±20°C with respect to the optimum temperature range.

여기서, 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응을 통해 발생하는 가스에는 수소(H2)뿐 아니라 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된다. 상기 연료전지(210)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(210)의 수명을 단축시킨다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 10∼20ppm 이하로 줄이기 위해, 상기 수소생성부(400)는 수성가스화반응기(WGS)(450)를 더 포함할 수 있다. Here, the gas generated through the reforming reaction in the reformer 430 includes not only hydrogen (H 2 ) but also carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ). When the fuel cell 210 is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), carbon monoxide (CO) poisons the electrode catalyst of the fuel cell stack of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) to shorten the life of the fuel cell 210. Accordingly, in order to reduce the concentration of carbon monoxide (CO) to 10 to 20 ppm or less, the hydrogen generation unit 400 may further include a water gasification reactor (WGS) 450.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산할 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 도 4에 도시한 바와 같이 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다.The water gasification reactor (WGS) 450 may react carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ). The water gasification reactor (WGS) 450 may include a high temperature water gasification reactor (HTS) and a low temperature water gasification reactor (LTS) as shown in FIG. 4.

상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류에 따라 다르고, 제어온도의 평형에 의해서 배출되는 가스의 조성이 결정된다. 도 4에 도시하지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)는 300∼430℃ 범위 내에서 제어되고, 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)는 200∼250℃ 범위 내에서 제어된다.The optimum temperature of the high-temperature water gasification reactor (HTS) and the low-temperature water gasification reactor (LTS) depends on the type of catalyst used, and the composition of the discharged gas is determined by equilibrium of the control temperature. Although not shown in FIG. 4, a cooler and a temperature sensor may be installed in the high-temperature water gasification reactor HTS and the low-temperature water gasification reactor LTS, respectively. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 (shown in Fig. 2), the control unit 250 controls the cooler using a signal output from a temperature sensor to control the high-temperature water gasification reactor. (HTS) and the temperature of the low-temperature water gasification reactor (LTS) are controlled. For example, the high-temperature water gasification reactor (HTS) is controlled within the range of 300 to 430 °C, and the low temperature water gasification reactor (LTS) is controlled within the range of 200 to 250 °C.

도시되지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 일산화탄소 제거기는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 완전히 처리되지 않고 남은 극소량의 일산화탄소(CO)를 제거한다. 상기 일산화탄소 제거기는 공기공급부로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 공급되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. Although not shown, the water gasification reactor (WGS) 450 may include a carbon monoxide remover. The carbon monoxide remover removes a very small amount of carbon monoxide (CO) that has not been completely treated in the low-temperature water gasification reactor (LTS) after the low-temperature water gasification reactor (LTS). The carbon monoxide remover receives air from the air supply unit and burns and removes only carbon monoxide (CO) among gases supplied from the low-temperature water gasification reactor (LTS), or carbon monoxide (CO) is converted to hydrogen ( It may include a methanation reactor to reduce the concentration by reacting with H 2 ).

상기 선택적산화반응기(PROX)는 냉각기와 온도센서가 설치된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 선택적산화반응기(PROX)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 선택적산화반응기(PROX)는 120∼160℃ 범위 내에서 제어된다. 그러나, 상기 선택적산화반응기(PROX)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류 및 사용방법 등의 조건에 따라 다르게 설정된다. The selective oxidation reactor (PROX) is equipped with a cooler and a temperature sensor. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 (shown in FIG. 2), the control unit 250 controls the cooler using a signal output from a temperature sensor, thereby controlling the selective oxidation reactor (PROX). ) To control the temperature. For example, the selective oxidation reactor (PROX) is controlled within the range of 120 ~ 160 ℃. However, the optimum temperature of the selective oxidation reactor (PROX) is set differently depending on conditions such as the type of catalyst used and the method of use.

상기 선택적산화반응기(PROX)의 촉매층은 선택적산화촉매를 담지하는 담체가 충전된 구조로 이루어진다. 선택적산화촉매는 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 예컨대 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 등이 될 수 있다.The catalyst layer of the selective oxidation reactor (PROX) has a structure filled with a carrier supporting a selective oxidation catalyst. The selective oxidation catalyst is made of platinum (Pt), etc., and the shape of the support supporting the catalyst may be, for example, a granular shape, a pellet shape, and a honeycomb shape, and the material constituting the support is, for example, alumina (Al 2 O 3 ). , Magnesium oxide (MgO), etc.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.5 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. Here, the same configuration as in FIGS. 1 to 4 uses the same reference numerals.

도 5를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진을 포함하는 디젤엔진 배기시스템(800)과 연동하도록 구현된다. Referring to FIG. 5, a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a raw material processing unit 410, a raw material water treatment unit 420, a reformer 430, and a combustor 440. ) Can be implemented. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is implemented to interlock with the diesel engine exhaust system 800 including the diesel engine.

상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 디젤엔진을 사용하는 발전시스템에 포함되는 구성으로서, 디젤엔진 연소실 내에서 발생하는 질소산화물(NOX) 등과 같은 환경오염물질을 포함하는 배기가스를 정화시키고 배기가스의 열을 회수하여 외부로 배출하는 장치이다. 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOX) 등을 줄이기 위해 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 디젤엔진에서 배출되는 고온의 배기가스의 폐열을 이용하여 물을 증발시키는 증발기와 공기를 가열하는 가열기를 포함하는 이코노마이저(economizer)을 포함하여 구현될 수 있다.The diesel engine exhaust system 800 is a component included in a power generation system using a diesel engine, and purifies exhaust gas including environmental pollutants such as nitrogen oxides (NO X ) generated in the combustion chamber of the diesel engine and exhaust gas. It is a device that recovers heat from and discharges it to the outside. The diesel engine exhaust system 800 may be equipped with a selective catalytic reduction (SCR) reactor to reduce nitrogen oxides (NO X ) contained in exhaust gas. The diesel engine exhaust system 800 may include an economizer including an evaporator for evaporating water and a heater for heating air using waste heat of high-temperature exhaust gas discharged from the diesel engine.

상기 디젤연료 공급부(710)는 디젤연료 저장탱크를 포함하며, 상기 디젤연료 저장탱크로부터 상기 디젤엔진 배기시스템(800)의 디젤엔진으로 디젤연료를 공급한다. 상기 디젤연료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 및 액화석유가스(LPG) 등이 될 수 있다.The diesel fuel supply unit 710 includes a diesel fuel storage tank, and supplies diesel fuel from the diesel fuel storage tank to the diesel engine of the diesel engine exhaust system 800. The diesel fuel may be marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), general heavy oil (HFO), methanol, dimethyl ether (DME), and liquefied petroleum gas (LPG).

상기 연료전지(210)는 수소를 포함하는 연료가 유입되는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산한다. 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The fuel cell 210 is generated from an anode into which fuel including hydrogen is introduced, a cathode through which air, which is an oxidizing agent required for a fuel cell reaction, is introduced, and the anode and the cathode. It produces electricity, including an electrolyte that acts as a transport for ions. The fuel cell 210 is an alkaline fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel. It may be a fuel cell selected from among cells (DMFC).

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 예를 들어, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열을 상기 LNG 증발기 내의 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 열원으로 사용할 수 있다. The raw material processing unit 410 preprocesses the raw material supplied from the raw material supply unit 110 including a raw material storage tank. For example, the raw material processing unit 410 may include an LNG evaporator for evaporating LNG (liquefied natural gas) supplied from an LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention may use waste heat of exhaust gas supplied from the combustor 440 as a heat source for vaporizing LNG (liquefied natural gas) in the LNG evaporator.

일례로, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 디젤엔진 배기시스템(800)을 통해 외부로 배출되는 디젤엔진 배기가스의 폐열을 상기 LNG 증발기 내의 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 열원으로 사용할 수 있다. 다른 예로, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 디젤엔진 배기시스템(800)을 통해 외부로 배출되는 디젤엔진 배기가스의 폐열 또는 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열을 상기 LNG 증발기 내의 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 열원으로 사용할 수 있다. For example, in the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention, the waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside through the diesel engine exhaust system 800 is converted to LNG (liquefied natural gas) in the LNG evaporator. It can be used as a heat source to vaporize. As another example, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside through the diesel engine exhaust system 800 or exhaust gas supplied from the combustor 440. The waste heat of can be used as a heat source for vaporizing LNG (liquefied natural gas) in the LNG evaporator.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 원료수는 예를 들어, 상수(上水), 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물의 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. The raw material water treatment unit 420 pre-treats the raw material water supplied from the raw material water supply unit 120 including a raw material water storage tank. The raw material water may be, for example, fresh water, fresh water, or sea water. As another example, the raw material water may be water that has been treated to remove impurities or remove ions from fresh water or sea water. As another example, the raw material water may be fresh water or water in which impurities have been removed from seawater.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 상기 개질기(430)로 공급한다. 상기 디젤엔진 배기시스템(800)에서는 외부로 배출되는 디젤엔진 배기가스의 폐열로 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생성할 수 있다. 상기 원료수 처리부(420)는 상기 디젤엔진 배기시스템(800)에서 스팀(H2O)을 공급받아 스팀(H2O) 내에 포함된 수분(물방울)을 분리하고 스팀(H2O)을 상기 개질기(430)로 공급하는 기수분리기(steam separator)를 포함하여 구현될 수 있다. The raw material water treatment unit 420 generates steam (H 2 O) by heating the raw material water, and supplies the steam (H 2 O) to the reformer 430. In the diesel engine exhaust system 800, steam (H 2 O) may be generated by evaporating water with waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside. The raw processor 420 when supplied with steam (H 2 O) in the diesel engine exhaust system 800 may separate the water (water droplets) contained in the steam (H 2 O) and the steam (H 2 O) It may be implemented by including a steam separator supplied to the reformer 430.

상기 개질기(430)는 상기 원료 처리부(410)로부터 공급되는 전처리된 원료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급되는 스팀(H2O)의 개질반응을 진행하여 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 생산한다. 상기 개질기(430)에서 생산되는 연료에는 수소(H2) 외에도 일산화탄소(CO)가 포함될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(400)는 연료전지(210)에 공급되는 연료의 CO 농도를 낮추기 위해 상기 수성가스화반응기(450)를 포함할 수 있다.The reformer 430 proceeds with a reforming reaction of the pretreated raw material supplied from the raw material processing unit 410 and the steam (H 2 O) supplied from the raw material water treatment unit 420 to produce a reforming gas, that is, hydrogen (H 2 ). Produces fuel containing. The fuel produced by the reformer 430 may include carbon monoxide (CO) in addition to hydrogen (H 2 ). Although not shown, the hydrogen generation unit 400 may include the water gasification reactor 450 to reduce the CO concentration of the fuel supplied to the fuel cell 210.

상기 연소기(440)는 상기 개질기(430)에 필요한 열원을 제공한다. 상기 연소기(440)는 상기 연료전지(210)의 연료극(anode) 또는 상기 연료전지(210)의 공기극(anode)으로부터 미반응 잔여물질과 반응생성물을 공급받아 연소반응에 사용하도록 구현될 수 있다.The combustor 440 provides a heat source required for the reformer 430. The combustor 440 may be implemented to receive unreacted residual materials and reaction products from an anode of the fuel cell 210 or an anode of the fuel cell 210 and use for a combustion reaction.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention can achieve the following effects.

첫째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진 배기시스템(800)을 통해 외부로 배출되는 디젤엔진의 배기가스의 폐열을 LNG(액화천연가스)를 기화시키는 열원으로 사용하도록 구현됨으로써, 종래 연료전지 시스템에 LNG(액화천연가스)를 가열하기 위해 설치되었던 가열장치를 생략할 수 있으므로 별도의 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 줄일 수 있다. 이에 따라, 디젤엔진을 사용하는 발전시스템과 연료전지 시스템이 하나의 구조물에 설치되더라도 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.First, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention uses the waste heat of the diesel engine exhaust gas discharged to the outside through the diesel engine exhaust system 800 as a heat source for vaporizing LNG (liquefied natural gas). By being implemented to be used, a heating device installed to heat LNG (Liquefied Natural Gas) in a conventional fuel cell system can be omitted, so that fuel or electricity supplied to a separate heating device can be reduced. Accordingly, even if a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system are installed in one structure, it can contribute to reducing the facility construction cost and operation cost.

둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연소기(440)가 상기 연료전지(210)의 연료극(anode) 또는 상기 연료전지(210)의 공기극(anode)으로부터 미반응 잔여물질과 반응생성물을 공급받아 연소반응에 사용하도록 구현됨으로써, 상기 연료전지(210)의 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.Second, in the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention, the combustor 440 is unreacted from an anode of the fuel cell 210 or an anode of the fuel cell 210. By being implemented to receive residual materials and reaction products to be used in the combustion reaction, it is possible to contribute to reducing environmental pollution due to an increase in air emission of unreacted residual materials and reaction products of the fuel cell 210.

셋째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연소기(440)에서 연소시킨 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 기수분리기로 공급하여 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출되는 디젤엔진 배기가스의 폐열로 가열하여 스팀을 생산하도록 구현됨으로써, 개질기에서 필요한 스팀을 생성 및 공급하기 위한 원료수에 대한 가열 열원 및 원료수의 외부공급량을 줄일 수 있으므로, 상기 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.Third, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention condenses the exhaust gas burned in the combustor 440 to produce water, and supplies the produced water to the brackish water separator through the exhaust gas economizer. Since it is implemented to produce steam by heating with waste heat of diesel engine exhaust gas discharged to the outside, it is possible to reduce the external supply amount of the heating heat source and the raw material water for the raw material water for generating and supplying the steam required by the reformer. Can increase the efficiency of

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.6 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. Here, the same configurations as in FIGS. 1 to 5 use the same reference numerals.

도 6을 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 및 수성가스화반응기(WGS)(450)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진을 포함하는 디젤엔진 배기시스템(800)과 연동하도록 구현된다. 6, a fuel cell system 200 according to a third embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a raw material processing unit 410, a raw material water treatment unit 420, a reformer 430, and a combustor 440. , And a water gasification reactor (WGS) 450 may be implemented. The fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention is implemented to interlock with a diesel engine exhaust system 800 including a diesel engine.

본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에서 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질기(430)로부터 개질가스를 공급받는다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 10∼20 ppm 이하로 줄이기 위해 사용된다. In the fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention, the water gasification reactor (WGS) 450 receives the reformed gas from the reformer 430. The aqueous gasification reactor (WGS) 450 is used to reduce the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas to 10 to 20 ppm or less.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일례로, 고온 수성가스화반응기(HTS)로 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 다른 예로, 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 고온 수성가스화반응기(HTS) 또는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 일산화탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거기가 더 설치될 수 있다. The water gasification reactor (WGS) 450 may be implemented as, for example, a high temperature water gasification reactor (HTS). As another example, the water-based gasification reactor (WGS) 450 may include a high-temperature water-gasification reactor (HTS) and a low-temperature water-gasification reactor (LTS). The water gasification reactor (WGS) 450 may be further provided with a carbon monoxide remover to remove carbon monoxide (CO) after the high temperature water gasification reactor (HTS) or the low temperature water gasification reactor (LTS).

상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류에 따라 다르고, 제어온도의 평형에 의해서 배출되는 가스의 조성이 결정된다. 도 4에 도시하지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)는 300∼430℃ 범위 내에서 제어되고, 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)는 200∼250℃ 범위 내에서 제어된다.The optimum temperature of the high-temperature water gasification reactor (HTS) and the low-temperature water gasification reactor (LTS) depends on the type of catalyst used, and the composition of the discharged gas is determined by equilibrium of the control temperature. Although not shown in FIG. 4, a cooler and a temperature sensor may be installed in the high-temperature water gasification reactor HTS and the low-temperature water gasification reactor LTS, respectively. When the fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention includes a control unit 250 (shown in Fig. 2), the control unit 250 controls the cooler using a signal output from a temperature sensor. The temperatures of the high temperature water gasification reactor (HTS) and the low temperature water gasification reactor (LTS) are controlled. For example, the high-temperature water gasification reactor (HTS) is controlled within the range of 300 to 430 °C, and the low temperature water gasification reactor (LTS) is controlled within the range of 200 to 250 °C.

도시하지 않았지만, 상기 일산화탄소 제거기는 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)로부터 공급되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다.Although not shown, the carbon monoxide remover receives air from the air supply unit 130 and burns and removes only carbon monoxide (CO) from the gas supplied from the low-temperature water gasification reactor (LTS), or It may include a methanation reactor for reducing the concentration by reacting carbon monoxide (CO) with hydrogen (H 2 ).

도 6에 도시하지 않았지만, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)로부터 공급되는 연료에 수분을 제공하는 가습기를 더 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 연료전지가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)로 구현되는 경우, 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)에 사용되는 전해질의 이온 전도성을 유지하기 위해 전해질은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 전해질이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 운전이 불가능하므로 연료에 수분 공급을 위한 가습기를 포함할 수 있다.Although not shown in FIG. 6, the fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention may be implemented by further including a humidifier that provides moisture to the fuel supplied from the water gasification reactor (WGS) 450. have. For example, when the fuel cell is implemented as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the electrolyte must contain appropriate moisture in order to maintain the ionic conductivity of the electrolyte used in the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). When the electrolyte is dried, ionic conductivity is lowered, and thus the operation of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is impossible, and thus a humidifier for supplying moisture to the fuel may be included.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 구성도를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a configuration diagram of a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 실시예에 따른 구성도이다. 7 is a configuration diagram according to an embodiment of the fuel cell system of FIG. 5.

도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(310), 원료 처리부(410), 기수분리기(421), 스팀용 제1 열교환기(422), 응축기(423), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 디젤엔진(810), 배기리시버(820), 과급기(830), 증발기(840), 및 가열기(850)를 포함하는 디젤엔진 배기시스템과 연동하도록 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 원료 처리부(410), 상기 기수분리기(421), 상기 스팀용 제1 열교환기(422), 상기 응축기(423), 상기 개질기(430), 및 상기 연소기(440) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하여 구현될 수도 있다. Referring to FIG. 7, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell 310, a raw material processing unit 410, a water separator 421, a first heat exchanger 422 for steam, a condenser 423, and a reformer 430. ), and a combustor 440 may be implemented. The fuel cell system according to the present invention is implemented to interlock with a diesel engine exhaust system including a diesel engine 810, an exhaust receiver 820, a supercharger 830, an evaporator 840, and a heater 850. The fuel cell system 200 according to the present invention includes the fuel cell 210, the raw material processing unit 410, the water separator 421, the first heat exchanger 422 for steam, the condenser 423, and the It may be implemented by including a reformer 430 and a controller 250 (shown in FIG. 2) that controls the operation of all components including the combustor 440.

상기 과급기(830)는 터보차저(Turbocharger) 또는 파워 터빈이라고도 하며, 상기 디젤엔진(810)의 연소실에서 배출되어 상기 배기리시버(820)를 통과한 배기가스에 의하여 구동되는 터빈 휠이 원심식 공기압축기(또는 송풍기)와 연결되어 공기를 압축하도록 함으로써, 밀도가 높은 공기를 디젤 엔진에 공급하도록 하여 디젤 엔진의 출력 증가 및 효율을 높이는 장치이다. 도시하지 않았지만, 상기 과급기(830)의 후단에는 상기 과급기(830)로부터 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOX)을 저감하기 위한 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 과급기(830)로부터 배출되는 배기가스는 상기 증발기(840), 및 상기 가열기(850)가 설치된 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출된다.The turbocharger 830 is also referred to as a turbocharger or a power turbine, and a turbine wheel driven by exhaust gas discharged from the combustion chamber of the diesel engine 810 and passed through the exhaust receiver 820 is a centrifugal air compressor. It is a device that increases the output and efficiency of the diesel engine by supplying high-density air to the diesel engine by being connected to the (or blower) to compress air. Although not shown, a selective catalytic reduction (SCR) reactor for reducing nitrogen oxides (NO X ) contained in exhaust gas discharged from the supercharger 830 may be installed at the rear end of the supercharger 830 have. The exhaust gas discharged from the supercharger 830 is discharged to the outside through the evaporator 840 and the exhaust gas economizer in which the heater 850 is installed.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료전지(310)는 고체산화물 연료전지(SOFC)나 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 고온형 연료전지일 수 있다. 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료극(anode)(313)에서 필요한 수소를 포함하는 연료는 상기 개질기(430)로부터 공급되며, 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 공기극(cathode)(311)에서 필요한 공기는 배기가스 이코노마이저의 상기 가열기(850)에서 가열된 후 공급될 수 있다. 배기가스 이코노마이저의 상기 가열기(850)로부터 공급되는 가열된 공기는 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다.The fuel cell 310 of the fuel cell system according to the present invention may be a high-temperature fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC). Fuel containing hydrogen required in the anode 313 of the solid oxide fuel cell (SOFC) is supplied from the reformer 430, and in the cathode 311 of the solid oxide fuel cell (SOFC) Required air may be supplied after being heated in the heater 850 of the exhaust gas economizer. The heated air supplied from the heater 850 of the exhaust gas economizer may be supplied to the combustor 440.

상기 고온형 연료전지의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 미반응 잔여물질과 반응생성물인 물(H2O)은 상기 연소기(440)로 공급된다. 상기 연료전지의 공기극(cathode)(311)에서 배출되는 미반응 산소를 포함한 배기가스는 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다.Unreacted residual substances such as carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) discharged from the anode 313 of the high-temperature fuel cell and water (H 2 O) as a reaction product are supplied to the combustor 440 do. Exhaust gas including unreacted oxygen discharged from the cathode 311 of the fuel cell may be supplied to the combustor 440.

상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크와 펌프를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 제1 기화기(411)와 제2 기화기(412)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 제1 기화기(411)는 상기 기수분리기(421)로부터 공급되는 고온의 물(액체 또는 기체상태)로 발열하며 상기 기수분리기(421)로부터 공급되는 물을 상기 증발기(840)로 공급한다. 상기 제2 기화기(412)는 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 제2 기화기(412)에 의해 기화된 천연가스(NG)는 상기 개질기(430)와 상기 연소기(440)로 공급된다. The raw material processing unit 410 includes an LNG evaporator for evaporating LNG (liquefied natural gas) supplied from the raw material supply unit 110 including an LNG storage tank and a pump, and a first vaporizer 411 and a second vaporizer installed in the LNG evaporator. It may be implemented including a vaporizer 412. The first vaporizer 411 generates heat with high-temperature water (liquid or gaseous state) supplied from the water separator 421 and supplies water supplied from the water separator 421 to the evaporator 840. The second vaporizer 412 uses the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440 to convert the natural gas (NG) vaporized by the second vaporizer 412 into the reformer 430 and the combustor 440 ).

상기 기수분리기(421), 상기 스팀용 제1 열교환기(422), 및 상기 응축기(423)는 상기 개질기(430)로 스팀(H2O)을 공급하는 원료수 처리부(420, 도 4에 도시됨)를 구성한다. 상기 기수분리기(421)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 물을 공급받아 스팀(기체상태의 H2O)과 수분(액체상태의 H2O)을 분리하고, 배기가스 이코노마이저의 상기 증발기(840)로 분리한 수분(액체상태의 H2O)을 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 기수분리기(421)는 상기 응축기(423)로부터 응축된 물을 공급받을 수 있다. 상기 기수분리기(421)는 액체상태의 물을 배기가스 이코노마이저의 상기 증발기(840)로 공급하고, 상기 증발기(840)로부터 스팀(H2O)을 공급받는다. 상기 기수분리기(421)는 스팀(H2O)을 상기 개질기(430)로 공급한다. 도시하지 않았지만, 상기 증발기(840)에서 상기 기수분리기(421)로 순환되는 회수관로에 바이패스(by-pass) 라인을 설치하여 다른 용도로 스팀(H2O)을 사용하도록 할 수 있다.The water separator 421, the first heat exchanger 422 for steam, and the condenser 423 supply the steam (H 2 O) to the reformer 430, as shown in FIG. 4 Configured). The water separator 421 receives water from a raw material water supply unit 120 including a raw material water storage tank, separates steam (gas H 2 O) and moisture (liquid H 2 O), and exhaust gas It may be implemented to supply water (liquid H 2 O) separated by the evaporator 840 of the economizer. The water separator 421 may receive condensed water from the condenser 423. The water separator 421 supplies liquid water to the evaporator 840 of the exhaust gas economizer, and receives steam (H2O) from the evaporator 840. The water separator 421 supplies steam (H2O) to the reformer 430. Although not shown, steam (H2O) may be used for other purposes by installing a by-pass line in the recovery pipe circulating from the evaporator 840 to the water separator 421.

도 7에 도시한 바와 같이, 상기 기수분리기(421) 후단에는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물의 온도를 감지하는 온도감지부(74)가 설치된다. 상기 온도감지부(74)는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)와 연결되는 제1 유체관(75)에 설치된다. As shown in FIG. 7, a temperature sensing unit 74 for sensing the temperature of water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 is installed at a rear end of the water separator 421. The temperature sensing unit 74 is installed in the first fluid pipe 75 connected to the first vaporizer 411 from the water separator 421.

상기 기수분리기(421) 후단에는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물을 상기 증발기(840)로 바이패스하는 바이패스부가 형성된다. 상기 바이패스부는, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)와 연결되는 제1 유체관(75)과 상기 제1 기화기(411)로부터 상기 증발기(840)와 연결되는 제2 유체관(76)에 설치되는 제1 개폐밸브(A)와, 상기 제1 유체관(75)과 상기 제2 유체관(76)을 연결하는 바이패스관(77)과, 상기 바이패스관(77)에 설치되는 제2 개폐밸브(B)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어부(250)는 미리 설정된 제어프로그램에 따라 상기 제1 개폐밸브(A)와 상기 제2 개폐밸브(B)를 제어하여 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물을 상기 증발기(840)로 바이패스할 수 있다.A bypass part is formed at a rear end of the water separator 421 to bypass the water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 to the evaporator 840. The bypass unit includes a first fluid pipe 75 connected to the first vaporizer 411 from the water separator 421 and a second fluid pipe connected to the evaporator 840 from the first vaporizer 411 A first on-off valve (A) installed in 76, a bypass pipe (77) connecting the first fluid pipe (75) and the second fluid pipe (76), and the bypass pipe (77) It may be implemented including a second on-off valve (B) installed on. The control unit 250 of the fuel cell system according to the present invention controls the first on/off valve (A) and the second on/off valve (B) according to a preset control program and Water supplied to 411 may be bypassed to the evaporator 840.

일례로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어부(250)는 상기 온도감지부(74)로부터 입력되는 온도감지신호에 따라 상기 바이패스부를 제어하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물의 온도가 미리 설정된 온도 이상인 경우, 상기 제2 개폐밸브(B)를 닫고(close) 상기 제1 개폐밸브(A)를 개방(open)함으로써, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 물이 공급되도록 한다. 반대의 경우, 상기 제어부(250)는 상기 제2 개폐밸브(B)를 개방(open)하고 상기 제1 개폐밸브(A)를 닫음(close)으로써, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 증발기(840)로 물이 공급되도록 한다. 또한, 상기 온도감지부(74)는 상기 연료전지 시스템(200)에서 요구하는 연료의 양에 대응하여 상기 LNG 증발기(410)에서 필요한 열을 공급하기 위해, 상기 제1 개폐밸브(A)와 제2 개폐밸브(B)를 조절할 수 있다.For example, the control unit 250 of the fuel cell system according to the present invention may be implemented to control the bypass unit according to a temperature detection signal input from the temperature detection unit 74. For example, when the temperature of water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 is equal to or higher than a preset temperature, the controller 250 closes the second on/off valve B and 1 By opening the on-off valve A, water is supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411. In the opposite case, the control unit 250 opens the second on/off valve B and closes the first on/off valve A, so that the evaporator 840 from the water separator 421 ) To supply water. In addition, the temperature sensing unit 74 supplies the heat required by the LNG evaporator 410 in response to the amount of fuel required by the fuel cell system 200, the first opening/closing valve A and the 2 The on/off valve (B) can be adjusted.

상기 스팀용 제1 열교환기(422)는 상기 디젤엔진 배기시스템의 가열기(850)로부터 공급되는 가열된 공기와 상기 기수분리기(421)로부터 상기 개질기(430)로 공급되는 스팀(H2O)을 열교환시킨다. 상기 스팀용 제1 열교환기(422)에서 가열된 고온의 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)로 공급된다. 상기 스팀용 제1 열교환기(422)를 거친 공기는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로 공급될 수 있다. The first heat exchanger 422 for steam heat-exchanges the heated air supplied from the heater 850 of the diesel engine exhaust system and the steam (H2O) supplied from the water separator 421 to the reformer 430. . The high-temperature steam H2O heated in the first heat exchanger 422 for steam is supplied to the reformer 430. Air passing through the first heat exchanger 422 for steam may be supplied to the cathode 311 of the fuel cell 310.

상기 응축기(423)는 상기 제2 기화기(412)로부터 공급되는 상기 연소기(440)의 배기가스를 응축한다. 상기 응축기(423)는 상기 연소기(440)의 배기가스를 응축하여, 응축된 물을 상기 기수분리기(421)로 공급할 수 있다. 다른 예로, 상기 응축기(423)에서 응축된 물은 원료수 공급부(120)의 원료수 저장탱크로 공급될 수 있다. 또한, 상기 연료전지(310)에서 상기 연소기(440)로 공급되는 배기가스를 by-pass하여 상기 응축기(423)에서 응축된 물이 공급되는 제2 열교환기(424)로 공급되도록 하여, 상기 응축기(423)에서 배출되는 물이 상기 제2 열교환기(424)에서 가열된 후 상기 기수분리기(421)로 공급될 수 있다.The condenser 423 condenses the exhaust gas of the combustor 440 supplied from the second vaporizer 412. The condenser 423 may condense the exhaust gas of the combustor 440 and supply the condensed water to the water separator 421. As another example, water condensed in the condenser 423 may be supplied to the raw material water storage tank of the raw material water supply unit 120. In addition, the exhaust gas supplied from the fuel cell 310 to the combustor 440 is by-passed to be supplied to the second heat exchanger 424 supplied with the water condensed from the condenser 423, so that the condenser Water discharged from 423 may be heated in the second heat exchanger 424 and then supplied to the water separator 421.

상기 개질기(430)는 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 제1 기화기(411)와 제2 기화기(412)에 의해 기화된 천연가스(NG) 및 상기 스팀용 제1 열교환기(422)로부터 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시켜서 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 생산한다. The reformer 430 includes natural gas (NG) vaporized by a first vaporizer 411 and a second vaporizer 412 installed in the LNG evaporator, and steam supplied from the first heat exchanger 422 for steam ( H 2 O) is reformed to produce a reformed gas, that is, a fuel containing hydrogen (H 2 ).

상기 연료전지(310)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)나 인산형 연료전지(PAFC) 등의 저온형 연료전지로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(430)에서 발생되는 고온의 개질가스에는 수소(H2) 외에도 일산화탄소(CO)가 포함되어 있다. 이에 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산하는 수성가스화반응기(WGS)를 더 포함할 수 있다.The fuel cell 310 may be implemented as a low-temperature fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) or a phosphoric acid fuel cell (PAFC). In this case, the high-temperature reforming gas generated in the reformer 430 contains carbon monoxide (CO) in addition to hydrogen (H 2 ). Accordingly, the fuel cell system according to the present invention comprises a water gasification reactor (WGS) that reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the reformed gas to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ). It may contain more.

도시하지 않았지만, 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 적용한 경우 상기 수성가스화반응기(WGS)의 후단에는 수성가스화반응기(WGS)로부터 공급되는 연료에 수분을 제공하는 가습기를 더 포함하여 구현될 수 있다. 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)에 사용되는 전해질의 이온 전도성을 유지하기 위해 전해질은 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 전해질이 건조되면 이온 전도성이 저하되어 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 운전이 불가능하다.Although not shown, when the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is applied, a humidifier that provides moisture to the fuel supplied from the water gasification reactor (WGS) may be further included in the rear end of the water gasification reactor (WGS). In order to maintain the ionic conductivity of the electrolyte used in the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the electrolyte must contain adequate moisture. When the electrolyte is dried, the ionic conductivity is lowered, making it impossible to operate the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

이하에서는 본 발명에 따른 선박의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a ship according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 8은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.8 is a schematic diagram showing an example of a ship according to the present invention.

도 1 내지 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(900)은 선체(910)에 발전시스템(100)이 설치된다. 상기 발전시스템(100)은 연료전지 시스템(200)을 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 일례로, 연료전지(210), 원료 처리부(410), 기수분리기(421)와 스팀용 제1 열교환기(422)와 응축기(423)를 포함하는 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. Referring to Figures 1 to 8, the ship 900 according to the present invention is a power generation system 100 is installed in the hull 910. The power generation system 100 includes a fuel cell system 200. The fuel cell system 200 includes, for example, a fuel cell 210, a raw material processing unit 410, a water separator 421, a first heat exchanger 422 for steam, and a condenser 423 ( It may be implemented by including 420, reformer 430, and combustor 440.

상기 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진(810), 배기리시버(820), 과급기(830), 증발기(840), 및 가열기(850)를 포함하는 디젤엔진 배기시스템과 연동하도록 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 원료 처리부(410), 상기 원료수 처리부(420), 상기 개질기(430), 및 상기 연소기(440) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. The fuel cell system 200 is implemented to interlock with a diesel engine exhaust system including a diesel engine 810, an exhaust receiver 820, a supercharger 830, an evaporator 840, and a heater 850. The fuel cell system 200 according to the present invention includes all components including the fuel cell 210, the raw material processing unit 410, the raw material water treatment unit 420, the reformer 430, and the combustor 440, etc. It may be implemented including the control unit 250 that controls the operation of.

상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 디젤엔진을 사용하는 발전시스템에 포함되는 구성으로서, 디젤엔진 연소실 내에서 발생하는 질소산화물(NOX) 등과 같은 환경오염물질을 포함하는 배기가스를 정화시키고 열을 회수하여 외부로 배출하는 장치이다. 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOX) 등을 줄이기 위해 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 디젤엔진에서 배출되는 고온의 배기가스의 폐열을 이용하여 물을 증발시키는 증발기와 공기를 가열하는 가열기를 포함하는 이코노마이저(economizer)을 포함하여 구현될 수 있다.The diesel engine exhaust system 800 is a component included in a power generation system using a diesel engine, and purifies exhaust gas including environmental pollutants such as nitrogen oxides (NO X ) generated in the combustion chamber of the diesel engine and generates heat. It is a device that collects and discharges it to the outside. The diesel engine exhaust system 800 may be equipped with a selective catalytic reduction (SCR) reactor to reduce nitrogen oxides (NO X ) contained in exhaust gas. The diesel engine exhaust system 800 may include an economizer including an evaporator for evaporating water and a heater for heating air using waste heat of high-temperature exhaust gas discharged from the diesel engine.

상기 디젤연료 공급부(710)는 디젤연료 저장탱크를 포함하며, 상기 디젤연료 저장탱크로부터 디젤엔진으로 디젤연료를 공급한다. 상기 디젤연료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 및 액화석유가스(LPG) 등이 될 수 있다.The diesel fuel supply unit 710 includes a diesel fuel storage tank, and supplies diesel fuel from the diesel fuel storage tank to a diesel engine. The diesel fuel may be marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), general heavy oil (HFO), methanol, dimethyl ether (DME), and liquefied petroleum gas (LPG).

상기 연료전지(210)는 수소를 포함하는 연료가 유입되는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산한다. 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The fuel cell 210 is generated from an anode into which fuel including hydrogen is introduced, a cathode through which air, which is an oxidizing agent required for a fuel cell reaction, is introduced, and the anode and the cathode. It produces electricity, including an electrolyte that acts as a transport for ions. The fuel cell 210 is an alkaline fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel. It may be a fuel cell selected from among cells (DMFC).

상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크와 펌프를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 제1 기화기(411)와 제2 기화기(412)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 제1 기화기(411)는 상기 기수분리기(421)로부터 공급되는 물의 온도로 발열하며 상기 기수분리기(421)로부터 공급되는 물을 상기 증발기(840)로 공급한다. 상기 제2 기화기(412)는 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열로 발열하며, 상기 제1 기화기(411)와 상기 제2 기화기(412)에 의해 기화된 천연가스(NG)는 상기 개질기(430)와 상기 연소기(440)로 공급된다.The raw material processing unit 410 includes an LNG evaporator for evaporating LNG (liquefied natural gas) supplied from the raw material supply unit 110 including an LNG storage tank and a pump, and a first vaporizer 411 and a second vaporizer installed in the LNG evaporator. It may be implemented including a vaporizer 412. The first vaporizer 411 generates heat at the temperature of water supplied from the water separator 421 and supplies water supplied from the water separator 421 to the evaporator 840. The second vaporizer 412 generates heat by waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440, and the natural gas (NG) vaporized by the first vaporizer 411 and the second vaporizer 412 is It is supplied to the reformer 430 and the combustor 440.

상기 기수분리기(421) 후단에는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물의 온도를 감지하는 온도감지부(74)가 설치된다. 상기 온도감지부(74)는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)와 연결되는 제1 유체관(75)에 설치된다. A temperature sensing unit 74 for sensing the temperature of water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 is installed at a rear end of the water separator 421. The temperature sensing unit 74 is installed in the first fluid pipe 75 connected to the first vaporizer 411 from the water separator 421.

상기 기수분리기(421) 후단에는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물을 상기 증발기(840)로 바이패스하는 바이패스부가 형성된다. 상기 바이패스부는, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)와 연결되는 제1 유체관(75)과 상기 제1 기화기(411)로부터 상기 증발기(840)와 연결되는 제2 유체관(76)에 설치되는 제1 개폐밸브(A)와, 상기 제1 유체관(75)과 상기 제2 유체관(76)을 연결하는 바이패스관(77)과, 상기 바이패스관(77)에 설치되는 제2 개폐밸브(B)를 포함하여 구현될 수 있다. A bypass part is formed at a rear end of the water separator 421 to bypass the water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 to the evaporator 840. The bypass unit includes a first fluid pipe 75 connected to the first vaporizer 411 from the water separator 421 and a second fluid pipe connected to the evaporator 840 from the first vaporizer 411 A first on-off valve (A) installed in 76, a bypass pipe (77) connecting the first fluid pipe (75) and the second fluid pipe (76), and the bypass pipe (77) It may be implemented including a second on-off valve (B) installed on.

일례로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 제어부(250)는 상기 온도감지부(74)로부터 입력되는 온도감지신호에 따라 상기 바이패스부를 제어하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 공급되는 물의 온도가 미리 설정된 온도 이상인 경우, 상기 제2 개폐밸브(B)를 닫고(close) 상기 제1 개폐밸브(A)를 개방(open)함으로써, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 제1 기화기(411)로 물이 공급되도록 한다. 반대의 경우, 상기 제어부(250)는 상기 제2 개폐밸브(B)를 개방(open)하고 상기 제1 개폐밸브(A)를 닫음(close)으로써, 상기 기수분리기(421)로부터 상기 증발기(840)로 물이 공급되도록 한다. 또한, 상기 온도감지부(74)는 상기 연료전지 시스템(200)에서 요구하는 연료의 양에 대응하여 상기 LNG 증발기(410)에서 필요한 열을 공급하기 위해, 상기 제1 개폐밸브(A)와 상기 제2 개폐밸브(B)를 조절할 수 있다.For example, the control unit 250 of the fuel cell system according to the present invention may be implemented to control the bypass unit according to a temperature sensing signal input from the temperature sensing unit 74. For example, when the temperature of water supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411 is equal to or higher than a preset temperature, the controller 250 closes the second on/off valve B and 1 By opening the on-off valve A, water is supplied from the water separator 421 to the first vaporizer 411. In the opposite case, the control unit 250 opens the second on/off valve B and closes the first on/off valve A, so that the evaporator 840 from the water separator 421 ) To supply water. In addition, in order to supply heat required by the LNG evaporator 410 in response to the amount of fuel required by the fuel cell system 200, the temperature sensing unit 74 includes the first opening/closing valve A and the The second on-off valve (B) can be adjusted.

상기 스팀용 제1 열교환기(422)는 상기 디젤엔진 배기시스템의 가열기(850)로부터 공급되는 가열된 공기와 상기 기수분리기(421)로부터 상기 개질기(430)로 공급되는 스팀(H2O)을 열교환시킨다. 상기 스팀용 제1 열교환기(422)에서 가열된 고온의 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)로 공급된다. 상기 스팀용 제1 열교환기(422)를 거친 공기는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로 공급될 수 있다. The first heat exchanger 422 for steam includes heated air supplied from the heater 850 of the diesel engine exhaust system and steam (H 2 O) supplied from the water separator 421 to the reformer 430 Heat exchange. The high-temperature steam (H 2 O) heated in the first heat exchanger 422 for steam is supplied to the reformer 430. Air passing through the first heat exchanger 422 for steam may be supplied to the cathode 311 of the fuel cell 310.

상기 개질기(430)는 LNG 증발기 내에 설치되는 제1 기화기(411)와 제2 기화기(412)에 의해 기화된 천연가스(NG) 및 상기 스팀용 제1 열교환기(422)로부터 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시켜서 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 생산한다. The reformer 430 includes natural gas (NG) vaporized by a first vaporizer 411 and a second vaporizer 412 installed in the LNG evaporator, and steam (H) supplied from the first heat exchanger 422 for steam. 2 O) is reformed to produce a reformed gas, that is, a fuel containing hydrogen (H 2 ).

상기 연료전지(310)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 개질기(430)에서 발생되는 고온의 개질가스에는 수소(H2) 외에도 일산화탄소(CO)가 포함되어 있다. 이에 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산하는 수성가스화반응기(WGS)를 더 포함할 수 있다.The fuel cell 310 may be implemented as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). In this case, the high-temperature reforming gas generated in the reformer 430 contains carbon monoxide (CO) in addition to hydrogen (H 2 ). Accordingly, the fuel cell system according to the present invention comprises a water gasification reactor (WGS) that reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the reformed gas to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ). It may contain more.

도 1 내지 도 9을 참고하면, 상기 선체(910)는 본 발명에 따른 선박(900)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 선체(910)에는 선체(910)를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진과 상기 엔진에 원료를 공급하는 원료 공급부가 설치된다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소, 및 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO)와 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다.1 to 9, the hull 910 forms the overall appearance of the ship 900 according to the present invention. The hull 910 is provided with an engine generating a propulsive force to move the hull 910 and a raw material supply unit supplying raw materials to the engine. For example, raw materials are hydrocarbon-based materials, such as LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, It may be a liquid raw material having a relatively high molecular weight, such as hydrogen-purified off-gas, pure hydrogen, and marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and general heavy oil (HFO).

상기 선체(910)에는 원료수를 저장하는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 원료수 공급부(120)가 설치된다. 상기 원료수는 예를 들어, 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. A raw material water storage tank for storing raw material water and a raw material water supply unit 120 for supplying raw material water from the raw material water storage tank are installed in the hull 910. The raw material water may be, for example, fresh water or sea water. As another example, the raw material water may be fresh water or water in which impurities have been removed from seawater.

상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급하는 공기 공급부(130)가 설치된다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 두 기체 모두를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 외부공기의 불순물 제거 후 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. An air supply unit 130 for supplying air to the fuel cell system 200 is installed in the hull 910. Typically, air refers to a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and the like, but in the present specification, nitrogen, carbon dioxide, or both gases are removed from the air. The air supply unit 130 may include an air storage tank and a device (eg, a blower) supplying air from the air storage tank. As another example, the air supply unit 130 may be implemented to supply compressed high-pressure air after receiving and compressing external air, or supplying it at normal pressure after removing impurities from external air.

상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성된 전력변환부가 설치된다. 상기 전력변환부는 상기 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 공급하도록 구현될 수도 있다. The hull 910 includes a DC-DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 and a DC-AC inverter for converting DC current to AC current. Conversion unit is installed. The power conversion unit discharges electricity supplied from the fuel cell system 200 to a power load. For example, in the case of a ship, the power load may be an electrical equipment in a ship such as basic electrical equipment of a ship and electric equipment of a cargo system. Although not shown, the power conversion unit may be implemented to supply electricity to an energy storage device, for example, a battery.

본 명세서에서,"선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO) 등과 같은 해상 구조물을 포함한다.In this specification, the term "ship" is not limited to mean a structure sailing on the water, as well as a structure that sails on the water, as well as a floating crude oil production storage and handling facility (FPSO) that floats on the water and performs work. Includes the same marine structure.

지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Until now, the present specification has been described with reference to the embodiments shown in the drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs can easily understand and reproduce the present invention. Those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from the embodiments of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined only by the appended claims.

100: 발전시스템
110: 원료 공급부 120: 원료수 공급부
130: 공기 공급부 140: 전력변환부
200: 연료전지 시스템
411: 제1 기화기 412: 제2 기화기
421: 기수분리기 422: 스팀용 제1 열교환기
423: 응축기 424 : 제2 열교환기
800: 디젤엔진 배기시스템
810: 엔진
820: 배기리시버 830: 과급기
840: 증발기 850: 가열기
100: power generation system
110: raw material supply unit 120: raw material water supply unit
130: air supply unit 140: power conversion unit
200: fuel cell system
411: first carburetor 412: second carburetor
421: water separator 422: first heat exchanger for steam
423: condenser 424: second heat exchanger
800: diesel engine exhaust system
810: engine
820: exhaust receiver 830: supercharger
840: evaporator 850: burner

Claims (9)

선박으로서,
디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열로 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생성하는 증발기를 갖는 디젤엔진 배기시스템;
상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템; 및
상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
상기 연료전지 시스템은,
LNG를 증발시키는 LNG 증발기로부터 공급되는 가스와 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시켜 개질가스를 생성하는 개질기;
상기 개질기를 가열하는 연소기;
상기 개질가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지;
상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받아 스팀(H2O)과 액체상태의 물을 분리하며, 스팀(H2O)을 상기 개질기로 공급하는 기수분리기;
상기 LNG 증발기 내에 설치되며, 상기 기수분리기로부터 공급되는 고온의 물로 발열하며 상기 기수분리기로부터 공급되는 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하는 제1 기화기; 및
상기 기수분리기로부터 상기 제1 기화기로 공급되는 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 바이패스하는 바이패스부를 포함하는 선박.
As a ship,
A diesel engine exhaust system having an evaporator generating steam (H 2 O) by evaporating water with waste heat of exhaust gas discharged from the diesel engine;
A fuel cell system interlocking with the diesel engine exhaust system; And
Including a power conversion unit for converting the direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC),
The fuel cell system,
A reformer for generating reformed gas by reforming the gas supplied from the LNG evaporator for evaporating LNG and the steam (H 2 O) supplied from the evaporator of the diesel engine exhaust system;
A combustor for heating the reformer;
A fuel cell receiving the reformed gas and generating electricity;
A steam separator for receiving steam (H 2 O) from an evaporator of the diesel engine exhaust system, separating steam (H 2 O) from liquid water, and supplying steam (H 2 O) to the reformer;
A first vaporizer that is installed in the LNG evaporator, generates heat with high-temperature water supplied from the water separator, and supplies water supplied from the water separator to the evaporator of the diesel engine exhaust system; And
A ship comprising a bypass unit for bypassing the water supplied from the water separator to the first vaporizer to the evaporator of the diesel engine exhaust system.
제1항에 있어서,
상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 공기를 가열하는 가열기를 포함하고,
상기 가열기는 가열된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.
The method of claim 1,
The diesel engine exhaust system includes a heater for heating air using waste heat of exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source,
The vessel, characterized in that the heater supplies heated air to a cathode of the fuel cell.
제2항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은 상기 디젤엔진 배기시스템의 가열기로부터 공급되는 가열된 공기 및 상기 기수분리기로부터 상기 개질기로 공급되는 스팀(H2O)을 열교환시키는 스팀용 제1 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
The method of claim 2,
The fuel cell system comprises a first heat exchanger for heat exchange of heated air supplied from a heater of the diesel engine exhaust system and steam (H2O) supplied from the water separator to the reformer.
디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템으로서,
LNG를 증발시키는 LNG 증발기로부터 공급되는 가스와 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 공급되는 스팀(H2O)을 개질반응시켜 개질가스를 생성하는 개질기;
상기 개질기를 가열하는 연소기;
상기 개질가스를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지;
상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받아 스팀(H2O)과 액체상태의 물을 분리하며, 스팀(H2O)을 상기 개질기로 공급하는 기수분리기;
상기 LNG 증발기 내에 설치되며, 상기 기수분리기로부터 공급되는 고온의 물로 발열하며 상기 기수분리기로부터 공급되는 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하는 제1 기화기; 및
상기 기수분리기로부터 상기 제1 기화기로 공급되는 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 바이패스하는 바이패스부를 포함하는 연료전지 시스템.
As a fuel cell system interlocking with the diesel engine exhaust system,
A reformer for generating reformed gas by reforming the gas supplied from the LNG evaporator for evaporating LNG and the steam (H 2 O) supplied from the evaporator of the diesel engine exhaust system;
A combustor for heating the reformer;
A fuel cell receiving the reformed gas and generating electricity;
A steam separator for receiving steam (H 2 O) from an evaporator of the diesel engine exhaust system, separating steam (H 2 O) from liquid water, and supplying steam (H 2 O) to the reformer;
A first vaporizer that is installed in the LNG evaporator, generates heat with high-temperature water supplied from the water separator, and supplies water supplied from the water separator to the evaporator of the diesel engine exhaust system; And
And a bypass unit for bypassing water supplied from the water separator to the first vaporizer to an evaporator of the diesel engine exhaust system.
삭제delete 제4항에 있어서,
상기 기수분리기로부터 상기 제1 기화기로 공급되는 물의 온도를 감지하는 온도감지부; 및
상기 온도감지부로부터 입력되는 온도감지신호에 따라 상기 바이패스부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 4,
A temperature sensing unit sensing the temperature of water supplied from the water separator to the first vaporizer; And
And a control unit for controlling the bypass unit according to a temperature sensing signal input from the temperature sensing unit.
제4항에 있어서,
상기 LNG 증발기 내에 설치되며, 상기 연소기로부터 공급되는 배기가스의 폐열로 발열하는 제2 기화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 4,
And a second vaporizer installed in the LNG evaporator to generate heat with waste heat of exhaust gas supplied from the combustor.
제4항에 있어서,
상기 연소기는 상기 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 배기가스를 공급받아 연소반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 4,
Wherein the combustor receives exhaust gas from an anode or a cathode of the fuel cell and uses it for a combustion reaction.
제4항에 있어서,
상기 개질기로부터 공급되는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이는 수성가스화반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 4,
And a water gasification reactor that reduces the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas supplied from the reformer.
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