KR102219830B1 - Ship - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원료를 공급하기 위한 원료 공급부, 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부, 상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템, 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(Dc)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity using a raw material supply unit for supplying raw materials, a raw material water supply unit for supplying raw material water, a raw material supplied from the raw material supply unit, and raw material water supplied from the raw material water supply unit, and It relates to a ship including a power conversion unit for converting the DC current (Dc) output from the fuel cell system to the AC current (AC).
Description
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 발전시스템이 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 power generation 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.
종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 가정이나 소형 구조물인 전기자동차 등에 적용되고 있다. 그러나, 대형 구조물에 적용하기 위해서는 모듈화된 연료전지를 많이 사용하거나 연료전지 모듈의 발전출력이 상대적으로 커져야 하기 때문에 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 문제점이 발생한다.Fuel cell systems according to the prior art have been applied to electric vehicles such as homes or small structures. However, in order to be applied to a large structure, a fuel cell system according to the prior art has the following problems because a large amount of modularized fuel cells are used or the power generation output of the fuel cell module must be relatively large.
첫째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료전지로부터 배출되는 고온의 배기가스를 그대로 배출하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 고온의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다.First, the fuel cell system according to the related art discharges high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell as it is. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has a problem in that the energy efficiency of the fuel cell is deteriorated as waste heat generated from high-temperature exhaust gas is wasted.
둘째, 사용되는 연료전지 모듈 수가 많아지게 되면, 그에 따라 장치 설치 비용이 상승하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 설비 구축비용과 운영비용이 상승하게 되는 문제가 있다.Second, when the number of used fuel cell modules increases, the cost of installing the device increases accordingly. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has a problem in that the cost of building facilities and operating costs are increased.
본 발명은 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 재활용함으로써, 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a vessel capable of preventing the energy efficiency of a fuel cell from being lowered by recycling waste heat generated from exhaust gas of a fuel cell.
본 발명은 설비 구축비용과 운영비용을 줄일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a ship that can reduce the cost of building and operating facilities.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 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 원료를 공급하기 위한 원료 공급부; 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부; 상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(Dc)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 전처리된 원료와 스팀을 개질반응시키는 개질기를 포함하고, 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위한 수소생성부; 상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지; 및 상기 수소생성부에 공급되는 원료를 가열하기 위해 상기 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열과 상기 수소생성부에 공급되는 원료를 열교환시키는 제1열교환기를 포함할 수 있다.The ship according to the present invention includes a raw material supply unit for supplying raw materials; A raw material water supply unit for supplying raw material water; A fuel cell system for generating electricity by using the raw material supplied from the raw material supply unit and the raw material water supplied from the raw material water supply unit; 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 reformer for reforming and reacting the pretreated raw material and steam, and includes hydrogen. A hydrogen generation unit for generating fuel; A fuel cell for generating electricity using fuel including hydrogen supplied from the hydrogen generating unit; And a first heat exchanger for exchanging heat between waste heat generated from exhaust gas of the fuel cell and the raw material supplied to the hydrogen generating unit to heat the raw material supplied to the hydrogen generating unit.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 수소생성부는 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킴으로써 원료수를 생산하기 위한 응축기를 포함하고; 상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함하는 원료수를 증발기에서 가열하여 생성될 수 있다.In the ship according to the present invention, the hydrogen generating unit comprises a condenser for producing raw material water by condensing exhaust gas discharged from an anode of the fuel cell; Steam (H 2 O) supplied to the reformer may be generated by heating raw material water including condensed water produced from the condenser in an evaporator.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 수소생성부는 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킴으로써 응축수를 생산하기 위한 응축기, 및 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 발생되는 폐열과 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함한 원료수를 열교환시키기 위한 제2열교환기를 포함하고; 상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함하는 원료수가 상기 제2열교환기를 통과하면서 생성될 수 있다.In the ship according to the present invention, the hydrogen generating unit is a condenser for producing condensed water by condensing exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell, and waste heat generated from the cathode of the fuel cell and the A second heat exchanger for exchanging the raw material water including the condensed water produced from the condenser; Steam (H 2 O) supplied to the reformer may be generated while raw material water including condensed water produced from the condenser passes through the second heat exchanger.
본 발명은 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열함으로써, 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.The present invention can contribute to preventing a decrease in energy efficiency of a fuel cell as the waste heat generated from the exhaust gas of the fuel cell is wasted by heating raw materials using waste heat generated from the exhaust gas of the fuel cell.
본 발명은 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열하도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템의 설비 구축비용 및 운영비용울 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention is implemented to heat raw materials using waste heat generated from exhaust gas of a fuel cell, thereby contributing to reducing the cost of building facilities and operating the fuel cell 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 5 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 9는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도1 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 to 8 are conceptual diagrams of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
9 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
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
상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크를 포함하며 상기 원료 저장탱크로부터 원료를 공급한다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 또는 일반 중유(HFO)등의 디젤유, 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소 등일 수 있다.The raw
일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크와 상기 원료 저장탱크로부터 원료를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현된다. 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 LNG 운반선에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 LNG 저장탱크와 상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 공급하는 장치(예컨대 펌프)를 포함하여 구현된다. 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
상기 원료수 공급부(120)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 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
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
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
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) 시스템과 연동하도록 구현될 수도 있다.The
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a
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.Referring to FIG. 2, the
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
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
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
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
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
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
도 3b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)에서 수소(H2)가 분해되어 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 decomposed in a
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
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 원료수, 상기 수소생성부(400)에서 생성되어 상기 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다. Referring to FIGS. 2 and 4, the
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
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
상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(Reformer)(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다.The
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) 등의 오일 액상 연료인 원료에 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 황제거기를 포함하여 구현될 수 있다. The raw
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
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
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
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
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 발생할 수 있다. 상기 연소기(440)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(430)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다. The
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 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 the
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
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∼20 ppm 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
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
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 배출되는 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 converts carbon monoxide (CO) into hydrogen (Preferential Oxidation, PROX), or carbon monoxide (CO), which burns and removes only carbon monoxide (CO) among gases discharged from the low-temperature water gasification reactor (LTS). 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
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.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다.5 and 6 are conceptual diagrams of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400) 및 제1열교환기(230)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400) 및 상기 제1열교환기(230) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.5 and 6, the
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. 본 명세서는 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)에 대하여 설명한다.The
상기 제1열교환기(230)는 상기 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열과 상기 수소생성부(400)에 공급되는 원료를 열교환시킨다. 예컨대, 상기 제1열교환기(230)는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 원료 공급부(120)로부터 상기 원료처리부(140)에 공급되는 원료를 가열할 수 있다. 즉, 상기 연료전지(310)의 배기가스는 상기 제1열교환기(230)로 공급되고, 상기 원료는 상기 제1열교환기(230)를 통과하여 가열된 상태로 상기 원료 처리부(410)에 공급될 수 있다. 상기 제1열교환기(230)를 통과한 배기가스는 외부로 배출되거나 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다. 또한, 상기 원료 처리부(410)에는 상기 제1열교환기(230)에 의해 가열되어 가스화된 원료가 공급될 수 있다. 따라서, 본 발명에 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.The
첫째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열함으로써, 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.First, the
둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 원료 가열 설비를 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 전체적인 설비 구축비용 및 운영비용울 줄이는데 기여할 수 있다.Second, since the
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다.7 and 8 are conceptual diagrams of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 원료수 처리부(420)는 상기 연료전지(310)로부터 배출되는 배기가스를 응축시키기 위한 응축기(421) 및 증발기(423)를 포함하여 구현될 수 있다.Referring to FIG. 7, the raw material
상기 응축기(421)는 원료수를 생산하기 위해, 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킨다. 예컨대, 상기 응축기(421)는 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 배기가스를 응축하여 수분(물방울)을 발생시킬 수 있다. 상기 응축기(421)는 상기 연료전지(310) 및 상기 증발기(423)와 연결될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 응축기(421)는 생산된 응축수를 원료수 저장탱크로 공급할 수 있다. 또한, 응축 후의 잔류 가스는 외부로 배출되거나 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다. The
상기 증발기(423)는 상기 응축기(421) 및 상기 개질기(430)와 연결된다. 상기 증발기(423)는 상기 응축기(421)로부터 생산된 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산한다. 즉, 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기(421)로부터 생산된 원료수를 가열함으로써 생성된 것일 수 있다.The
이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킴으로써 생성된 물을 이용하여 스팀(H2O)을 발생하도록 구현된다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 원료수 공급부(110)로부터 공급되는 원료수의 공급을 줄일 수 있으므로, 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다. Accordingly, the
도 8을 참고하면, 상기 원료수 처리부(421)는 제2열교환기(425)를 포함하여 구현될 수 있다.Referring to FIG. 8, the raw material
상기 제2열교환기(425)는 상기 연료전지의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 배기가스와 상기 응축기(421)로부터 생산된 응축수를 열교환시킨다. 예컨대, 상기 제2열교환기(425)는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 일부의 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 응축기(421)로부터 생산된 응축수를 가열할 수 있다. 즉, 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기(421)로부터 생산된 응축수를 상기 제2열교환기(425)에서 상기 공기극(311)의 배기가스를 이용하여 가열함으로써 생성된 것일 수 있다. 상기 제2열교환기(425)는 상기 응축기(421) 및 상기 개질기(430) 사이에 설치될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 응축기(421)는 생산된 응축수를 원료수 저장탱크로 공급할 수 있다. 또한, 응축 후의 잔류 가스나 제2열교환기에서 배출되는 가스는 외부로 배출되거나 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다.
또한 도 8을 참조하면 제1열교환기(230)는, 원료공급부(120)로부터 메탄화기로 전달되는 오일 액상 연료인 원료를 메탄화기의 상류에서 연료전지(310)의 폐열로 가열하여 메탄화기에서의 촉매 반응을 촉진한다.The second heat exchanger 425 heat-exchanges the exhaust gas discharged from the
In addition, referring to FIG. 8, the
이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.Accordingly, the
첫째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311) 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 응축수를 가열함으로써, 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.First, the
둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시켜 생성된 응축수를 상기 연료전지 공기극(cathode)(311) 배기가스를 이용하여 가열함으로써, 스팀(H2O)을 발생하도록 구현된다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 원료수 공급부(110)에서 공급되는 원료수의 공급을 줄이거나 상기 증발기(423)가 생략될 수 있으므로, 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다. Second, in the
여기서, 상기 개질기(430)를 통과한 연료는 상기 수소가스화반응기(WGS)(450) 및 분리기(460)를 통과하여 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로 공급될 수 있다. 상기 분리기(460)는 상기 개질반응 과정에서 발생되는 부수적인 기타 물질(예컨대, 재(ash), 황화수소(H2S) 등)을 분리한다.Here, the fuel that has passed through the
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 9는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.9 is a schematic diagram showing an example of a ship according to the present invention.
도 1 내지 도 9을 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 연료전지(210), 수소생성부(400), 제1열교환기(230), 및 원료수 처리부(420)를 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 배기가스 처리부(270), 상기 수소생성부(400), 및 원료수 처리부(420) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구현될 수도 있다.1 to 9, the
상기 연료전지(210)는 제1 연료전지(310)와 제2 연료전지(320)를 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지(310)와 제2 연료전지(320)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
상기 제1열교환기(230)는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 원료 공급부(120)로부터 상기 원료처리부(140)에 공급되는 원료를 가열할 수 있다. 즉, 상기 연료전지(310)의 배기가스는 상기 제1열교환기(230)로 배출되고, 상기 원료는 상기 제1열교환기(230)를 통과하여 가열된 상태로 상기 원료 공급부(120)에 공급될 수 있다. The
상기 원료수 처리부(420)는 상기 연료전지(310)로부터 배출되는 배기가스를 응축시키기 위한 응축기(421), 증발기(423), 및 제2열교환기(425)를 포함하여 구현될 수 있다.The raw material
상기 응축기(421)는 상기 연료전지(310)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 배기가스를 응축하여 수분(물방울)을 발생시킬 수 있다. 상기 응축기(421)는 상기 연료전지(310) 및 상기 증발기(423)와 연결될 수 있다.The
상기 증발기(423)는 상기 응축기(421) 및 상기 개질기(430)와 연결된다. 상기 증발기(423)는 상기 응축기(421)로부터 생산된 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생산한다. 즉, 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기(421)로부터 생산된 원료수를 가열함으로써 생성된 것일 수 있다.The
상기 제2열교환기(425)는 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 일부의 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 응축기(421)로부터 생산된 응축수를 가열할 수 있다. 즉, 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기(421)로부터 생산된 응축수를 상기 제2열교환기(425)에서 상기 공기극(311)의 배기가스를 이용하여 가열함으로써 생성된 것일 수 있다. 상기 제2열교환기(425)는 상기 응축기(421) 및 상기 개질기(430) 사이에 설치될 수 있다.The second heat exchanger 425 may heat the condensed water produced from the
이에 따라, 본 발명에 따른 선박(900)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.Accordingly, the
첫째, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박(900)은 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열함으로써, 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.First, the
둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박(900)은 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 원료를 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 가열 설비를 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 전체적인 설비 구축비용 및 운영비용울 줄이는데 기여할 수 있다.Second, the
셋째, 본 발명의 제2실시예에 따른 선박(900)은 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311) 배기가스로부터 발생되는 폐열을 이용하여 응축수를 가열함으로써, 연료전지(310)의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.Third, the
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 공급부(110)가 설치된다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소, 및 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy Fuel Oil, HFO)와 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다.1 to 9, the
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
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
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 전력변환부(140)가 설치된다. 상기 전력변환부(140)는 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 전력변환부(140)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 공급하도록 구현될 수도 있다. The
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
210: 연료전지 230: 제1열교환기
250: 제어부 400: 수소생성부100: 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
210: fuel cell 230: first heat exchanger
250: control unit 400: hydrogen generation unit
Claims (4)
원료를 공급하기 위한 원료 공급부;
원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부;
상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및
상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(Dc)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
상기 연료전지 시스템은,
전처리된 원료와 스팀을 개질반응시키는 개질기를 포함하고, 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위한 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 수소생성부에 공급되는 원료를 가열하기 위해 상기 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열과 상기 수소생성부에 공급되는 원료를 열교환시키는 제1열교환기를 포함하며,
상기 수소생성부는,
오일 액상 연료인 원료를 촉매 반응하여 메탄을 생성하여 상기 개질기에 공급하는 메탄화기를 더 포함하고,
상기 제1열교환기는, 상기 메탄화기의 상류에서 상기 오일 액상 연료인 원료를 상기 연료전지의 폐열로 가열하여 상기 메탄화기에서의 촉매 반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 선박.As a ship,
A raw material supply unit for supplying raw materials;
A raw material water supply unit for supplying raw material water;
A fuel cell system for generating electricity by using the raw material supplied from the raw material supply unit and the raw material water supplied from the raw material water supply unit; And
Including a power conversion unit for converting the DC current (Dc) output from the fuel cell system to the AC current (AC),
The fuel cell system,
A hydrogen generation unit including a reformer for reforming the pretreated raw material and steam, and for generating fuel containing hydrogen;
A fuel cell for generating electricity using fuel including hydrogen supplied from the hydrogen generating unit; And
And a first heat exchanger for exchanging the waste heat generated from exhaust gas of the fuel cell and the raw material supplied to the hydrogen generating unit to heat the raw material supplied to the hydrogen generating unit,
The hydrogen generation unit,
Further comprising a methanizer for supplying methane to the reformer by catalytic reaction of the raw material, which is an oil liquid fuel,
The first heat exchanger is a ship, characterized in that for promoting a catalytic reaction in the methanizer by heating the raw material, which is the oil-liquid fuel, upstream of the methanator with waste heat of the fuel cell.
상기 수소생성부로부터 공급되는 수소를 포함하는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 수소생성부에 공급되는 원료를 가열하기 위해 상기 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열과 상기 수소생성부에 공급되는 원료를 열교환시키는 제1열교환기를 포함하며,
상기 수소생성부는,
오일 액상 연료인 원료를 촉매 반응하여 메탄을 생성하여 상기 개질기에 공급하는 메탄화기를 더 포함하고,
상기 제1열교환기는, 상기 메탄화기의 상류에서 상기 오일 액상 연료인 원료를 상기 연료전지의 폐열로 가열하여 상기 메탄화기에서의 촉매 반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A hydrogen generation unit including a reformer for reforming the pretreated raw material and steam, and for generating fuel containing hydrogen;
A fuel cell for generating electricity using fuel including hydrogen supplied from the hydrogen generating unit; And
And a first heat exchanger for exchanging the waste heat generated from exhaust gas of the fuel cell and the raw material supplied to the hydrogen generating unit to heat the raw material supplied to the hydrogen generating unit,
The hydrogen generation unit,
Further comprising a methanizer for supplying methane to the reformer by catalytic reaction of the raw material, which is an oil liquid fuel,
The first heat exchanger is a fuel cell system, characterized in that for promoting a catalytic reaction in the methanizer by heating the raw material, which is the oil-liquid fuel, upstream of the methanator with waste heat of the fuel cell.
상기 수소생성부는 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킴으로써 원료수를 생산하기 위한 응축기를 포함하고;
상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함하는 원료수를 증발기에서 가열하여 생성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The hydrogen generating unit includes a condenser for producing raw material water by condensing exhaust gas discharged from an anode of the fuel cell;
The steam (H 2 O) supplied to the reformer is generated by heating raw material water including condensed water produced from the condenser in an evaporator.
상기 수소생성부는 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 응축시킴으로써 응축수를 생산하기 위한 응축기, 및 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 발생되는 폐열과 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함한 원료수를 열교환시키기 위한 제2열교환기를 포함하고;
상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 응축기로부터 생산된 응축수를 포함하는 원료수가 상기 제2열교환기를 통과하면서 생성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The hydrogen generating unit is a condenser for producing condensed water by condensing exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell, and raw material including waste heat generated from the cathode of the fuel cell and condensed water produced from the condenser A second heat exchanger for heat exchange of water;
Steam (H 2 O) supplied to the reformer is a fuel cell system, characterized in that the raw material water including the condensed water produced from the condenser is generated while passing through the second heat exchanger.
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