KR102252149B1 - 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 is a fuel cell system for generating electricity using a raw material supply unit for supplying a raw material, a raw material water supply unit for supplying raw material water, a raw material supplied from the raw material supply unit, and the raw material water supplied from the raw material water supply unit, and It relates to a ship including a power conversion unit for converting a direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC).

Description

선박{SHIP}Ship{SHIP}

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

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.

연료전지 시스템은 연료 예를 들어, 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소 등을 이용하여 산소 등의 산화제와의 반응을 통해 직접 전기 에너지를 생산하는 연료전지(FUEL CELL)를 포함하는 시스템이다. 탄화수소 계열의 물질은 예를 들어, NG(천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르 등을 포함한다.A fuel cell system is a system including a fuel cell that directly produces electric energy through a reaction with an oxidizing agent such as oxygen using a fuel, for example, hydrogen contained in a hydrocarbon-based material. Hydrocarbon-based materials include, for example, NG (natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, dimethyl ether, and the like.

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. 연료전지는 연료 및 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기를 생산할 수 있다. 개질기는 NG(천연가스) 등과 같은 원료, 및 스팀(H20)에서 수분을 분리하는 기수분리기로부터 스팀(H20)을 공급받아 연소기에 의해 가열되어 연료와 스팀(H20)을 개질반응시킬 수 있다.Depending on the type of electrolyte used, fuel cells include alkaline fuel cells (AFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxides. It is classified into a fuel cell (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), and a Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Each of these fuel cells operates according to fundamentally the same principle, but differs in operating temperature, electrolyte, power generation efficiency, and power generation performance. The fuel cell may generate electricity by receiving fuel containing hydrogen from a reformer that reforms fuel and steam (H 2 0). The reformer receives raw materials such as NG (natural gas) and steam (H 2 0) from a steam separator that separates moisture from steam (H 2 0) and is heated by a combustor to reform fuel and steam (H 2 0). You can react.

한편, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 기수분리기에서 개질기로 공급되는 스팀(H20)을 별도의 가열장치를 이용하여 가열하였다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 문제점이 발생한다.Meanwhile, in the fuel cell system according to the prior art, steam (H 2 0) supplied from the water separator to the reformer is heated using a separate heating device. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has the following problems.

첫째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 개질기에 공급되는 스팀(H20)을 가열하기 위해 별도의 가열장치에도 연료나 전기를 공급해야 한다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료전지에 사용되는 연료 생성을 위한 열을 공급하기 위해 별도의 가열장치에 연료나 전기를 공급해야 하므로 전기 생산 효율이 저하되는 문제가 있다.First, the fuel cell system according to the prior art needs to supply fuel or electricity to a separate heating device in order to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has a problem in that electricity production efficiency is deteriorated because fuel or electricity must be supplied to a separate heating device in order to supply heat for generating fuel used in the fuel cell.

둘째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 개질기에 공급되는 스팀(H20)을 가열하기 위해 별도의 가열장치를 설치해야 하므로 가열장치 설치비용이 상승하게 된다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 전기를 생산하기 위한 구축 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.Second, in the fuel cell system according to the prior art, since a separate heating device must be installed to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer, the installation cost of the heating device is increased. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has a problem that the construction cost for generating electricity increases.

셋째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 개질기에 공급되는 스팀(H20)을 가열하기 위한 가열장치 설치공간이 필요하다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 가열장치 설치로 인해 전기를 생산 및 저장하기 위한 다른 장치들의 공간이 협소해지는 문제가 있다.Third, the fuel cell system according to the prior art requires a space for installing a heating device for heating steam (H 2 0) supplied to the reformer. Accordingly, the fuel cell system according to the prior art has a problem in that the space of other devices for producing and storing electricity becomes narrow due to the installation of a heating device.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 구축 비용을 줄일 수 있고, 설치공간에 대한 공간 활용도를 높일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention has been conceived to solve the above-described problems, and is to provide a ship that can reduce construction cost and increase space utilization for an installation space.

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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 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 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부, 상기 수소생성부로부터 공급되는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지, 및 전기를 생산하기 위한 터빈부를 포함하며, 상기 수소생성부는 LNG(액화천연가스)를 저장하는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG를 전처리하는 원료 처리부, 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위한 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하는 연소기를 포함하고, 상기 원료수 처리부는 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 수분을 분리하는 기수분리기, 및 상기 기수분리기로부터 공급되는 스팀(H20)을 가열하는 이코노마이저를 포함하며, 상기 터빈부는 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하고, 상기 개질기는 상기 터빈부를 거친 스팀(H20)의 일부 및 상기 원료 공급부에서 공급되는 원료를 개질반응시켜서 수소를 포함하는 연료를 생산하며, 상기 이코노마이저는 상기 원료 처리부에서 공급되는 NG(천연가스)를 연소시켜 추진력을 발생시키는 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 이용하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열한 후에 상기 터빈부로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은, 상기 연료전지, 상기 연소기 및 상기 가스엔진에 공기를 공급하기 위한 공기공급부; 및 상기 연료전지 및 상기 연소기에 공급되는 공기가 가열되도록, 상기 터빈부에서 상기 기수분리기로 공급되는 스팀(H20) 및 상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 열교환시키는 제1열교환부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은, 상기 원료 처리부에서 배출되는 배기가스 및 상기 연료전지의 배기가스 중의 응축수를 열교환하여 가열된 물 또는 스팀(H20)을 상기 기수분리기로 공급하는 제2열교환부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 원료 처리부는 상기 LNG 저장탱크에서 공급되는 LNG를 증발시키는 LNG 증발기, 및 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하고, 상기 기화기는 상기 연소기에서 배출되는 배기가스의 폐열을 LNG를 기화시키기 위한 열원으로 사용할 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 comprises a hydrogen generating unit generating fuel containing hydrogen, from the hydrogen generating unit A raw material processing unit for pre-treating LNG supplied from an LNG storage tank storing LNG (liquefied natural gas), comprising a fuel cell for generating electricity using the supplied fuel, and a turbine unit for generating electricity, A raw material water treatment unit for pretreating the raw material water supplied from the raw material water supply unit, a reformer for reforming the pretreated fuel supplied from the raw material treatment unit and the steam (H 2 0) supplied from the raw material water treatment unit, and the reformer A combustor for heating, and the raw material water treatment unit separates moisture from the steam (H 2 0) to pretreat the raw material water supplied from the raw material water supply unit, and the steam supplied from the steam (H 2) 0), wherein the turbine unit generates electricity using steam (H 2 0) supplied from the economizer, and the reformer generates a portion of the steam (H 2 0) passed through the turbine unit and the raw material supply unit. The supplied raw material is reformed to produce a fuel containing hydrogen, and the economizer uses the waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine that generates propulsion by burning NG (natural gas) supplied from the raw material processing unit as a heat source. Thus, the steam (H 2 0) supplied from the water separator may be heated and then supplied to the turbine unit.
A ship according to the present invention includes an air supply unit for supplying air to the fuel cell, the combustor, and the gas engine; And a first heat exchange unit for heat exchange between steam (H 2 0) supplied from the turbine unit to the water separator and air supplied from the air supply unit so that air supplied to the fuel cell and the combustor is heated. .
The ship according to the present invention includes a second heat exchange unit for supplying heated water or steam (H 2 0) to the water separator by exchanging the exhaust gas discharged from the raw material processing unit and condensed water in the exhaust gas of the fuel cell. I can.
In the ship according to the present invention, the raw material processing unit includes an LNG evaporator for evaporating LNG supplied from the LNG storage tank, and a carburetor installed in the LNG evaporator, wherein the carburetor is waste heat of exhaust gas discharged from the combustor. Can be used as a heat source for vaporizing LNG.

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

본 발명은 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 개질기 및 터빈부에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 종래의 스팀(H20) 생성을 위한 가열장치에 공급되는 연료나 전기를 전기 생산에 사용할 수 있으므로 전기 생산량 및 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention is implemented to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer and the turbine using the waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine, thereby being supplied to the conventional heating device for generating steam (H 2 0). Since fuel or electricity can be used for electricity production, electricity production and electricity production efficiency can be improved.

본 발명은 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 개질기 및 터빈부에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 스팀(H20) 생성을 위한 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 범용성을 높일 수 있다.The present invention is implemented to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer and the turbine using the waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine, thereby omitting a separate heating device for generating the steam (H 2 0). Therefore, not only can the construction cost consumed to produce electricity can be reduced, but also the versatility of the installation space can be increased.

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 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도
도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도
도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도
도 10은 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 and 6 are conceptual diagrams of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
7 is a configuration diagram according to a first embodiment of the fuel cell system of FIG. 5
8 is a configuration diagram according to a second embodiment of the fuel cell system of FIG. 5
9 is a configuration diagram according to a third embodiment of the fuel cell system of FIG. 5
10 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, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

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 예시도이다.1 is a conceptual configuration diagram of an overall system according to the present invention, FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 3A and 3B are diagrams of a fuel cell used in the present invention. As an exemplary diagram for explaining the operation, FIG. 3A is a conceptual configuration diagram of a solid oxide fuel cell (SOFC), FIG. 3B is a conceptual configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), and FIG. 4 is an embodiment of the present invention. It is an exemplary diagram for explaining the hydrogen generation unit according to.

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 and serves 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 저장탱크로부터 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 from 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, and the like.

일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 가스 저장탱크와 상기 가스 저장탱크로부터 가스를 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 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 제공하는 장치를 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 power generation system 100 is applied to a vehicle, the raw material supply unit 110 is implemented to include a gas storage tank and a device (eg, a pump) for supplying gas from the gas storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to an LNG carrier, the raw material supply unit 110 includes an LNG storage tank and a device for providing boil-off gas generated from the 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 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 치리된 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 from the raw material water storage tank. The raw material water may be, for example, fresh water, or sea water. As another example, the raw material water may be water that has been treated to remove impurities or ion-removed 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 이산화탄소, 또는 두 기체 등 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, all gases other than oxygen such as nitrogen, carbon dioxide, or two 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 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 direct current (DC) into an alternating 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. In the case of a ship, for example, the power load may be an electrical facility in a ship such as basic electrical facilities of a ship and electrical facilities 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 generates electricity using fuel, water (H 2 O), and air. 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(200)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system 200 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 원료수, 상기 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 for controlling the operation of all components including the fuel cell 210 and the hydrogen generator 400. In the present specification, raw materials and raw water flowing into the hydrogen generating unit 400 are defined as fuel, and what is generated in the hydrogen generating unit 400 and flowing into the fuel cell 210 is defined as 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 is a temperature sensor and a temperature maintenance device. That is, a heater, a cathode fan, an anode fan, and a cooling plate may be included. 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 to 1000°C, and in the case of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the operating temperature is maintained at 30 to 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(H20)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. A fuel electrode (anode) (313) In there is fuel is introduced, through the electrolyte 312. The oxygen ions move to the fuel electrode (anode) (313) containing hydrogen (H 2) (O 2 -) and hydrogen (H 2) reacts electrochemically with water (H 2 0) and the electron (e -) is generated. 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 H20)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 ) that 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 0). 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 물(H20)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 Figure 3b a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), (320) is a fuel electrode (anode) (321), the catalyst layer 322, the hydrogen (H 2) is a hydrogen ion (H +) and electrons (e -) in the formed in the generation by do. Hydrogen ions (H + ) move to the cathode 324 through the polymer membrane 323. In the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320, hydrogen ions (H + ) and oxygen (O 2 ) react in the catalyst layer 325 formed on the cathode 324 to produce water (H 2 0). 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(H20)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 0) 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(C03 -2)을 생산한다. 탄산이온(C03 -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. Other molten carbonate fuel cell (MCFC) is a fuel electrode (anode) of hydrogen (H 2) and carbonate ions (CO 3 2 -) in the reaction water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2), electron (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 (C0 3 -2 ). Carbonate ions (C0 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 hydrogen generating 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 the present specification, raw materials and raw water flowing into the hydrogen generating unit 400 are defined as fuel, and what is generated in the hydrogen generating unit 400 and flowing into the fuel cell 210 is defined as fuel.

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 the 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 including a reformer and a combustor. . As another example, when the fuel cell 210 is a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the hydrogen generating unit 400 is a water gas shift reactor in addition to a reformer and a combustor. , WGS) may be further included and implemented.

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. Referring to FIG. 4, in the fuel cell system 200 according to the present invention, an example of the hydrogen generating 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 be implemented by including 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 저장탱크에서 공급되는 액화천연가스를 증발시키는 LNG 증발기를 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 preprocesses raw materials supplied from a raw material supply unit including a raw material storage tank. For example, the raw material processing unit 410 may be implemented by including an LNG evaporator that evaporates the liquefied natural gas supplied from the LNG storage tank. When 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) includes a heater that applies heat to offshore gas oil (MGO), offshore diesel oil (MDO), or general heavy oil (HFO) and a methanizer that generates methane (CH 4) by catalytic reaction of the heated raw material. Can be implemented. 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 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 for heating the raw material water with waste heat of the exhaust gas generated from the combustor 440. In addition, the raw material water treatment unit 420 may include 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 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급된 스팀(H20)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(430)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 fuel supplied from the raw material treatment unit 410 and the steam (H 2 0) 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 430 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 a 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 including a reforming catalyst layer that triggers a reforming reaction. The reforming catalyst layer has a structure in which the reforming catalyst is loaded 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 발명에 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 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 heating temperature of the reformer by the combustor 440 is low, the reforming reaction by 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 연료로 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 fuel. 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 연료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명의 일실시예에 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 generation 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 fuel and steam (H 2 O) pretreated in the raw material processing unit 410 The range changes. When the fuel cell system 200 according to an embodiment of 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 combustor 440. ) To control the temperature of the reformer 430 by increasing or decreasing the amount of raw material combustion. 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 ∼ 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 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(H20)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 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 produces carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) by reacting carbon monoxide (CO) and steam (H 2 0). 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) varies depending on the type of catalyst used, and the composition of the discharged gas is determined by the 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, 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 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 burns and removes only carbon monoxide (CO) among gases discharged from the low-temperature water gasification reactor (LTS). It may include a methanation reactor for reducing the concentration by reacting with H 2 ).

상기 선택적산화반응기(PROX)는 냉각기와 온도센서가 설치된다. 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)이 상기 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 an embodiment of the present invention includes the control unit 250 (shown in FIG. 2), the control unit 250 controls the cooler using a signal output from a temperature sensor. Controls the temperature of the selective oxidation reactor (PROX). 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 to be 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), and the shape of the carrier supporting the catalyst may be, for example, granular, pellet, honeycomb, and the like, and the material constituting the carrier 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 5 및 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도, 도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도, 도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도, 도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.5 and 6 are conceptual diagrams of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention, FIG. 7 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 5 according to a first embodiment, and FIG. 8 is A configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment, and FIG. 9 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 5 according to a third embodiment. Here, the same configuration as in FIGS. 1 to 4 uses the same reference numerals.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 및 터빈부(500)를 포함한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 가스엔진(1000)을 포함하는 가스엔진 배기시스템과 연동하도록 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 및 상기 터빈부(500) 등을 포함하는 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.5 to 7, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a hydrogen generator 400, and a turbine 500. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is implemented to interlock with a gas engine exhaust system including the gas engine 1000. The fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 for controlling the operation of all components including the fuel cell 210, the hydrogen generation unit 400, and the turbine unit 500. It can also be implemented.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)과 상기 가스엔진(1000)은 LNG 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받도록 구현된다.The fuel cell system 200 and the gas engine 1000 according to the second embodiment of the present invention are implemented to receive raw materials from a raw material supply unit 110 including an LNG storage tank.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 개질기(430)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 1개 또는 복수개의 연료전지 모듈로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중 적어도 하나의 연료전지를 포함할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 전기 화학적 반응을 거치면서 발생하는 배기가스를 상기 수소생성부(400)에 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)의 연소기(440)에 배기가스를 공급할 수 있다.5 to 7, the fuel cell 210 may receive fuel containing hydrogen from the hydrogen generator 400 and generate electricity through an electrochemical reaction. For example, the fuel cell 210 may receive fuel containing hydrogen from the reformer 430 and generate electricity through an electrochemical reaction. The fuel cell 210 may be composed of one or a plurality of fuel cell modules. For example, the fuel cell 210 includes an alkali 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), and a direct It may include at least one fuel cell among methanol fuel cells (DMFC). The fuel cell 210 may supply exhaust gas generated through an electrochemical reaction to the hydrogen generating unit 400. For example, the fuel cell 210 may supply exhaust gas to the combustor 440 of the hydrogen generating unit 400.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 수소생성부(400)는 상기 원료 공급부(110)(예컨대, LNG 저장탱크)로부터 LNG(액화천연가스)를 전처리하는 원료 처리부(410)로부터 NG(천연가스)를 공급받고, 상기 원료수 공급부(120)로부터 물을 공급받아 상기 연료전지(210)에 필요한 수소가 포함된 연료를 생성한다.5 to 7, 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. The hydrogen generation unit 400 receives NG (natural gas) from the raw material processing unit 410 for pretreating LNG (liquefied natural gas) from the raw material supply unit 110 (eg, an LNG storage tank), and the raw material water supply unit Water is supplied from 120 to generate fuel containing hydrogen required for the fuel cell 210.

이를 구체적으로 살펴보면, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기(4101) 및 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기(4102)를 포함할 수 있다.Specifically, the raw material processing unit 410 includes an LNG evaporator 4101 for evaporating LNG (liquefied natural gas) supplied from the raw material supply unit 110 including an LNG storage tank and a vaporizer 4102 installed in the LNG evaporator ) Can be included.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 원료수 처리부(420)는 기수분리기(4201) 및 이코노마이저(4203)를 포함한다.5 to 7, the raw material water treatment unit 420 includes a water separator 4201 and an economizer 4203.

상기 기수분리기(4201)는 스팀(H20)에서 수분을 분리한다. 예컨대, 상기 기수분리기(4201)는 상기 원료수 공급부(120)에서 공급되는 물을 상기 이코노마이저(4203)로 순환시켜 상변화된 스팀(H20)으로부터 수분을 분리할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)는 원심분리기, 금속망, 방해판 등을 이용하여 수분을 분리할 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 분리된 수분은 외부로 배출되거나 상기 원료수 공급부(120)로 공급되어 저장될 수 있다. 상기 기수분리기(4201)에서 수분이 분리된 스팀(H20)은 상기 이코노마이저(4203)에서 가열되어 상기 터빈부(500)로 공급될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 이코노마이저(4203)에서 상기 기수분리기(4201)로 순환되는 회수 관로에 by-pass 라인을 설치하여 다른 용도로 스팀(H20)을 사용하도록 할 수 있다.The water separator 4201 separates moisture from steam (H 2 0). For example, the water separator 4201 may circulate water supplied from the raw material water supply unit 120 to the economizer 4203 to separate moisture from the phase-changed steam H 2 0. The water separator 4201 may separate moisture using a centrifuge, a metal mesh, a baffle plate, or the like. The water separated by the water separator 4201 may be discharged to the outside or may be supplied to the raw material water supply unit 120 and stored. Steam (H 2 0) from which water is separated by the water separator 4201 may be heated by the economizer 4203 and supplied to the turbine unit 500. Although not shown, a by-pass line may be installed in the recovery pipe circulating from the economizer 4203 to the water separator 4201 to use steam (H 2 0) for other purposes.

상기 이코노마이저(4203)는 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 스팀(H20)을 가열한다. 상기 이코노마이저(4203)는 상기 원료수 공급부(120)에서 상기 기수분리기(4201)를 거쳐 공급되는 물을 가열할 수도 있다. 여기서, 상기 이코노마이저(4203)는 가스엔진(1000)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 물 또는 스팀(H20)을 가열할 수 있다. 상기 가스엔진(1000)은 상기 LNG 증발기(4101)에 연결되게 설치되어, 상기 원료 처리부(410)의 상기 LNG 증발기(4101)에서 생성되는 수소를 포함하는 연료를 공급받아 추진력을 발생시킬 수 있다. 이 경우, 상기 수소를 포함하는 연료는 상기 기화기(4102)에 의해 기화된 NG(천연가스)일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 이코노마이저(4203)는 상기 가스엔진(1000)의 배기관과 배기 출구 사이에 설치된다. 상기 이코노마이저(4203)는 입구관, 고압 증발기, 중간관, 저압 증발기, 및 출구관을 포함하여 구성된다. 상기 입구관은 상기 가스엔진(1000)의 배기관에 접속되어 상기 가스엔진(1000)으로부터 배출되는 배기가스를 상기 고압 증발기로 안내한다. 상기 중간관은 상기 고압 증발기에서의 열교환 후의 배기가스를 저압 증발기로 안내한다. 상기 출구관은 저압 증발기에서의 열교환 후의 배기가스를 배기 출구로 안내한다. 상기 기수분리기(4201)에서 공급되는 스팀(H20)은 상기 고압 증발기 및 상기 저압 증발기를 거치면서 상기 가스엔진(1000)에서 배출되는 고온의 배기가스와 열교환된다. 상기 이코노마이저(4203)에서 열교환된 스팀(H20)은 상기 터빈부(500)로 공급되어 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 상기 터빈부(500)에서 배출되는 스팀(H20)은 일부 분기된 후 상기 개질기(430)에 공급되어 상기 LNG 증발기(4101)에서 공급되는 NG(천연가스)와 개질반응될 수도 있다. The economizer 4203 heats the steam (H 2 0) supplied from the water separator 4201. The economizer 4203 may heat water supplied from the raw material water supply unit 120 through the water separator 4201. Here, the economizer 4203 may heat water or steam (H 2 0) supplied from the water separator 4201 as a heat source using waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine 1000. The gas engine 1000 may be installed to be connected to the LNG evaporator 4101 and receive fuel including hydrogen generated by the LNG evaporator 4101 of the raw material processing unit 410 to generate a driving force. In this case, the fuel containing hydrogen may be NG (natural gas) vaporized by the vaporizer 4102. Although not shown, the economizer 4203 is installed between the exhaust pipe and the exhaust outlet of the gas engine 1000. The economizer 4203 includes an inlet pipe, a high pressure evaporator, an intermediate pipe, a low pressure evaporator, and an outlet pipe. The inlet pipe is connected to the exhaust pipe of the gas engine 1000 to guide the exhaust gas discharged from the gas engine 1000 to the high pressure evaporator. The intermediate pipe guides the exhaust gas after heat exchange in the high pressure evaporator to the low pressure evaporator. The outlet pipe guides the exhaust gas after heat exchange in the low pressure evaporator to the exhaust outlet. Steam (H 2 0) supplied from the water separator 4201 is heat-exchanged with the high-temperature exhaust gas discharged from the gas engine 1000 while passing through the high-pressure evaporator and the low-pressure evaporator. Steam (H 2 0) heat-exchanged by the economizer 4203 may be supplied to the turbine unit 500 and used to generate electricity. Steam (H 2 0) discharged from the turbine part 500 may be partially branched and then supplied to the reformer 430 to undergo a reforming reaction with NG (natural gas) supplied from the LNG evaporator 4101.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)과 상기 개질기(430) 사이에 설치된다. 상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)에서 배출되는 스팀(H20)으로 전기를 생산한다. 예컨대, 상기 터빈부(500)는 스팀터빈(Steam Turbine)일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 터빈부(500)는 다이어프램, 로터, 버켓, 발전기를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 다이어프램에는 고정익 구비되고, 상기 버켓에는 회전익이 구비된다. 상기 고정익은 상기 이코노마이저(4203)에서 배출되는 스팀(H20)의 방향을 바꾸어 상기 회전익으로 유도하고, 상기 회전익은 상기 고정익으로부터 유도된 스팀(H20)에 의해 회전력을 발생시켜 로터를 회전시킨다. 상기 로터는 발전기에 연결되게 설치된다. 상기 발전기는 로터가 회전함에 따라 전기를 생산할 수 있다. 이에 따라, 상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)에서 배출되는 스팀(H20)으로 전기를 생산할 수 있다. 상기 터빈부(500)에서 생산된 전기는 전기설비 또는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 공급될 수 있다. 상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)에서 공급되는 스팀(H20)의 온도 및 압력에 따라 전기 생산량이 달라진다. 예컨대, 상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)에서 공급되는 스팀(H20)의 압력, 즉 증기압이 높으면 상기 로터가 더 빨리 회전됨으로써 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. 상기 터빈부(500)를 거친 스팀(H20)은 일부 분기된 후 상기 개질기(430)로 공급되어 상기 연료전지(210)에 수소를 포함하는 연료가 공급되도록 상기 원료 공급부(110)에서 공급되는 원료와 개질반응될 수 있다.5 to 7, the turbine part 500 is installed between the economizer 4203 and the reformer 430. The turbine unit 500 generates electricity from steam (H 2 0) discharged from the economizer 4203. For example, the turbine unit 500 may be a steam turbine. Although not shown, the turbine unit 500 may be implemented including a diaphragm, a rotor, a bucket, and a generator. The diaphragm is provided with a fixed blade, and the bucket is provided with a rotary blade. The fixed blade changes the direction of the steam (H 2 0) discharged from the economizer 4203 and guides the rotor to the rotor, and the rotor rotates the rotor by generating a rotational force by the steam (H 2 0) induced from the fixed blade. Let it. The rotor is installed to be connected to the generator. The generator may generate electricity as the rotor rotates. Accordingly, the turbine unit 500 may generate electricity from steam (H 2 0) discharged from the economizer 4203. Electricity produced by the turbine unit 500 may be supplied to an electric facility or an energy storage device, for example, a battery. The amount of electricity produced in the turbine part 500 is changed according to the temperature and pressure of the steam H 2 0 supplied from the economizer 4203. For example, when the pressure of the steam H 2 0 supplied from the economizer 4203, that is, the steam pressure is high, the turbine unit 500 may increase the amount of electricity produced by rotating the rotor faster. Steam (H 2 0) passing through the turbine part 500 is partially branched and then supplied to the reformer 430 and supplied from the raw material supply unit 110 so that fuel containing hydrogen is supplied to the fuel cell 210 It can be reformed and reacted with raw materials.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.Accordingly, the first embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 가스엔진(1000)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 터빈부(500) 및 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 종래의 스팀(H20) 생성을 위한 가열장치에 공급되는 연료를 전기 생산에 사용할 수 있으므로 전기 생산량을 증가시킬 수 있다.First, the first embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is steam supplied to the turbine unit 500 and the reformer 430 by using waste heat of exhaust gas discharged from the gas engine 1000. by being arranged to heat the (H 2 0), because the fuel supplied to the heating apparatus for generating a conventional steam (H 2 0) can be used for electricity production may increase the electrical output.

둘째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 가스엔진(1000)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 터빈부(500) 및 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 스팀(H20) 생성을 위한 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 범용성을 높일 수 있다.Second, the first embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is steam supplied to the turbine unit 500 and the reformer 430 using waste heat of exhaust gas discharged from the gas engine 1000. By implementing to heat (H 2 0), it is possible to omit a separate heating device for generating steam (H 2 0), so not only can the construction cost consumed to generate electricity can be reduced, but also the versatility of the installation space. You can increase it.

셋째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 상기 이코노마이저(4203) 및 상기 개질기(430) 사이에 상기 터빈부(500)를 배치시킴으로써, 상기 연료전지(210)와 별도로 전기를 추가 생산할 수 있으므로 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다.Third, in the first embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention, by disposing the turbine unit 500 between the economizer 4203 and the reformer 430, separate from the fuel cell 210 Since additional electricity can be produced, the efficiency of electricity production can be improved.

도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 공기공급부(130) 및 제1열교환부(600)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention may further include an air supply unit 130 and a first heat exchange unit 600.

상기 공기공급부(130)는 상기 연료전지(210), 상기 연소기(440) 및 상기 가스엔진(1000)에 공기를 공급하기 위해 설치된다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 공기공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다.The air supply unit 130 is installed to supply air to the fuel cell 210, the combustor 440, and the gas engine 1000. In general, air refers to a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and the like, but in the present specification, nitrogen, carbon dioxide, or all gases other than oxygen 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 receive external air, compress it, and then supply compressed high-pressure air or supply it at normal pressure.

상기 제1열교환부(600)는 상기 터빈부(500)에서 상기 기수분리기(4201)로 순환되는 스팀(H2O) 및 상기 공기공급부(130)에서 공급되는 공기를 열교환시킨다. 이 경우, 상기 터빈부(500)에서 상기 기수분리기(4201)로 순환되는 스팀(H2O)은 상기 연료전지(210) 및 상기 연소기(440)에 공급되는 공기를 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제1열교환부(600)는 상기 연료전지(210) 및 상기 연소기(440)에 공급되는 공기가 가열되도록 할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 적절한 운전온도에서 전기 생산 효율이 향상된다. 예컨대, 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 유지한다. 따라서, 상기 제1열교환부(600)는 상기 연료전지(210)가 적정 운전온도에 빠른 시간 내에 도달되도록 상기 연료전지(210)에 공급되는 공기를 예열시킬 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 제어부(250)는 상기 터빈부(500)에서 상기 제1열교환부(600)로 공급되는 스팀(H20)의 양을 조절함으로써 상기 연료전지(210)에 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 제어부(250)는 상기 제1열교환부(600)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 증가시킴으로써 상기 연료전지(210)에 공급되는 공기의 온도를 높여 상기 연료전지(210)의 운전온도를 높일 수 있다. 상기 제어부(250)는 상기 제1열교환부(600)에 공급되는 스팀(H20)의 양을 감소시킴으로써 상기 연료전지(210)에 공급되는 공기의 온도를 낮추어 상기 연료전지(210)의 운전온도를 낮출 수도 있다. 상기 제어부(250)는 상기 제1열교환부(600)에 공급되는 공기의 양을 조절함으로써 상기 연료전지(210)의 운전온도를 조절할 수도 있다.The first heat exchange unit 600 heat-exchanges the steam (H 2 O) circulated from the turbine unit 500 to the water separator 4201 and the air supplied from the air supply unit 130. In this case, the steam (H 2 O) circulated from the turbine part 500 to the water separator 4201 becomes a heat source for heating the air supplied to the fuel cell 210 and the combustor 440. Accordingly, the first heat exchange unit 600 may heat the air supplied to the fuel cell 210 and the combustor 440. The fuel cell 210 improves electricity production efficiency at an appropriate operating temperature. For example, in the case of a phosphoric acid fuel cell (PAFC), the operating temperature is maintained at 190 to 210°C, in the case of a molten carbonate fuel cell (MCFC), the operating temperature is maintained at 550 to 650°C. In this case, the operating temperature is maintained at 650 to 1000°C, and in the case of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), the operating temperature is maintained at 30 to 80°C. Accordingly, the first heat exchange unit 600 may preheat the air supplied to the fuel cell 210 so that the fuel cell 210 reaches an appropriate operating temperature within a short time. Although not shown, the control unit 250 controls the amount of steam (H 2 0) supplied from the turbine unit 500 to the first heat exchange unit 600 to reduce the amount of air supplied to the fuel cell 210. You can adjust the temperature. For example, the control unit 250 increases the temperature of the air supplied to the fuel cell 210 by increasing the amount of steam (H 2 0) supplied to the first heat exchange unit 600 so that the fuel cell 210 The operating temperature of the can be increased. The control unit 250 lowers the temperature of the air supplied to the fuel cell 210 by reducing the amount of steam (H 2 0) supplied to the first heat exchange unit 600 to operate the fuel cell 210 You can also lower the temperature. The control unit 250 may adjust the operating temperature of the fuel cell 210 by adjusting the amount of air supplied to the first heat exchange unit 600.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.Accordingly, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 연료전지(210)에 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있도록 구현됨으로써, 상온으로 공급된 공기를 사용하는 경우보다 공기 가열을 위한 열원을 생략할 수 있으므로 상기 연료전지(210)의 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다.First, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is implemented to control the temperature of air supplied to the fuel cell 210, thereby heating air compared to the case of using air supplied at room temperature. Since the heat source for the fuel cell 210 may be omitted, the efficiency of electricity production of the fuel cell 210 may be improved.

둘째, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 연소기(440)에 공급되는 공기를 가열하도록 구현됨으로써, 상기 연소기(440)에서 연료 연소에 의해 발생한 열 손실이 감소하여 상기 개질기(430)에서 개질반응에 필요한 온도까지 예열하는 시간을 단축시킬 수 있다.Second, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is implemented to heat air supplied to the combustor 440, thereby reducing heat loss generated by fuel combustion in the combustor 440 It is possible to shorten the time for preheating to the temperature required for the reforming reaction in the reformer 430.

도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 제2열교환부(700)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 9, a third embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention may further include a second heat exchange unit 700.

상기 제2열교환부(700)는 상기 LNG 증발기(4101) 및 상기 기수분리기(4201) 사이에 설치된다. 상기 제2열교환부(700)는 상기 연료전지(210)로부터 배출되는 배기가스 및 상기 연소기(440)에서 공급되어 상기 LNG 증발기(4101)로 배출되는 배기가스 중의 응축수를 열교환시킨다. 예컨대, 상기 제2열교환부(700)는 상기 LNG 증발기(4101)에서 상기 기수분리기(4201)로 배기가스가 유동하는 관로, 및 상기 연료전지(210)에서 배출되는 배기가스가 유동하는 관로를 근접시킴으로써 열교환시킬 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)로부터 배출되는 배기가스의 폐열이 상기 LNG 증발기(4101)에 배출되는 배기가스 중의 응축수를 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제2열교환부(700)는 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시킨 후 온도가 낮아져 상기 응축기(4202)에서 응축된 물을 가열하여, 상기 기수분리기(4201)로 수분(액체 혹은 기체상태의 물)을 공급할 수도 있다. 상기 연료전지 시스템(200)에서 필요한 물의 양이 부족할 경우, 상기 원료수 공급부(120)(예컨대, 물 탱크)으로부터 상기 제2열교환부(700) 전단에 물을 공급하여 보충할 수도 있다. 또한, 상기 연료전지(210)의 배기가스가 상기 제2열교환부(700)으로 공급되는 관로에 by-pass를 설치하여, 상기 연료전지(210)의 배기가스가 상기 연소기(440)으로 직접 공급되도록 할 수도 있다.The second heat exchange unit 700 is installed between the LNG evaporator 4101 and the water separator 4201. The second heat exchange unit 700 heat-exchanges the exhaust gas discharged from the fuel cell 210 and condensed water in the exhaust gas supplied from the combustor 440 and discharged to the LNG evaporator 4101. For example, the second heat exchange unit 700 closes a pipe through which exhaust gas flows from the LNG evaporator 4101 to the water separator 4201 and a pipe through which the exhaust gas discharged from the fuel cell 210 flows. By doing so, heat exchange can be performed. In this case, the waste heat of the exhaust gas discharged from the fuel cell 210 becomes a heat source for heating the condensed water in the exhaust gas discharged to the LNG evaporator 4101. Accordingly, the second heat exchange unit 700 vaporizes LNG in the LNG evaporator 4101 and then heats the water condensed in the condenser 4202 as the temperature is lowered. Alternatively, gaseous water) can be supplied. When the amount of water required in the fuel cell system 200 is insufficient, water may be supplied from the raw material water supply unit 120 (eg, a water tank) to the front end of the second heat exchange unit 700 to supplement it. In addition, a by-pass is installed in the pipeline through which the exhaust gas of the fuel cell 210 is supplied to the second heat exchange unit 700, so that the exhaust gas of the fuel cell 210 is directly supplied to the combustor 440. You can do it.

도시하지 않았지만, 제1열교환부(600)가 포함된 제2실시예에도 상기 제2열교환부(700)을 포함하여 상기 LNG 증발기(4101)에서 상기 기수분리기(4201)로 공급되는 스팀(H20)의 온도를 높일 수 있다.Although not shown, steam supplied from the LNG evaporator 4101 to the water separator 4201 including the second heat exchange unit 700 in the second embodiment including the first heat exchange unit 600 (H 2 You can increase the temperature of 0).

도 7 내지 도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예 및 제3실시예는 LNG 증발기(4101) 및 기화기(4102)를 더 포함할 수 있다.7 to 9, the second and third embodiments of the fuel cell system 200 according to the present invention may further include an LNG evaporator 4101 and a vaporizer 4102.

상기 LNG 증발기(4101)는 상기 LNG 저장탱크(110)로부터 자연적으로 기화되는 NG(천연가스) 또는 펌프에 의해 강제 이송된 LNG를 공급받을 수도 있다. 상기 LNG 증발기(4101)는 내부에 상기 기화기(4102)가 설치됨으로써, LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다.The LNG evaporator 4101 may receive naturally vaporized NG (natural gas) from the LNG storage tank 110 or LNG forcibly transferred by a pump. The LNG evaporator 4101 may vaporize LNG (liquefied natural gas) by installing the vaporizer 4102 therein.

상기 기화기(4102)는 연소기(440)에 연결되게 설치되어 LNG를 기화시킨다. 예컨대, 상기 기화기(4102)는 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시킬 수 있다. 상기 LNG 증발기(4101)는 개질기(430), 연소기(440), 및 상기 가스엔진(1000)에 연결되게 설치된다. 이에 따라, 상기 LNG 증발기(4101)에서 기화되는 NG(천연가스)는 임펠러(Impeller), 블로워(Blower) 등을 통해 상기 개질기(430), 상기 연소기(440) 및 상기 가스엔진(1000)으로 공급될 수 있다. 상기 기화기(4102)를 거친 상기 연소기(440)의 배기가스는 응축기(4202)로 공급될 수 있다. 상기 응축기(4202)는 상기 연소기(440)의 배기가스 내에 포함된 스팀(H20)이 물로 상변화되도록 상기 연소기(440)의 배기가스를 응축시킬 수 있다. 상기 응축기(4202)에서 응축된 물은 상기 기수분리기(4201)로 공급될 수 있다. 상기 응축기(4202)에서 응축된 물을 제외한 나머지 잔여가스는 외부로 배출될 수 있다.The vaporizer 4102 is installed to be connected to the combustor 440 to vaporize LNG. For example, the vaporizer 4102 may vaporize LNG (liquefied natural gas) using waste heat of exhaust gas discharged from the combustor 440 as a heat source. The LNG evaporator 4101 is installed to be connected to the reformer 430, the combustor 440, and the gas engine 1000. Accordingly, NG (natural gas) vaporized in the LNG evaporator 4101 is supplied to the reformer 430, the combustor 440 and the gas engine 1000 through an impeller, a blower, etc. Can be. The exhaust gas of the combustor 440 that has passed through the vaporizer 4102 may be supplied to a condenser 4202. The condenser 4202 may condense the exhaust gas of the combustor 440 so that the steam (H 2 0) contained in the exhaust gas of the combustor 440 is phase-changed to water. Water condensed in the condenser 4202 may be supplied to the water separator 4201. Residual gas other than water condensed in the condenser 4202 may be discharged to the outside.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 LNG(액화천연가스)를 기화시키도록 구현됨으로써, 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있다.Accordingly, the third embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is implemented to vaporize LNG (liquefied natural gas) by using the waste heat of the exhaust gas discharged from the combustor 440. Since the heating device can be omitted, the construction cost consumed to generate electricity can be reduced.

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 10은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.10 is a schematic diagram showing an example of a ship according to the present invention.

도 1 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(900)은 선체(910)에 발전시스템(100)이 설치된다. 상기 발전시스템(100)은 연료전지 시스템(200) 및 가스엔진(1000)을 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 터빈부(500), 제1열교환부(600) 및 제2열교환부(700)를 포함한다. 상기 가스엔진(1000)은 상기 수소생성부(400)에 연결되게 설치된다. 상기 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 터빈부(500), 상기 제1열교환부(600) 및 상기 제2열교환부(700) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.Referring to Figures 1 to 10, 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 and a gas engine 1000. The fuel cell system 200 includes a fuel cell 210, a hydrogen generation unit 400, a turbine unit 500, a first heat exchange unit 600 and a second heat exchange unit 700. The gas engine 1000 is installed to be connected to the hydrogen generating unit 400. The fuel cell system 200 includes the fuel cell 210, the hydrogen generation unit 400, the turbine unit 500, the first heat exchange unit 600, the second heat exchange unit 700, etc. It may be implemented by including the control unit 250 that controls the operation of all components.

상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지(210)는 개질기(430)로부터 수소가 포함된 연료를 공급받아 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중 적어도 하나의 연료전지를 포함하여 구현될 수 있다.The fuel cell 210 may receive fuel containing hydrogen from the hydrogen generator 400 and generate electricity through an electrochemical reaction. For example, the fuel cell 210 may receive fuel containing hydrogen from the reformer 430 and generate electricity through an electrochemical reaction. The fuel cell 210 includes an alkali 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), and a direct methanol fuel. It may be implemented by including at least one fuel cell among the cells DMFC.

상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 원료 처리부(410)는 LNG 증발기(4101) 및 기화기(4102)를 포함할 수 있다. 상기 원료수 처리부(420)는 기수분리기(4101), 응축기(4202) 및 이코노마이저(4203)을 포함할 수 있다. 상기 수소생성부(400)는 상기 원료 공급부(110)로부터 LNG를 공급받고, 상기 원료수 공급부(120)로부터 스팀(H20)을 공급받아 상기 연료전지(210)에 필요한 수소가 포함된 연료를 생성한다. 이 때, 상기 이코노마이저(4203)는 상기 가스엔진(1000)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 터빈부(500)에 공급되는 스팀(H20)을 가열할 수 있다.The hydrogen generation unit 400 may be implemented by including a raw material processing unit 410, a raw material water treatment unit 420, a reformer 430, and a combustor 440. The raw material processing unit 410 may include an LNG evaporator 4101 and a vaporizer 4102. The raw material water treatment unit 420 may include a water separator 4101, a condenser 4202, and an economizer 4203. The hydrogen generation unit 400 receives LNG from the raw material supply unit 110 and receives steam (H 2 0) from the raw material water supply unit 120 to provide fuel containing hydrogen required for the fuel cell 210. Create In this case, the economizer 4203 may heat the steam H 2 0 supplied to the turbine unit 500 by using waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine 1000.

상기 터빈부(500)는 상기 이코노마이저(4203)에서 배출되는 스팀(H2O)으로 전기를 생산한다. 예컨대, 상기 터빈부(500)는 스팀터빈(Steam Turbine)일 수 있다. 상기 터빈부(500)에서 생산된 전기는 전기설비 또는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 공급될 수 있다. 상기 터빈부(500)를 거친 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)로 공급되어 개질반응에 사용될 수 있다. 상기 터빈부(500)에서 상기 개질기(430)로 공급되는 스팀(H2O) 중 일부는 상기 열교환부(600)로 공급되어 상기 공기공급부(130)에서 공급되는 공기를 가열하는 열원으로 사용될 수 있다.The turbine unit 500 generates electricity from steam (H 2 O) discharged from the economizer 4203. For example, the turbine unit 500 may be a steam turbine. Electricity produced by the turbine unit 500 may be supplied to an electric facility or an energy storage device, for example, a battery. Steam (H 2 O) passing through the turbine part 500 may be supplied to the reformer 430 and used for a reforming reaction. Some of the steam (H 2 O) supplied from the turbine part 500 to the reformer 430 may be supplied to the heat exchange part 600 and used as a heat source for heating the air supplied from the air supply part 130. have.

상기 제1열교환부(600)는 상기 터빈부(500)에서 상기 기수분리기(4201)로 공급되는 스팀(H2O) 및 상기 공기공급부(130)에서 공급되는 공기를 열교환시킨다. 이 경우, 상기 터빈부(500)에서 배출되는 스팀(H2O)이 상기 공기공급부(130)에서 공급되는 공기를 가열하는 열원이 된다. 이에 따라, 상기 제1열교환부(600)는 상기 연료전지(210) 및 상기 연소기(440)에 공급되는 공기를 가열할 수 있다. 따라서, 상기 제1열교환부(600)는 상기 연료전지(210)의 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 제1열교환부(600)는 상기 연소기(440)에 공급되는 공기를 가열하도록 구현됨으로써, 상기 연소기(440)에서 연료 연소에 의해 발생한 열 손실이 감소하여 상기 개질기(430)에서 개질반응에 필요한 온도까지 예열하는 시간을 단축시킬 수 있다.The first heat exchange unit 600 heat-exchanges steam (H 2 O) supplied from the turbine unit 500 to the water separator 4201 and air supplied from the air supply unit 130. In this case, the steam (H 2 O) discharged from the turbine part 500 becomes a heat source for heating the air supplied from the air supply part 130. Accordingly, the first heat exchanger 600 may heat air supplied to the fuel cell 210 and the combustor 440. Accordingly, the first heat exchange unit 600 may improve the efficiency of electricity production of the fuel cell 210. The first heat exchange part 600 is implemented to heat the air supplied to the combustor 440, so that heat loss generated by fuel combustion in the combustor 440 is reduced, so that the reforming reaction in the reformer 430 is required. The time to preheat to temperature can be shortened.

상기 제2열교환부(700)는 상기 LNG 증발기(4101) 및 상기 기수분리기(4201) 사이에 설치된다. 상기 제2열교환부(700)는 상기 연료전지(210)로부터 배출되는 배기가스 및 상기 연소기(440)에서 공급되어 상기 LNG 증발기(4101)로 배출되는 배기가스 중의 응축수를 열교환시킨다. 이에 따라, 상기 제2열교환부(700)는 상기 LNG 증발기(4101)에서 LNG를 기화시킨 후 온도가 낮아져 상기 응축기(4202)에서 응축된 물을 가열하여, 상기 기수분리기(4201)로 수분(액체 혹은 기체상태의 물)을 공급할 수 있다.The second heat exchange unit 700 is installed between the LNG evaporator 4101 and the water separator 4201. The second heat exchange unit 700 heat-exchanges the exhaust gas discharged from the fuel cell 210 and condensed water in the exhaust gas supplied from the combustor 440 and discharged to the LNG evaporator 4101. Accordingly, the second heat exchange unit 700 vaporizes LNG in the LNG evaporator 4101 and then heats the water condensed in the condenser 4202 as the temperature is lowered. Or gaseous water) can be supplied.

따라서, 본 발명에 따른 선박(900)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.Therefore, the ship 900 according to the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명에 따른 선박(900)은 가스엔진(1000)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 종래 가열장치에 공급되는 연료를 전기 생산에 사용할 수 있으므로 전기 생산량을 증가시킬 수 있다. First, the ship 900 according to the present invention is implemented to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer 430 using waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine 1000, so that the conventional heating device Since the supplied fuel can be used for electricity production, electricity production can be increased.

둘째, 본 발명에 따른 선박(900)은 가스엔진(1000)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 개질기(430)에 공급되는 스팀(H20)을 가열하도록 구현됨으로써, 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 설치공간에 대한 범용성을 높일 수 있다. Second, the ship 900 according to the present invention is implemented to heat the steam (H 2 0) supplied to the reformer 430 by using the waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine 1000, so that a separate heating device Since can be omitted, not only can the construction cost consumed to produce electricity can be reduced, but also the versatility of the installation space can be increased.

셋째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 이코노마이저(4203) 및 상기 개질기(430) 사이에 상기 터빈부(500)를 배치시킴으로써, 상기 연료전지(210)와 별도로 전기를 추가 생산할 수 있으므로 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있다.Third, the ship 900 according to the present invention can additionally produce electricity separately from the fuel cell 210 by arranging the turbine unit 500 between the economizer 4203 and the reformer 430, thereby generating electricity. Efficiency can be improved.

셋째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 LNG(액화천연가스)를 기화시키도록 구현됨으로써, LNG(액화천연가스)를 기화시키기 위한 별도의 가열장치를 생략할 수 있으므로 전기를 생산하는데 소모되는 구축비용을 절감할 수 있다.Third, the ship 900 according to the present invention is implemented to vaporize LNG (liquefied natural gas) as a heat source using waste heat of the exhaust gas discharged from the combustor 440, so that a separate for vaporizing LNG (liquefied natural gas) Since the heating device of can be omitted, the construction cost consumed to generate electricity can be reduced.

넷째, 본 발명에 따른 선박(900)은 상기 연료전지(210) 및 상기 연소기(440)에 공급되는 공기의 온도를 조절할 수 있도록 구현됨으로써, 상기 연료전지(210)의 전기 생산 효율을 향상시키고, 상기 개질기(430)의 효율을 향상시킬 수 있다.Fourth, the ship 900 according to the present invention is implemented to control the temperature of the air supplied to the fuel cell 210 and the combustor 440, thereby improving the electricity production efficiency of the fuel cell 210, The efficiency of the reformer 430 may be improved.

도 1 내지 도 10을 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, NG(천연가스), 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) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다.1 to 10, 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 propulsion for moving the hull 910 and a raw material supply unit 110 supplying raw materials to the engine. For example, raw materials are hydrocarbon-based materials, such as NG (natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, hydrogen. Liquid raw materials with relatively high molecular weight, such as refined off-gas, pure hydrogen, and marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), heavy fuel oil (HFO), etc. I can.

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 상수, 민물, 해수에서 불순물 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다.The hull 910 is provided with 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. The raw material water may be, for example, 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 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 등 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 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. In general, air refers to a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and the like, but in the present specification, all gases other than oxygen such as nitrogen, carbon dioxide, or two 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 the 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 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 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 a DC current (DC) into an AC current (AC). The conversion unit 140 is installed. The power conversion unit 140 discharges electricity supplied from the fuel cell system 200 to a power load. In the case of a ship, for example, the power load may be an electrical facility in a ship such as basic electrical facilities of a ship and electrical facilities of a cargo system. Although not shown, the power conversion unit 140 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 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 pertains 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 250 : 제어부
400 : 수소생성부 500 : 터빈부
600 : 제1열교환부 700 : 제2열교환부
1000 : 가스엔진
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
210: fuel cell 250: control unit
400: hydrogen generation unit 500: turbine unit
600: first heat exchange unit 700: second heat exchange unit
1000: gas engine

Claims (5)

선박으로서,
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 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부, 상기 수소생성부로부터 공급되는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지, 및 전기를 생산하기 위한 터빈부를 포함하며,
상기 수소생성부는 LNG(액화천연가스)를 저장하는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG를 전처리하는 원료 처리부, 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위한 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하는 연소기를 포함하고,
상기 원료 처리부는, 상기 연소기에서 배출되는 배기가스의 폐열을 LNG를 기화시키기 위한 열원으로 사용하며,
상기 원료수 처리부는 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 수분을 분리하는 기수분리기, 및 상기 기수분리기로부터 공급되는 스팀(H20)을 가열하는 이코노마이저를 포함하며,
상기 터빈부는 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하고,
상기 개질기는 상기 터빈부를 거친 스팀(H20)의 일부 및 상기 원료 공급부에서 공급되는 원료를 개질반응시켜서 수소를 포함하는 연료를 생산하며,
상기 이코노마이저는 상기 원료 처리부에서 공급되는 NG(천연가스)를 연소시켜 추진력을 발생시키는 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 이용하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열한 후에 상기 터빈부로 공급하며,
상기 연료전지 및 상기 연소기에 공기를 공급하기 위한 공기공급부;
상기 연료전지 및 상기 연소기에 공급되는 공기가 가열되도록, 상기 터빈부에서 상기 기수분리기로 공급되는 스팀(H20) 및 상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 열교환시키는 제1열교환부; 및
상기 연소기에서 배출된 후 상기 원료 처리부를 경유하는 배기가스 중의 응축수를 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스와 열교환하여 가열된 물 또는 스팀(H20)을 상기 기수분리기로 공급하는 제2열교환부를 더 포함하는 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 direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC),
The fuel cell system includes a hydrogen generation unit for generating fuel containing hydrogen, a fuel cell for generating electricity using fuel supplied from the hydrogen generation unit, and a turbine unit for generating electricity,
The hydrogen generating unit is a raw material processing unit for pretreating LNG supplied from an LNG storage tank storing LNG (liquefied natural gas), a raw material water treatment unit for pretreating the raw material water supplied from the raw material water supply unit, and a pretreatment supplied from the raw material processing unit. A reformer for reforming the converted fuel and steam (H 2 0) supplied from the raw material water treatment unit, and a combustor for heating the reformer,
The raw material processing unit uses waste heat of exhaust gas discharged from the combustor as a heat source for vaporizing LNG,
The raw material water treatment unit includes a water separator for separating water from the steam (H 2 0) to pretreat the raw material water supplied from the raw water supply unit, and an economizer for heating the steam (H 2 0) supplied from the water separator. Includes,
The turbine unit generates electricity from steam (H 2 0) supplied from the economizer,
The reformer produces a fuel containing hydrogen by reforming a part of the steam (H 2 0) passing through the turbine part and the raw material supplied from the raw material supply part,
The economizer heats the steam (H 2 0) supplied from the water separator by using waste heat from the exhaust gas discharged from the gas engine generating propulsion by burning NG (natural gas) supplied from the raw material processing unit as a heat source. Later supplied to the turbine unit,
An air supply unit for supplying air to the fuel cell and the combustor;
A first heat exchange unit heat-exchanging steam (H20) supplied from the turbine unit to the water separator and air supplied from the air supply unit so that the air supplied to the fuel cell and the combustor is heated; And
Further comprising a second heat exchange unit for supplying heated water or steam (H20) to the steam separator by exchanging condensed water in the exhaust gas passing through the raw material processing unit after being discharged from the combustor with the exhaust gas discharged from the fuel cell. Ship, characterized in that.
수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 공급되는 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
전기를 생산하기 위한 터빈부를 포함하고,
상기 수소생성부는 LNG(액화천연가스)를 저장하는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG를 전처리하는 원료 처리부, 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위한 원료수 처리부, 상기 원료 처리부로부터 공급된 전처리된 연료 및 상기 원료수 처리부로부터 공급된 스팀(H20)을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하는 연소기를 포함하며,
상기 원료 처리부는, 상기 연소기에서 배출되는 배기가스의 폐열을 LNG를 기화시키기 위한 열원으로 사용하며,
상기 원료수 처리부는 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리하기 위해 스팀(H20)에서 수분을 분리하는 기수분리기, 및 상기 기수분리기로부터 공급되는 스팀(H20)을 가열하는 이코노마이저를 포함하고,
상기 터빈부는 상기 이코노마이저에서 공급되는 스팀(H20)으로 전기를 생산하며,
상기 개질기는 상기 터빈부를 거친 스팀(H20)의 일부 및 원료 공급부에서 공급되는 원료를 개질반응시켜서 수소를 포함하는 연료를 생산하고,
상기 이코노마이저는 상기 원료 처리부에서 공급되는 NG(천연가스)를 연소시켜 추진력을 발생시키는 가스엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 이용하여 상기 기수분리기에서 공급되는 스팀(H20)을 가열한 후에 상기 터빈부로 공급하며,
상기 연료전지 및 상기 연소기에 공기를 공급하기 위한 공기공급부;
상기 연료전지 및 상기 연소기에 공급되는 공기가 가열되도록, 상기 터빈부에서 상기 기수분리기로 공급되는 스팀(H20) 및 상기 공기공급부에서 공급되는 공기를 열교환시키는 제1열교환부; 및
상기 연소기에서 배출된 후 상기 원료 처리부를 경유하는 배기가스 중의 응축수를 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스와 열교환하여 가열된 물 또는 스팀(H20)을 상기 기수분리기로 공급하는 제2열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
A hydrogen generator for generating fuel containing hydrogen;
A fuel cell for generating electricity using fuel supplied from the hydrogen generating unit; And
Including a turbine for generating electricity,
The hydrogen generation unit is a raw material processing unit for pre-treating LNG supplied from an LNG storage tank storing LNG (liquefied natural gas), a raw material water treatment unit for pretreating the raw material water supplied from the raw material water supply unit, and the pretreated pre-treated supplied from the raw material processing unit A reformer for reforming the fuel and steam (H 2 0) supplied from the raw material water treatment unit, and a combustor for heating the reformer,
The raw material processing unit uses waste heat of exhaust gas discharged from the combustor as a heat source for vaporizing LNG,
The raw material water treatment unit includes a water separator for separating water from the steam (H 2 0) to pretreat the raw material water supplied from the raw water supply unit, and an economizer for heating the steam (H 2 0) supplied from the water separator. Including,
The turbine unit generates electricity from steam (H 2 0) supplied from the economizer,
The reformer produces a fuel containing hydrogen by reforming a part of steam (H 2 0) passing through the turbine part and a raw material supplied from the raw material supply part
The economizer heats the steam (H 2 0) supplied from the water separator by using waste heat of the exhaust gas discharged from the gas engine generating propulsion by burning NG (natural gas) supplied from the raw material processing unit as a heat source. Later supplied to the turbine part,
An air supply unit for supplying air to the fuel cell and the combustor;
A first heat exchange unit for heat-exchanging steam (H20) supplied from the turbine unit to the water separator and air supplied from the air supply unit so that the air supplied to the fuel cell and the combustor is heated; And
Further comprising a second heat exchange unit for supplying heated water or steam (H20) to the steam separator by exchanging condensed water in the exhaust gas discharged from the combustor and passing through the raw material processing unit with exhaust gas discharged from the fuel cell A fuel cell system, characterized in that.
삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서,
상기 원료 처리부는 상기 LNG 저장탱크에서 공급되는 LNG를 증발시키는 LNG 증발기, 및 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하고,
상기 기화기는 상기 연소기에서 배출되는 배기가스의 폐열을 LNG를 기화시키기 위한 열원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 2,
The raw material processing unit includes an LNG evaporator for evaporating LNG supplied from the LNG storage tank, and a vaporizer installed in the LNG evaporator,
The fuel cell system, wherein the vaporizer uses waste heat of exhaust gas discharged from the combustor as a heat source for vaporizing LNG.
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