KR102424868B1 - 연료전지 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 선박은, 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지; 복수 개로 구비되는 발전엔진; 및 상기 연료전지 및 상기 발전엔진에서 생산한 전기를 저장하는 에너지 저장장치를 포함하며, 상기 에너지 저장장치는, 상기 선박 내 수요처로 전력을 공급하는 방전 모드와, 상기 연료전지 및 상기 발전엔진으로부터 전력을 공급받는 충전 모드로 교호적으로 운전하는 것일 수 있다.

Description

연료전지 및 이를 포함하는 선박{Fuel cell and vessel comprising the same}

본 발명은 연료전지 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.

최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 선박에서 배출되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키면서 추진할 수 있는 기술들이 연구되고 있다.

종래 기술에 따른 선박은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키기 위해 Scrubber, SCR 등과 같은 환경오염물질 저감장치를 설치하였다.

그러나, 종래 기술에 따른 선박은 환경규제가 점점 강화됨에 따라 환경오염물질 저감장치만으로는 환경규제를 만족시킬 수 없는 문제가 있다. 환경규제가 강화될수록 환경오염물질 저감장치의 처리용량이 커져야 하는데, 처리용량은 저감장치의 크기에 비례하기 때문이다.

공간이 제한적인 선박에서 환경오염물질 저감장치가 차지하는 비율이 높아지면, 상대적으로 화물을 선적하는 공간이나 사람을 태우기 위한 공간이 감소될 뿐만 아니라 저감장치의 무게로 인해 연비도 증가되기 때문에 비효율적이다. 따라서, 환경 친화적이면서 고효율로 추진할 수 있는 선박에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이며, 기존 연료 대비 환경 오염을 저감하기 위해 연료전지의 도입이 연구되어 적용되고 있는 추세이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지를 구비하여, 추진 등 내부 수요를 충당할 수 있는 선박을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 복수 개의 모듈형 연료전지를 구비하는 선박에서 연료전지 모듈의 용이한 취급이 가능한 배치 구조를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 연료전지와 발전엔진을 구비하여 내부 수요를 충당하는 선박에서 에너지 저장장치의 효율적인 운전 방안을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지, 복수 개로 구비되는 발전엔진, 및 상기 연료전지 및 상기 발전엔진에서 생산한 전기를 저장하는 에너지 저장장치를 포함하며, 상기 에너지 저장장치는, 상기 선박 내 수요처로 전력을 공급하는 방전 모드와, 상기 연료전지 및 상기 발전엔진으로부터 전력을 공급받는 충전 모드로 교호적으로 운전하는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 방전 모드는, 상기 에너지 저장장치의 저장 용량이 0 내지 20%가 될 때까지 전력을 공급하는 것이며, 상기 충전 모드는, 상기 에너지 저장장치의 저장 용량이 80 내지 100%가 될 때까지 전력을 공급받는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 선박은, 상기 에너지 저장장치가 방전 모드인 경우 상기 에너지 저장장치의 전력을 우선하여 상기 수요처로 공급하는 것이며, 상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 상기 연료전지 및 상기 발전엔진에서 생성한 전력을 우선하여 상기 수요처로 공급할 수 있다.

구체적으로, 상기 복수 개의 발전엔진은, 서로 동일한 전력 생산량을 갖는 것이며, 상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 방전 모드인 경우에 비해 더 많은 수의 발전엔진을 운전할 수 있다.

구체적으로, 상기 복수 개의 발전엔진은, 제1 전력 생산량, 상기 제1 전력 생산량 보다 큰 제2 전력 생산량을 포함하는 서로 다른 둘 이상의 전력 생산량을 갖는 것이며, 상기 에너지 저장장치가 방전 모드인 경우 제1 전력 생산량을 갖는 발전엔진만을 운전하며, 상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 서로 다른 전력 생산량을 갖는 상기 복수 개의 발전엔진을 운전할 수 있다.

본 발명에 따른 선박은 연료전지를 구비하여 선박 내 수요처에서 요구하는 전력을 공급할 수 있으며, 선박 내에 저장된 액화가스를 스팀을 이용하여 개질하여 연료전지에 대한 연료로 공급하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 선박은 액화가스의 개질반응이 흡열 반응인 점을 이용하여 연료전지의 온도에 따라 액화가스와 스팀을 개질하지 않고 연료전지로 바로 공급하여 연료전지 내부의 온도를 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 연료전지의 냉각을 위해 공기의 공급량을 증가시키지 않을 수 있어 공기 블로워, 압축기와 같은 구성을 생략하여 선내 공간 배치상의 이점 및 에너지 효율상의 이점을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 선박은 정박시 잉여 전력을 항만의 수요처로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 선박은 선박 내에서 생산된 전력을 에너지 저장장치에 저장하여 사용할 수 있으며, 에너지 저장장치를 이용하여 선내 전력 수요의 변동에 대처할 수 있다. 이때, 에너지 저장장치는 방전 모드와 충전 모드를 번갈아 수행하도록 하여 상대적으로 낮은 용량의 에너지 저장장치를 이용할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박이 항만에 정박하여 잉여 전력을 항만으로 공급하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지부를 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2의 B 구역을 확대하여 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부의 개념도이다.
도 6은 종래의 방법으로 에너지 저장장치를 운용하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 에너지 저장장치를 운용하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 에너지 저장장치를 운용하는 과정을 나타낸 개념도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하에서, 고압, 저압, 고온, 저온, 고부하, 저부하 및 유량은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.

이하에서, 수소가 포함된 연료는 천연가스, 석탄가스, 석유가스, 에탄, 에탄올, 메탄올과 같은 탄화수소를 포함하는 화합물, 혼합물이거나 암모니아 등일 수 있다. 본 발명에 있어서 연료전지는 상기와 같은 연료 등에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정발전 시스템을 의미한다. 즉, 연료전지는 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 것일 수 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 분류될 수 있지만, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 500 내지 1000℃의 고온 조건에서 발전하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 500 내지 1000℃의 고온의 배기가스를 배출하는 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 연료전지는 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)일 수 있으나, 바람직하게는 고체산화물 연료전지일 수 있다.

이하에서, 액화가스는 액화천연가스, 액화석유가스, 에탄, 에탄올, 메탄올 등일 수 있으며, 예시적으로 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있으며, 증발가스는 자연 기화된 액화가스 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다. 액화가스는 증발가스나 액상의 액화가스가 강제기화되어 형성된 기상의 가스를 포괄하여 지칭할 수 있다.

이하에서, 선박은 운반하는 컨테이너선, 상선, 해양에서 천연 가스를 생산할 수 있는 선박뿐만 아니라 가스 플랫폼과 해양 부유물을 비롯한 해양 구조물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박이 항만에 정박한 모습을 나타낸 개념도이다.

선박은 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지부(10)를 구비할 수 있으며, 연료전지부(10)는 실제 전기를 생산하는 연료전지 모듈(100)이 배치되는 연료전지 모듈부(11)와 연료전지 모듈(100)로 연료를 공급하거나, 연료전지 모듈(100)에서 생성된 전기를 수요처로 공급하기 위한 설비가 배치되는 연료전지 연결부(12)를 포함할 수 있다.

연료전지 모듈부(11)는 내부에 복수 개의 연료전지 모듈(100)이 수납되는 공간을 제공할 수 있다. 연료전지 모듈부(11)가 배치되는 위치가 한정되는 것은 아니지만, 후술할 것과 같이 선박의 상갑판(D)의 하부에 배치되어 유지보수가 용이하게 이루어질 수 있는 것이 바람직하다.

연료전지 연결부(12)는 각각의 연료전지 모듈(100)에 액화가스, 스팀, 공기를 공급하기 위한 연료 공급라인(L1), 공기 공급라인(L2) 등이 배치되는 공간을 제공할 수 있으며, 연료전지 모듈(100)에서 배출되는 가스를 이송하는 가스 배출라인(L6), 연료전지 모듈(100)에서 생산된 전기가 이송되는 전선(도시하지 않음)이 배치되는 공간을 제공할 수 있다.

연료전지 연결부(12)는 연료전지 모듈부(11)의 상부에 배치되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 도시된 바와 같이 선박의 상갑판(D)의 상부에 배치되어 후술할 송신부(20)와 가깝게 배치되는 것이 공간상으로 바람직하다.

송신부(20)는 선박의 상갑판(D) 상부에 배치될 수 있으며, 연료전지 연결부(12)를 통해 연료전지 모듈(100)에서 생성한 전기를 공급받아 선내 수요처로 공급하거나 선외 수요처로 공급할 수 있다.

선박은 정박한 상태에서는 상대적으로 적은 양의 전력을 사용할 수 있으며, 이에 따라 연료전지 모듈(100)에서 생산한 전기 중 잉여분은 송신부(20)를 통해 항만에 마련되는 수신부(30)로 공급할 수 있다. 송신부(20)와 수신부(30)는 무선으로 전기를 송수신하기 위해 마련될 수 있으며, 수신부(30)는 변환부(40)로 전기를 공급하여 육상 수요처에서 요구하는 전압 조건으로 변전하여 수요처로 공급할 수 있다. 반대로, 선박에서 생산하는 전기보다 더 많은 전기가 필요한 경우에는 송신부(20)가 수신부(30)로부터 전기를 공급받아 선내 수요처로 공급할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지부(10)를 보다 구체적으로 나타낸 개념도이다.

연료전지부(10)는 연료전지 모듈부(11)와 연료전지 연결부(12)를 포함할 수 있으며, 연료전지 모듈부(11)와 연료전지 연결부(12)는 각각 선박의 상갑판(D) 상부와 하부에 마련될 수 있다.

연료전지 모듈부(11)의 내부에는 복수개의 연료전지 모듈(100)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 연료전지 모듈부(11)의 바닥에 유압을 통해 높이가 조절되는 복수 개의 지지부(15)가 배치될 수 있으며, 지지부(15)의 상부에 레일(14)이 배치될 수 있다.

레일(14)은 복수 개로 마련되어 각각 복수 개의 지지부(15)의 상부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 레일(14)은 두 개 이상의 지지부(15) 상에 마련될 수 있고, 지지부(15)들의 높이가 조절됨에 따라 지지부(15) 상에서 기울어져 소정의 경사를 형성할 수 있다.

도 2의 B 영역을 확대하여 나타낸 도 3을 참조하면, 레일(14)은 지지부(15) 상에 배치되어, 지지부(15)가 유압을 이용하여 높이가 달라짐에 따라 상하로 이동할 수 있다. 다만, 레일(14)은 지지부(15)로부터 이탈하지 않도록 고정된 상태에서 연료전지 모듈부(11)의 바닥면에 대한 경사를 이루도록 움직이는 것일 수 있다.

연료전지 모듈(100)은 하부에 롤러부(13)를 구비할 수 있다. 롤러부(13)는 레일(14)을 따라 이동하기 위한 것으로, 연료전지 모듈(100)을 레일(14)을 따라 이동시킬 수 있는 것이면 그 구조는 한정되지 않는다. 예를 들어, 롤러부(13)는 연료전지 모듈(100) 바닥면에 설치된 바퀴이거나, 연료전지 모듈(100)의 바닥면과 레일(14) 사이에 배치되는 베어링일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 모듈(100)의 하우징의 적어도 일부가 레일(14)로부터 이탈하지 않도록 레일(14)에 끼워맞추어지는 구조를 가질 수 있으나, 이러한 구조로 한정되는 것은 아니다.

지지부(15)는 유압을 이용하여 상하 높이가 조절되는 것으로, 레일(14) 및 레일(14) 위에 연료전지 모듈(100)이 배치된 상태로 높이가 조절될 수 있다. 지지부(15)는 유압을 이용하여 레일(14)에 경사를 형성하여, 레일(14) 위에 배치된 연료전지 모듈(100)을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 어느 한 지지부(15)의 높이만을 조절하여 레일(14)에 경사를 형성함으로써, 목적하는 연료전지 모듈(100)을 특정 위치(A)로 이동시킬 수 있다. 지지부(15)는 경사를 조절하여 연료전지 모듈(100)의 이동을 제동할 수도 있다.

하부에 연료전지 모듈부(11)가 배치되는 선박의 상갑판(D)에는 연료전지 모듈부(11)의 내부 공간으로 연통하는 개폐부(16)가 마련될 수 있다. 개폐부(16)는 상갑판(D)에 뚫린 개구를 지칭할 수 있으며, 도시하지 않았으나 상기 개구를 개폐하기 위한 수단을 구비할 수 있다.

개폐부(16)를 통해 연료전지 모듈(100)을 연료전지 모듈부(11) 내부에 배치하거나, 반대로 선박 바깥으로 이동시킬 수 있다. 선박에 사용하기 위한 연료전지은 그 규모가 크고, 무게가 무겁기 때문에 연료전지 모듈(100)의 형태로 소형화되어 복수 개로 마련되어 사용될 수 있다. 이러한 경우 복수 개의 연료전지 모듈(100) 중 유지보수가 필요한 연료전지 모듈(100)만을 따로 빼내어 처리할 수 있다는 장점이 있다.

선박에는 선박내 다양한 설비가 배치되는 모터룸(17)이 마련될 수 있으며, 모터룸(17) 상에는 크레인(18)이 마련될 수 있다. 크레인(18)은 선박의 다양한 화물을 선적 및 하역할 수 있으며, 개폐부(16)를 통해 연료전지 모듈(100)을 들어올려 이동시키도록 마련될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 선박은 연료전지 모듈부(11) 내에 복수 개의 연료전지 모듈(100)을 배치하여 사용하다가, 유지보수가 필요하거나 더 이상 사용하지 않게 된 연료전지 모듈(100)을 개폐부(16)의 하부(A)로 이동시켜 크레인(18)을 통해 선박 외부로 이동시킬 수 있다. 연료전지 모듈(100)은 소형화 된 것이더라도 수톤에 달하는 무게를 가질 수 있는 바, 레일(14) 및 지지부(15)를 이용하여 연료전지 모듈부(11) 내부에서 수평 방향으로 이동할 수 있도록 구성할 수 있고, 수직 방향으로는 한정된 개폐부(16)에서 크레인(18)을 통해 이동할 수 있도록 구성할 수 있다. 이에 따라, 개폐부(16)의 크기를 최소화시킬 수 있으며, 크레인(18)이 처리할 수 있는 거리 범위 내에서 연료전지 모듈(100)을 취급할 수 있게 되어 한정된 선박 내에서 공간 활용성을 극대화시킬 수 있게 된다.

도 4 및 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 모듈(100)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모듈(100)은 액화가스 공급부(200), 스팀 공급부(300), 공기 공급부(400)로부터 각각 액화가스, 스팀 및 공기를 공급받아 전기를 생산할 수 있으며, 연료전지 스택(130)에서 배출되는 가스는 폐열회수부(500)로 공급할 수 있다.

연료전지 모듈(100)은 연료 공급라인(L1)을 통해 액화가스 공급부(200), 스팀 공급부(300)로부터 액화가스와 스팀을 공급받을 수 있다. 연료 공급라인(L1)에는 제1 혼합부(110), 제1 열교환기(111), 제1 밸브(112), 개질기(114) 등이 마련될 수 있다.

액화가스 공급부(200)는 선박에 마련되는 액화가스 저장탱크 또는 액화가스 저장탱크로부터 액화가스를 공급받아 처리하는 가스 처리 시스템일 수 있다. 바람직하게는, 액화가스는 액화천연가스일 수 있다. 액화가스 공급부(200)가 액화가스 저장탱크인 경우, 액화가스 저장탱크 내의 펌프(도시하지 않음)를 통해 액화가스를 인출하여 제1 혼합부(110)로 공급할 수 있다. 액화가스 공급부(200)가 가스 처리 시스템인 경우, 액화가스 저장탱크에서 인출되는 액화가스를 기화시켜 연료전지 모듈(100)로 공급하는 것일 수 있다.

스팀 공급부(300)는 선박에 마련되어 액화가스를 개질하기 위한 스팀을 공급하는 것일 수 있으며, 보일러, 이코노마이저 등 선박 내의 폐열을 이용하여 생성한 스팀을 공급하는 것일 수 있다. 스팀 공급부(300)는 스팀을 제1 혼합부(110)에 공급할 수 있다.

제1 혼합부(110)는 연료 공급라인(L1)상에 마련되어 액화가스 공급부(200)로부터 공급되는 액화가스와 스팀 공급부(300)로부터 공급되는 스팀을 혼합하여 연료전지 스택(130)에 공급할 수 있다. 제1 혼합부(110)에서 혼합된 액화가스와 스팀의 혼합물은 제1 열교환기(111)로 공급될 수 있다.

제1 열교환기(111)는 후술할 가스 배출라인(L6)을 통해 유동하는 가스를 이용하여 연료 공급라인(L1)을 통해 유동하는 액화가스와 스팀의 혼합물을 가열하기 위한 구성이다. 가스 배출라인(L6)은 연료전지 스택(130)으로부터 배출되는 가스를 버너(140)에서 연소하여 발생하는 가스를 배출하기 위한 것일 수 있다. 연료전지 스택(130) 및 버너(140)를 거치면서 가열된 가스는 개질기(114)에 열을 공급한 뒤 제1 열교환기(111)로 공급되어 연료 공급라인(L1)의 액화가스 및 스팀의 혼합물을 가열할 수 있다. 후술할 개질기(114)에서 액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 반응은 흡열 반응이므로, 제1 열교환기(111)에서 액화가스와 스팀의 혼합물을 가스 배출라인(L6)의 가스로 예열한 뒤 개질기(114)로 공급할 수 있다.

연료 공급라인(L1) 상에서 제1 열교환기(111)와 개질기(114)의 사이에는 제1 밸브(112)가 마련되어 개질기(114)로 공급되는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량이 제어될 수 있다. 또한, 연료 공급라인(L1) 상에서 제1 열교환기(111)와 개질기(114)의 사이에는, 연료 공급라인(L1)으로부터 분기하는 개질기 바이패스라인(L3)이 마련될 수 있다. 구체적으로, 개질기 바이패스라인(L3)은 연료 공급라인(L1)의 제1 열교환기(111)와 제1 밸브(112) 사이에서 분기하여 개질기(114)의 후단에서 다시 연료 공급라인(L1)에 연결되는 것일 수 있다. 개질기 바이패스라인(L3)은 연료 공급라인(L1)을 따라 유동하는 액화가스와 스팀의 혼합물을 개질기(114)로 공급하지 않고 바로 연료전지 스택(130)으로 공급할 수 있다. 개질기 바이패스라인(L3)에는 제2 밸브(113)가 마련되어 개질기(114)를 바이패스하여 연료전지 스택(130)으로 바로 공급되는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량을 제어할 수 있다.

개질기(114)는 액화가스와 스팀을 공급받아, 스팀으로 액화가스를 개질하여 연료전지 스택(130)에서 연료로 사용하기 위한 수소를 생성하는 것일 수 있다. 개질기(114)는 수소를 포함하는 연료를 생성하여, 생성된 연료를 연료 공급라인(L1)을 통해 연료전지 스택(130)으로 공급할 수 있다. 개질기(114)는 제1 열교환기(111)에서 예열된 액화가스와 스팀을 공급받아 액화가스의 개질 반응을 수행할 수 있으며, 가스 배출라인(L6)으로부터 열을 공급받아 액화가스의 개질 반응을 수행할 수도 있다.

연료전지 스택(130)은 공기 공급부(400)로부터 공기가 공급되는 공기극(cathode)과, 연료 공급라인(L1)과 연결되어 수소가 포함된 연료가 공급되는 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 구성될 수 있다. 바람직하게는, 연료전지 스택(130)은 고체 산화물을 전해질로 이용하는 고체 산화물 연료전지일 수 있다.

연료전지 스택(130)은 수직 가압 평판형 기술이 적용되어 종래 연료전지 대비 부피가 감소되는 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 하나의 연료전지 모듈(100) 내부에 하나의 연료전지 스택(130)이 배치되는 것으로 도시하였으나, 하나의 모듈 내에 복수 개의 연료전지 스택(130)이 서로 이격되도록 마련될 수도 있다.

연료전지 스택(130)의 연료극에는 수소를 포함하는 연료가 공급되는 연료 공급라인(L1)과, 연료극에서 발생하는 물을 포함한 배출 가스가 배출되는 연료극 배출라인(L4)이 연결될 수 있다. 연료 공급라인(L1)에는 개질기 바이패스라인(L3)이 분기 및 다시 연결되도록 마련될 수 있으며, 후술할 제1 제어부(600)의 제어에 따라 액화가스와 스팀이 모두 개질기 바이패스라인(L3)을 통해 유동할 수 있으므로, 연료전지 스택(130)의 연료극에는 액화가스와 스팀만이 연료 공급라인(L1)을 통해 공급될 수도 있다. 연료전지 스택(130)의 공기극에는 공기 공급부(400)와 연결되는 공기 공급라인(L2)과, 공기극에서 다 반응하지 않고 배출되는 공기를 포함하는 배출가스가 배출되는 공기극 배출라인(L5)이 연결될 수 있다.

연료전지 스택(130)에서 생성된 전기는 전술한 연료전지 연결부(12) 등의 구성을 통해 수요처로 공급될 수 있다. 연료전지 스택(130)에서 배출되는 배출가스는 연료극 배출라인(L4) 및 공기극 배출라인(L5)을 통해 각각 배출될 수 있으며, 버너(140)로 공급되어 연소될 수 있다.

버너(140)는 연료극 배출라인(L4)으로부터 공급되는 연료극 배출가스를 미반응 공기를 이용하여 연소시킬 수 있다. 연료극 배출가스에는 미반응 액화가스 등이 잔류할 수 있으며, 미반응 공기중에 포함된 산소를 이용하여 연소시킬 수 있다. 버너(140)에서 배출가스를 연소시킴에 따라 발생하는 가스는 가스 배출라인(L6)을 통해 연료전지 모듈(100)로부터 배출될 수 있다.

가스 배출라인(L6)은 버너(140)에서 연소되어 배출되는 가스를 연료전지 모듈(100) 외부로 배출시킬 수 있다. 이때, 가스 배출라인(L6)은 개질기(114)와 열교환하여, 버너(140)에서 가열된 가스의 열로 개질기(114) 내부의 온도를 상승시켜, 개질기(114) 내부의 개질 반응을 촉진시킬 수 있다. 가스 배출라인(L6)을 따라 유동하는 가스는 개질기(114)에 열을 공급한 후에도 상대적으로 고온 상태일 수 있으며, 제1 열교환기(111)로 공급되어 제1 혼합부(110)로부터 공급되는 액화가스와 스팀의 혼합물을 가열하는 데에 이용될 수 있다. 제1 열교환기(111)에서 토출되는 가스는 제2 열교환기(120)로 공급되어, 공기 공급라인(L2)을 따라 공급되는 공기를 가열시키는 데에 이용될 수 있다. 연료전지 스택(130)은 500 내지 1000℃에 달하는 고온의 조건에서 운전하는 것일 수 있는데, 공기 공급부(400)는 시스템 외부의 공기를 연료전지 모듈(100)로 공급하기 때문에 온도가 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 제2 열교환기(120)에서 연료전지 스택(130)으로부터 배출된 가스를 이용하여 연료전지 스택(130)으로 공급되는 공기를 예열하여 공급함으로써, 연료전지 스택(130)의 운전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 제2 열교환기(120)에서 토출되는 가스는 연료전지 모듈(100)의 외부로 배출되거나, 폐열회수부(500)로 공급될 수 있다.

폐열회수부(500)는 이코노마이저, 보일러 등일 수 있으며, 연료전지 스택(130)으로부터 배출되는 가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생성할 수 있다. 폐열회수부(500)에서 생성된 스팀은 다시 스팀 공급부(300) 등 선박 내 수요처로 공급되어 사용될 수 있다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 연료전지 모듈(100)에서 연료전지 스택(130)의 온도에 따른 제어를 설명한다.

전술한 바와 같이, 연료전지 스택(130)은 내부 온도가 일정 수준에서 유지되어야 할 필요가 있다. 종래에는 연료전지 스택(130)의 온도가 너무 높아지는 경우에는 공기의 공급유량을 높여 연료전지 스택(130)의 온도를 낮추어 주는 방식의 제어가 이루어져 왔다. 그러나, 연료전지 스택(130)의 온도가 운전 범위보다 더 높은 경우는 대략 1000℃를 초과하는 고온으로 공기만으로 냉각시키는 경우 연료 대비 월등히 많은 유량을 필요로 하였다. 이에 따라 공기 공급라인(L2)이, 연료전지 스택(130) 온도의 비정상인 경우를 대비하여 과도하게 많은 유량을 처리할 수 있도록 준비되어야 했고, 요구 유량을 충족시키기 위해 추가적인 블로워나 공기 압축기와 같은 구성이 필수적으로 요구되었다.

본 실시예에서는 제1 제어부(600)를 더 포함하여, 연료전지 스택(130)에 마련되는 온도센서(131)의 측정값에 따라 제1 밸브(112) 및 제2밸브(113) 중 적어도 하나의 개도를 조절하도록 하여 이러한 문제를 해결하였다.

구체적으로, 온도센서(131)는 연료전지 스택(130)의 내부 및 외부 중 적어도 하나의 온도를 측정할 수 있으며, 바람직하게는 연료전지 스택(130) 내부 온도를 측정하여 측정값을 제1 제어부(600)로 송신할 수 있다.

제1 제어부(600)는 온도센서(131)로부터 수신한 온도값이 미리 설정된 값보다 높은 경우, 개질기 바이패스라인(L3)을 통해 유동하는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 제1 제어부(600)는 연료전지 스택(130)의 내부 온도가 미리 설정된 값보다 높은 경우, 연료 공급라인(L1) 상의 제1 밸브(112)의 개도를 낮추고, 개질기 바이패스라인(L3) 상의 제2 밸브(113)의 개도를 높여 액화가스와 스팀의 혼합물의 적어도 일부가 개질기(114)를 거치지 않고 연료전지 스택(130)으로 공급되도록 제어할 수 있다. 이러한 경우, 연료전지 스택(130) 내부의 온도 자체가 높으므로, 연료극에서 스팀을 이용한 액화가스의 개질 반응이 진행되고, 생성된 수소가 그 자리에서 사용되어 전기가 생성될 수 있다. 스팀을 이용한 액화가스의 개질 반응이 흡열 반응이므로, 개질 반응이 진행됨에 따라 연료전지 스택(130) 내부의 온도가 낮아질 수 있게 된다.

반대로, 제1 제어부(600)는 온도센서(131)로부터 수신한 온도값이 미리 설정된 값보다 낮은 경우, 개질기 바이패스라인(L3)을 통해 유동하는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량을 감소시킬 수 있다. 즉, 제1 제어부(600)는 제1 밸브(112)의 개도를 높이고, 제2 밸브(113)의 개도를 낮추어 개질기(114)로 공급되는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량을 높이거나, 개질기 바이패스라인(L3)을 통한 혼합물의 유동을 차단할 수 있다. 이러한 경우, 액화가스와 스팀은 개질기(114) 내에서 가스 배출라인(L6)을 통해 유동하는 가스에 의해 열을 공급받아 개질 반응을 일으킬 수 있으며, 그 결과로 생성되는 수소를 포함하는 연료가 연료전지 스택(130)으로 공급될 수 있게 된다.

제1 제어부(600)는 연료전지 스택(130)으로 공급되는 연료 또는 액화가스 및 스팀의 혼합물의 유량, 및 연료전지 스택(130)의 내부 온도를 고려하여 공기 공급라인(L2) 상에 마련되는 제3 밸브(121)의 개도를 조절할 수 있다.

추가적으로, 제1 제어부(600)는 폐열회수부(500)로 공급되는 가스의 온도 및 유량 중 적어도 하나에 따라서도 개질기 바이패스라인(L3)을 통해 유동하는 액화가스와 스팀의 혼합물의 유량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 폐열회수부(500)는 폐열회수부(500)로 공급되는 가스의 온도를 측정하는 온도센서(510) 및 공급 유량을 측정하는 유량센서(52)를 구비할 수 있다. 연료전지 스택(130)에서 배출되어 버너(140)에서 연소된 가스가 가스 배출라인(L6)을 통해 폐열회수부(500)로 공급되는데, 이러한 가스의 온도나 유량이 미리 설정된 값보다 높거나 많은 경우는 연료전지 스택(130) 내부의 온도가 높아 전기 생산이 원활하지 못한 경우를 간접적으로 나타내는 것일 수 있다. 따라서, 제1 제어부(600)는 온도센서(510) 및 유량센서(520) 중 적어도 하나로부터 측정값을 전달받아 미리 설정된 값과 비교하여 제1 밸브(112) 및 제2 밸브(113)의 개도를 조절하여 개질기 바이패스라인(L3)으로 유동하는 액화가스와 스팀의 유량을 제어하여 연료전지 스택(130)의 온도를 조절할 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 모듈(100) 및 이를 포함하는 선박은, 액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 포함하는 연료를 생성함에 있어, 액화가스의 개질반응이 흡열반응인 점을 이용하여 연료전지 스택(130)의 내부 온도가 미리 설정된 값보다 높아지는 경우 액화가스와 스팀을 개질기(114)를 우회하도록 하여 연료전지 스택(130)에서 개질과 전기화학적 반응이 모두 일어나도록 하여 연료전지 스택(130) 내부의 온도를 제어해줄 수 있다. 이에 따라, 종래 공기의 공급 유량 및 압력을 증대시켜 연료전지로 공급하는 경우 대비 공기 공급라인(L3)의 규모를 축소할 수 있고, 블로워 및 공기 압축기 구성을 생략할 수 있게 되어 시스템 구성의 비용을 절감하고, 연료전지 모듈 및 선박 내 공간 활용성을 극대화할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모듈(100)은 액화가스 공급부(200), 스팀 공급부(300), 공기 공급부(400)로부터 각각 액화가스, 스팀 및 공기를 공급받아 전기를 생산할 수 있으며, 수소 공급부(700)로부터 수소를 직접 공급받아 전기를 생산할 수도 있다.

본 실시예는 수소 공급부(700)와 제2 제어부(800)를 더 포함할 수 있으며, 앞선 실시예와 달라지는 점을 중심으로 설명하고 동일한 부분은 앞선 실시예의 내용으로 갈음한다.

본 실시예에 따른 연료전지 모듈(100)은 액화수소를 화물로 운반하는 선박에 사용되는 것일 수 있다. 수소 공급부(700)는 액화수소 저장탱크(도시하지 않음)일 수 있으며, 액화수소 저장탱크에 저장된 액화수소 또는 액화수소 저장탱크의 내부에서 발생하는 액화수소의 증발가스인 수소가스를 연료전지 모듈(100)로 공급할 수 있다. 바람직하게는, 수소 공급부(700)는 연료 공급라인(L1)으로 증발가스인 수소가스를 공급할 수 있다.

연료 공급라인(L1)은 액화가스 공급부(200)와 공기 공급부(300)로부터 각각 액화가스와 공기를 공급받아 연료전지 스택(130)으로 공급할 수 있다. 액화가스 공급부(200)는 상기 선박의 추진연료로 사용되는 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크일 수 있다. 액화가스는 바람직하게는 액화천연가스일 수 있다.

연료 공급라인(L1) 상에는 액화가스와 공기가 혼합되는 제1 혼합부(110)가 마련될 수 있으며, 제1 혼합부(110)에서 토출되는 액화가스 및 공기의 혼합물과 수소 공급부(700)로부터 공급되는 수소가스를 혼합시키는 제2 혼합부(115)를 더 구비할 수 있다. 제1 혼합부(110)의 상류에는 액화가스 공급부(200)로부터 공급되는 액화가스의 유량을 제어하는 제4 밸브(210)가 마련될 수 있으며, 제2 혼합부(115)의 상류에는 수소 공급부(700)로부터 공급되는 수소가스의 유량을 제어하는 제5 밸브(710)가 마련될 수 있다.

제2 혼합부(115)에서 토출되는 혼합가스는 제1 열교환기(111) 및 제1 밸브(112)를 거쳐 연료전지 스택(130)으로 공급될 수 있다.

본 실시예는 연료전지 스택(130)의 온도에 따라 제4 밸브(210) 및 제5 밸브(710) 중 적어도 하나의 개도를 조절하는 제2 제어부(800)를 더 포함할 수 있다.

제2 제어부(800)는 연료전지 스택(130)의 온도센서(131)로부터 연료전지 스택(130)의 온도 측정값을 수신하여 미리 정해진 값과 비교할 수 있다. 구체적으로, 제2 제어부(800)는 연료전지 스택(130)의 내부 온도가 미리 설정된 값보다 높은 경우, 액화가스 공급부(200)로부터 공급되는 액화가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 제2 제어부(800)는 제4 밸브(210)의 개도를 높여 연료전지 스택(130)으로 공급되는 액화가스의 유량을 높일 수 있으며, 이에 따라 액화가스와 공기는 연료전지 스택(130)으로 공급되어 연료극에서 개질 반응을 일으켜 연료전지 스택(130)의 내부 온도를 낮출 수 있게 된다.

반대로, 제2 제어부(800)는 연료전지 스택(130)의 내부 온도가 미리 설정된 값보다 낮은 경우, 수소 공급부(700)로부터 공급되는 수소가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 제2 제어부(800)는 제5 밸브(710)의 개도를 높여 연료전지 스택(130)으로 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 직접 공급하도록 제어할 수 있으며, 제4 밸브(210)의 개도를 낮추어 연료극에서 액화가스의 개질 반응이 일어나 연료전지 스택(130) 내부의 열을 흡수하지 못하도록 할 수 있다.

이상과 같은 본 실시예는 화물로 액화수소를 운반하는 선박에서 사용하기에 적합한 연료전지 모듈(100)에 관한 것으로, 액화수소 저장탱크의 내부에서 발생하는 증발가스를 바로 연료전지 스택(130)에 대한 연료로 소비하도록 할 수 있어 화물의 낭비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 스택(130)의 온도에 따른 수소가스 및 액화가스의 공급을 제어할 수 있도록 마련하여, 시스템 구성의 비용을 절감하고, 연료전지 모듈 및 선박 내 공간 활용성을 극대화할 수 있다.

도 6 내지 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모듈과 연료전지 모듈에서 생산한 전력을 저장하는 에너지 저장장치를 구비하는 선박에서의 운전 방법을 설명한다.

도 6의 (a)를 참조하면, 선박은 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지(도시하지 않음) 이외에도 복수개로 구비되는 발전엔진(50a 내지 50c)를 더 구비하여 선내 수요처(S)로 공급하기 위한 전력을 생성할 수 있다.

수요처(S)의 전력 수요는 선박의 운항 상태, 운항 조건에 따라 변동할 수 있는 것으로, 특정 시점에 따라 연료전지 및 발전엔진에서 생산되는 전력은 수요처(S)에서 요구하는 양 대비 적거나 많을 수 있다. 따라서, 선박은 생산 전력이 부족하거나 잉여 전력이 발생하는 경우를 대비한 버퍼로서 에너지 저장장치(60a)를 더 구비하여 대응할 수 있다.

에너지 저장장치(60a)는 연료전지 및 발전엔진 중 적어도 하나로부터 생산되는 전력을 임시 저장하였다가 수요처(S)로 공급할 수 있으며, 선박 외부에서 공급받는 전력이 있는 경우에도 저장할 수 있다.

도 6의 (b)를 참조하면, 종래 선박은 발전엔진(50a 내지 50c)들을 최적의 효율로 운전하는 것이 일반적이며, 연료전지 및 발전엔진(50a 내지 50c)들로 충당할 수 있는 양을 초과하는 부하를 에너지 저장장치(60a)에 저장되어 있던 전력으로 충당하는 방식으로 운용하였다. 이는, 발전엔진이 일정 이상의 부하로 운전해야 효율이 향상되기 때문인데, 이러한 운용 방식을 에너지 저장장치(60a)의 충전 상태의 관점에서 보게 되면, 에너지 저장장치(60a)는 선박에서의 전력 수요 변동에 따라 지속적인 충방전을 반복하게 된다.

이러한 경우, 선박의 전체 운항 기간에 걸쳐 에너지 저장장치(60a)의 충전 상태를 일정 이상으로 유지하기 위해 에너지 저장장치(60a)의 최대 충전량을 대용량으로 구비해야 한다. 예를 들어, 도 6의 (b)에서 각 발전엔진(50a 내지 50c)의 출력이 1MWh라 하고, 발전엔진 중 어느 하나(50c)는 비상용으로 운전을 하지 않는 경우, 에너지 저장장치(60a)는 최소 500kWh는 되어야만 선내 전력 수요 변동에 대처할 수 있다. 다만, 선내 전력 수요가 최대 피크를 형성하는 지점은 전체 운항 기간으로 볼 때 극히 일부로서 그 빈도도 낮으므로, 해당 피크 형성 지점에 대해서만 대응하기 위해 에너지 저장장치(60a)의 규모를 크게 마련하는 것은 선박 공간상 한계가 있었다.

이에 따라 본 실시예에서는 연료전지, 발전엔진(50a 내지 50c), 에너지 저장장치(60b)를 포함하는 선박에서 에너지 저장장치(60b)를 방전 모드와 충전 모드로 교호적으로 운전하도록 하였다.

구체적으로, 에너지 저장장치(60b)를 선박 내 수요처(S)로 전력을 공급하는 방전 모드와, 연료전지 및 발전엔진(50a 내지 50c)으로부터 전력을 공급받는 충전 모드로 번갈아가며 운전하도록 하였다. 이때, 방전 모드는 에너지 저장장치(60b)의 저장 또는 충전 용량이 0 내지 20%가 될 때까지 에너지 저장장치(60b)에 저장된 전력을 공급하는 것을 의미하며, 충전 모드는 에너지 저장장치(60b)의 저장 또는 충전 용량이 80 내지 100%가 될 때까지 전력을 공급받는 것을 의미할 수 있다. 즉, 종래 에너지 저장장치(60a)가 수% 내지 수십%까지 충방전량의 변동폭이 큰 상태로 잦은 충방전이 이루어지도록 마련된 데에 비해, 전술한 충전 용량에 맞추어 일정 수준까지 충전 되었다가 이후 다시 일정 수준까지 방전되는 과정이 반복될 수 있도록 하였다. 바람직하게는, 에너지 저장장치(60b)는 방전 모드로 운전시 충전 용량이 0%가 될 때까지 전력을 공급하고, 충전 모드로 운전시 충전 용량이 100%가 될 때까지 전력을 공급받을 수 있다.

본 실시예에서 선박은 에너지 저장장치(60b)가 방전 모드인 경우 에너지 저장장치(60b)에 저장된 전력을 우선하여 수요처(S)로 공급하여 사용할 수 있으며, 에너지 저장장치(60b)가 충전 모드인 경우 연료전지 및 발전엔진(50a 내지 50c)에서 생성한 전력을 우선하여 수요처(S)로 공급하여 사용할 수 있다.

예를 들어, 본 실시예에서 복수 개의 발전엔진(50a 내지 50c)은 서로 동일한 전력 생산량을 가질 수 있으며, 에너지 저장장치(60b)가 충전 모드인 경우 방전 모드인 경우에 비해 더 많은 수의 발전엔진을 운전할 수 있다.

예를 들어, 본 실시예에서 발전엔진은 제1 전력 생산량을 갖는 발전엔진(50a 및 50b), 상기 제1 전력 생산량 보다 큰 제2 전력 생산량을 갖는 발전엔진(50c)을 포함하는 서로 다른 둘 이상의 전력 생산량을 갖는 복수 개의 발전엔진들을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 에너지 저장장치(60b)가 방전 모드인 경우 제1 전력 생산량을 갖는 발전엔진(50a, 50b)만을 운전하며, 에너지 저장장치(60b)가 충전 모드인 경우 서로 다른 전력 생산량을 갖는 상기 복수 개의 발전엔진(50a, 50c)를 운전할 수 있다.

도 7을 참조하면, 복수 개의 발전엔진(50a 내지 50c)들은 모두 동일한 전력 생산량을 가질 수 있다. 구체적으로, 도 7의 (a) 및 (b)는 에너지 저장장치(60b)가 전술한 것과 같은 용량에 따라 방전 모드, 충전 모드로 번갈아 가며 운전하는 경우, 동일한 수요처(S) 부하 조건에서의 방전 모드와 충전 모드에서의 운전 양상을 각각 나타낸 개념도이다.

도 7의 (a)와 같이 에너지 저장장치(60b)가 방전 모드로 운전할 때, 수요처(S)는 에너지 저장장치(60b)에 저장되어 있던 전력을 우선적으로 공급받을 수 있다. 이때는 어느 한 발전엔진(50c)은 운전하지 않고 여분으로 남겨둘 수 있다.

도 7의 (b)와 같이 에너지 저장장치(60b)가 충전 모드로 운전할 때, 수요처(S)는 발전엔진(50a 내지 50c)에서 생성한 전력을 우선적으로 사용하고, 잉여분을 에너지 저장장치(60b)로 저장하는 것을 동시에 수행할 수 있다.

이러한 경우, 에너지 저장장치(60b)는 낮은 충방전율로 반복 운전하는 경우 대비 낮은 용량으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 발전엔진(50a 내지 50c)들은 각각 1MWh의 출력을 가질 수 있으며, 이러한 경우 에너지 저장장치(60b)는 200kWh의 출력만을 가질 수 있다.

도 8을 참조하면, 복수 개의 발전엔진(50a, 50b, 50d)들은 서로 상이한 둘 이상의 전력 생산량을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 발전엔진(50a, 50b)은 1MWh의 출력을 가질 수 있으며, 다른 발전엔진(50b)은 2MWh의 출력을 가질 수 있다. 도 8의 (a) 및 (b)는 에너지 저장장치(60b)가 전술한 것과 같은 용량에 따라 방전 모드, 충전 모드로 번갈아 가며 운전하는 경우, 동일한 수요처(S) 부하 조건에서의 방전 모드와 충전 모드에서의 운전 양상을 각각 나타낸 개념도이다.

도 8의 (a)와 같이 에너지 저장장치(60b)가 방전 모드로 운전할 때, 수요처(S)는 에너지 저장장치(60b)에 저장되어 있던 전력을 우선적으로 공급받을 수 있다. 따라서, 상대적으로 큰 용량의 발전엔진(50d)은 운전하지 않고 여분으로 남겨둘 수 있다.

도 8의 (b)와 같이 에너지 저장장치(60b)가 충전 모드로 운전할 때, 수요처(S)는 발전엔진(50a, 50d)에서 생성한 전력을 우선적으로 사용하고, 잉여분을 에너지 저장장치(60b)로 저장하는 것을 동시에 수행할 수 있다.

이러한 경우, 에너지 저장장치(60b)는 낮은 충방전율로 반복 운전하는 경우 대비 낮은 용량으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 일부 발전엔진(50a, 50b)이 1MWh의 출력을 갖고 다른 발전엔진(50d)이 2MWh의 출력을 갖는 경우, 에너지 저장장치(60b)는 200kWh의 출력만을 가질 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따른 선박은 에너지 저장장치(60b)의 충전 용량이 0 내지 20%가 될 때까지 에너지 저장장치(60b)에 저장된 전력을 공급하는 방전 모드와, 에너지 저장장치(60b)의 저장 또는 충전 용량이 80 내지 100%가 될 때까지 전력을 공급받는 충전 모드를 번갈아 가며 운전하도록 마련하여, 선내 수요처(S)에서의 전력 수요의 급변에 대처할 수 있으며, 에너지 저장장치(60b)의 규모를 줄일 수 있다.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 연료전지부 11: 연료전지 모듈부
12: 연료전지 연결부 13: 롤러부
14: 레일 15: 지지부
16: 개폐부 17: 모터룸
18: 크레인 20: 송신부
30: 수신부 40: 변환부
50a~d: 발전엔진 60a, b: 에너지 저장장치
100: 연료전지 모듈 110: 제1 혼합부
111: 제1 열교환기 112: 제1 밸브
113: 제2 밸브 114: 개질기
115: 제2 혼합부 120: 제2 열교환기
121: 제3 밸브 130: 연료전지 스택
131: 온도센서 140: 버너
200: 액화가스 공급부 210: 제4 밸브
300: 스팀 공급부 400: 공기 공급부
500: 폐열회수부 510: 온도센서
520: 유량센서 600: 제1 제어부
700: 수소 공급부 710: 제5 밸브
800: 제2 제어부
D: 상갑판 S: 수요처
L1: 연료 공급라인 L2: 공기 공급라인
L3: 개질기 바이패스라인 L4: 연료극 배출라인
L5: 공기극 배출라인 L6: 가스 배출라인

Claims (5)

1. 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지;
   복수 개로 구비되는 발전엔진; 및
   상기 연료전지 및 상기 발전엔진에서 생산한 전기를 저장하는 에너지 저장장치를 포함하는 선박에서,
   상기 에너지 저장장치는,
   상기 선박 내 수요처로 전력을 공급하는 방전 모드와,
   상기 연료전지 및 상기 발전엔진으로부터 전력을 공급받는 충전 모드로 교호적으로 운전하는 것이고,
   상기 방전 모드와 충전 모드는 에너지 저장장치의 저장 용량에 따라서 결정되고,
   상기 에너지 저장장치가 방전 모드인 경우 상기 에너지 저장장치의 전력을 우선하여 상기 수요처로 공급하는 것인, 선박.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방전 모드는, 상기 에너지 저장장치의 저장 용량이 0 내지 20%가 될 때까지 전력을 공급하는 것이며,
   상기 충전 모드는, 상기 에너지 저장장치의 저장 용량이 80 내지 100%가 될 때까지 전력을 공급받는 것인, 선박.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 상기 연료전지 및 상기 발전엔진에서 생성한 전력을 우선하여 상기 수요처로 공급하는 것인, 선박.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수 개의 발전엔진은,
   서로 동일한 전력 생산량을 갖는 것이며,
   상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 방전 모드인 경우에 비해 더 많은 수의 발전엔진을 운전하는 것인, 선박.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수 개의 발전엔진은,
   제1 전력 생산량, 상기 제1 전력 생산량 보다 큰 제2 전력 생산량을 포함하는 서로 다른 둘 이상의 전력 생산량을 갖는 것이며,
   상기 에너지 저장장치가 방전 모드인 경우 제1 전력 생산량을 갖는 발전엔진만을 운전하며,
   상기 에너지 저장장치가 충전 모드인 경우 서로 다른 전력 생산량을 갖는 상기 복수 개의 발전엔진을 운전하는 것인, 선박.

Images