KR102426966B1 - 하이브리드 선박 - Google Patents

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Abstract

여분의 전력으로 수소를 생산하여 에너지로 저장하는 하이브리드 선박이 제공된다. 하이브리드 선박은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지; 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리; 제1 전력과 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 선박의 운항 계획에 따라 선박을 추진시키는 추진부; 제1 전력 중에서 잉여의 전력을 이용하여 수소를 생산하며, 수소를 수소 저장 탱크에 저장하는 수전해 장치; 및 수소를 선박에 탑재된 차량에 연료로 공급하는 연료 생성 장치를 포함한다.

Description

하이브리드 선박 {Hybrid ship}
본 발명은 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 하이브리드 발전 시스템을 구비하는 선박에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료(예를 들어, 수소, 천연가스 등)의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이러한 연료 전지는 대기오염 물질을 거의 배출하지 않기 때문에, 친환경적인 에너지로 각광을 받고 있다.
선박의 전력원으로 연료 전지 시스템을 이용할 경우, 해양에서도 오염 물질을 저감시키는 것이 가능해지며, 높은 열효율로 인한 에너지 절감 효과도 얻을 수 있다. 그래서 오늘날 세계 각국에서는 친환경 선박으로 연료 전지 시스템을 이용하는 선박을 개발하는 데에 박차를 가하고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0049845호 (공개일: 2017.05.11.)
연료 전지 시스템을 전력원으로 이용하는 선박의 경우, 비상시 전력원으로 이용하기 위해, 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 전기로 충전될 수 있는 배터리 시스템을 구비하여, 하이브리드 선박으로 구축될 수 있다.
하이브리드 선박에서는 여분의 전력을 배터리 시스템에 저장할 수 있다. 그런데 배터리 시스템의 SOC(State Of Charge)가 100%인 경우, 여분의 전력을 더이상 배터리 시스템에 저장할 수가 없다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 여분의 전력으로 수소를 생산하여 저장하는 하이브리드 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 선박의 일 면(aspect)은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지, 및 상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리를 구비하며, 선내에 구비되는 부하 장비로 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 공급하는 전력부; 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 상기 부하 장비로 전달하는 배전부; 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부; 상기 제1 전력 중에서 잉여의 전력을 이용하여 수소를 생산하며, 상기 수소를 수소 저장 탱크에 저장하는 수전해 장치; 및 상기 수소를 상기 선박에 탑재된 차량에 연료로 공급하는 연료 생성 장치를 포함하며, 상기 부하 장비는 상기 전력부를 제어하는 제어 장비를 구비하고, 전력 전달 방해 요인에 의해 상기 제어 장비로 전력 공급이 중단되는 경우 상기 배전부는 상기 전력부를 제어하는 이중화 장비로 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 공급한다.
상기 수전해 장치는 상기 잉여의 전력으로 상기 배터리를 충전할 수 없을 때 상기 잉여의 전력을 이용하여 상기 수소를 생산할 수 있다.
상기 선박은 차량을 운반하는 선박일 수 있다.
상기 연료 생성 장치는, 상기 수소를 가압하는 압축기; 가압된 상기 수소를 냉각시키는 쿨러; 및 냉각된 상기 수소를 상기 차량에 연료로 주입시키는 디스펜서를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지는 상기 수소를 이용하여 상기 제1 전력을 생산할 수 있다.
상기 전력 전달 방해 요인은 상기 배전부의 내부에서 발생된 단락 또는 지락을 포함하며, 상기 제어 장비는 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 에너지 관리 시스템(Energy Management System) 및 전력 관리 시스템(Power Management System) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 3은 하이브리드 선박에 구비되는 전력부의 다른 실시 형태를 보여주는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제1 예시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제2 예시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제3 예시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8은 하이브리드 선박에 구비되는 연료 생성 장치의 역할을 설명하기 위한 참고도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성요소들과 다른 소자 또는 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
본 실시예에서 하이브리드 선박(hybrid ship; 10)은 복수개의 발전 시스템을 전력원으로 이용하는 선박을 말한다. 일례로 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 전력원으로 이용할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템(fuel cell system)과 배터리 시스템(battery system) 외에 태양광 시스템을 전력원으로 더 이용하는 것도 가능하다.
도 1에 따르면, 하이브리드 선박(10)은 선체(100), 연료 탱크(200), 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500), 부하 장비(600), 이중화 장비(700) 및 제어부(800)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료 탱크(200)는 선체(100)의 내부에 구비되어 선체(100)에 추진력을 공급하는 데에 이용되는 연료를 저장하는 역할을 한다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스(LNG))일 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 기체 연료(예를 들어, 수소)인 것도 가능하다.
연료 탱크(200)는 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있다. 연료 탱크(200)가 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비되는 경우, 몇몇은 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스)를 저장할 수 있으며, 몇몇은 기체 연료(예를 들어, 수소)를 저장할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
전력부(300)는 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전력을 공급하는 역할을 한다. 전력부(300)는 이를 위해 전력을 생산하거나 저장할 수 있으며, 생산 또는 저장된 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다.
전력부(300)는 본 실시예에서 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스(BOG; Boil Off Gas)를 이용하여 제1 전력을 생산할 수 있으며, 이 제1 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 전지 시스템은 연료 탱크(200) 또는 별도의 탱크(예를 들어, 수소 저장 탱크(342))에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다. 수소 저장 탱크(342)에 대해서는 후술한다.
배터리 시스템은 제2 전력을 저장하며, 이 제2 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 배터리 시스템은 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 제2 전력을 저장할 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로 배터리 시스템은 태양광 패널(미도시)에 의해 생산되는 전력을 제2 전력으로 저장하는 것도 가능하다.
배전부(400)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전달하는 역할을 한다. 배전부(400)는 이를 위해 배선, 스위치(switch), 컨버터(converter) 등을 포함할 수 있다.
추진부(500)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력으로 추진력을 발생시키는 역할을 한다. 선체(100)는 이러한 추진부(500)의 추진력으로 해상에서 항해하는 것이 가능해진다.
부하 장비(600)는 평상시 선내 유지를 위한 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 부하 장비(600)는 콘센트 형태의 것을 포함하는 장치로 구현될 수 있다. 상기에서 선내 유지를 위한 각종 장비는 선박 운항에 필요한 장비로서, 배수 설비용 펌프, 연료 공급용 펌프, 블로워(blower), 공조 장치, 전등, GPS 수신기, 레이더 장치, 선박 자동 식별 장치, 자기 나침반, 무선 설비, 선박 위치 발신 장치 등이 이에 해당될 수 있다.
부하 장비(600)는 직류 전원, 교류 전원 등을 장비에 공급하여 선내 유지가 이루어지도록 할 수 있다. 이때 부하 장비(600)는 직류 전원으로 12V DC, 24V DC 등을 장비에 공급할 수 있으며, 교류 전원으로 220V AC 등을 장비에 공급할 수 있다.
부하 장비(600)는 전력부(300)를 제어하기 위한 제어 장비(미도시)를 포함할 수 있다. 부하 장비(600)는 제어 장비로 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 에너지 관리 시스템(Energy Management System), 전력 관리 시스템(Power Management System) 등을 포함할 수 있다.
이중화 장비(700)는 비상시 선내 유지를 위한 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것이다. 배전부(400)의 내부에 단락, 지락 등 전력 전달 방해 요인이 발생하면, 배전부(400)가 정상적으로 동작하지 않을 수 있으며, 이로 인해 전력부(300)에 의해 공급되는 전력이 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 올바르게 전달되지 못할 수 있다. 전력이 정상적으로 공급되지 못하여 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등이 올바르게 동작하지 못하는 경우, 항해 및 선내 유지가 정상적으로 이루어지지 못할 수 있다. 이중화 장비(700)는 이러한 경우 선내 유지를 위해 동작하는 필수 장비인 것으로 이해될 수 있다.
이중화 장비(700)는 전력 전달 방해 요인에 의해 부하 장비(600)가 정상적으로 작동하지 않는 경우, 부하 장비(600)를 대신하여 직류 전원, 교류 전원 등을 장비에 공급하여 선내 유지가 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 이중화 장비(700)에 의하여 전력부(300)가 제어됨에 따라 배전부(400)의 배선 상에 문제가 발생하더라도 전력부(300)의 제어가 지속되고, 선내 유지가 수행될 수 있게 된다.
이중화 장비(700)의 동작을 위하여 전력 전달 방해 요인 발생시 배전부(400)는 이중화 장비(700)로 전력부(300)의 전력이 공급되도록 할 수 있다. 즉, 배전부(400)는 전력부(300)의 전력이 이중화 장비(700)로 전달되도록 전력 전달 경로를 형성할 수 있는 것이다.
한편 이중화 장비(700)는 부하 장비(600)가 정상적으로 작동하지 않는 경우 선내 유지를 위해 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것도 가능하다.
한편 이중화 장비(700)는 부하 장비(600)와 마찬가지로 제어 장비를 포함할 수 있다.
제어부(800)는 전력 전달 방해 요인을 감지하고, 전력부(300) 및 배전부(400)에 구비되는 스위치를 제어하는 역할을 한다. 전력 전달 방해 요인이 감지된 경우, 제어부(800)는 전력부(300) 및 배전부(400)에 구비된 스위치를 제어하여 전력이 이중화 장비(700)로 전달되도록 할 수 있다.
제어부(800)는 부하 장비(600)와 이중화 장비(700)에 각각 포함될 수 있으며, 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)와 별도로 구비되는 것도 가능하다. 제어부(800)는 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)와 별도로 구비되는 경우, 전력부(300)를 통하여 전력을 공급받거나 별도의 전력을 공급받을 수도 있다.
이하, 도 2를 통하여 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500), 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)의 세부 구성을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 2에 따르면, 전력부(300)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322), 제1 DC/DC 컨버터(331), 제2 DC/DC 컨버터(332), 제3 DC/DC 컨버터(333) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2의 예시에서는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등 두 개의 배터리 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 배터리 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
마찬가지로, 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등 두 개의 연료 전지 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 연료 전지 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 제2 전력을 저장하고, 저장된 제2 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 한다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)의 제2 전력은 각각 제1 DC/DC 컨버터(331) 및 제3 DC/DC 컨버터(333)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)로부터 공급된 제1 전력을 이용하여 충전될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 별도의 경로(예를 들어, 태양광 패널)를 통하여 공급되는 전력을 이용하여 충전되는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스로 제1 전력을 생산할 수 있으며, 생산된 제1 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 할 수 있다. 앞서 설명한 바 있지만, 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 연료 탱크(200) 또는 수소 저장 탱크(342)에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)의 제1 전력은 제2 DC/DC 컨버터(332) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
배전부(400)는 배전반(DC main SWBD; 410), 제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)를 포함할 수 있다.
배전반(410)은 전력부(300)의 전력이 유입되면 이를 추진부(500)와 부하 장비(600)로 공급하는 역할을 한다. 배전반(410)은 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있으며, 스위치를 통해 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)는 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 제1 DC/AC 컨버터(421)는 평상시 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있으며, 제2 DC/AC 컨버터(422)는 비상시 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)는 제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)로부터 각각 공급되는 교류 전력을 자신에 맞게 변환하여 이용할 수 있다.
배전부(400)에는 배전반(410)의 배전 스위치(411)를 중심으로 양측에 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)가 구비될 수 있는데, 제4 스위치(SW4)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급될 수 있으며, 제5 스위치(SW5)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급되는 것도 가능하다.
제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5)는 인터로크(interlock) 관계를 형성한다. 따라서 제4 스위치(SW4)가 닫힘 상태(closed)가 되면, 제5 스위치(SW5)는 열림 상태(open)가 된다. 반대로 제4 스위치(SW4)가 열림 상태가 되면, 제5 스위치(SW5)는 닫힘 상태가 된다.
추진부(500)는 두 개의 추진 모터(AC motor; 510, 520)와 두 개의 DC/AC 컨버터(511, 521)를 포함할 수 있다. 추진부(500)에 구비되는 추진 모터와 DC/AC 컨버터의 개수는 한 개이거나 세 개 이상인 것도 가능하다.
제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)는 배전반(410)을 통해 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 그리고 추진 모터(510, 520)는 제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)로부터 공급되는 교류 전력을 이용하여 추진력을 발생시키는 역할을 한다.
부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)는 선내 유지를 위한 동작을 수행할 수 있다. 선내에는 서로 다른 전력을 이용하는 다양한 장비가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620) 및 제3 부하 장비(630)는 각각 직류 12V(12V DC), 직류 24V(24V DC) 및 교류 220V(220V AC)를 이용하는 장비일 수 있고, 이와 마찬가지로 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 각각 직류 12V, 직류 24V 및 교류 220V를 이용하는 장비일 수 있다. 배전부(400)로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위해, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620), 제1 이중화 장비(710) 및 제2 이중화 장비(720)에는 AC/DC 컨버터(611, 621, 711, 721)가 연결될 수 있다.
한편 도 2에서 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등과 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등과 연결되는 것도 가능하다.
한편 전력부(300)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)의 경우와 같이 인터로크 관계를 형성하여, 열림 및 닫힘이 교차하여 수행될 수 있다. 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 제어부(800)에 의하여 제어될 수 있다.
이상 도 1 및 도 2에서는 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 발전 계통으로 이용하는 하이브리드 선박(10)에 대하여 설명하였다.
하이브리드 선박(10)은 여분의 전력을 배터리 시스템에 저장할 수 있다. 그런데 배터리 시스템의 SOC(State Of Charge)가 100%이면, 여분의 전력을 더이상 배터리 시스템에 저장할 수가 없다.
본 실시예에서 하이브리드 선박(10)은 수전해 장치를 이용하여 여분의 전력으로 수소를 생산하여 저장할 수 있다. 이하에서는 이에 대해 자세하게 설명한다.
도 3은 하이브리드 선박에 구비되는 전력부의 다른 실시 형태를 보여주는 개념도이다.
도 3에 따르면, 전력부(300)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322), 제1 DC/DC 컨버터(331), 제2 DC/DC 컨버터(332), 제3 DC/DC 컨버터(333), 제4 DC/DC 컨버터(334), 수전해 장치(341), 수소 저장 탱크(342) 및 제5 DC/DC 컨버터(335)를 포함하여 구성될 수 있다.
수전해 장치(341)는 전력을 이용하여 고온에서 메탄과 물을 반응시켜 수소를 생산한 후(CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g), CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)), 이 수소를 수소 저장 탱크(342)에 저장하는 기능을 수행한다. 수전해 장치(341)는 탄소와 물을 반응시켜 수소를 생산한 후(C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)), 이 수소를 수소 저장 탱크(342)에 저장할 수 있으며, 전력을 이용하여 물을 전기 분해하여 수소를 생산한 후, 이 수소를 수소 저장 탱크(342)에 저장하는 것도 가능하다. 수전해 장치(341)는 수전해 기능을 가지는 연료 전지로 구현될 수 있다.
수전해 장치(341)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등에 여분의 전력(잉여 전력)을 저장할 수 없을 때, 이 잉여 전력을 이용하여 수소를 생산할 수 있다. 일례로 수전해 장치(341)는 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)의 SOC가 100%이거나, 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)가 정상적으로 작동하지 않을 때, 잉여 전력을 이용하여 수소를 생산할 수 있다.
수전해 장치(341)는 고분자 전해질(PEM; Polymer Electrolyte Membrance) 수전해 방식을 이용하여 수소를 생산할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 수전해 장치(341)는 알칼리 수전해 방식을 이용하여 수소를 생산하는 것도 가능하다.
하이브리드 선박(10)이 수전해 장치(341)를 구비하는 경우, 제1 연료 전지(321)와 제2 연료 전지(322) 중 적어도 하나의 연료 전지는 수소를 연료로 하여 공기 중의 산소와 반응시켜 전기 에너지, 열 에너지 등을 생산하는 기능을 수행할 수 있다. 제1 연료 전지(321)와 제2 연료 전지(322) 중에서 상기의 기능을 수행하는 연료 전지는 수소 연료 전지(hydrogen fuel cell)로 구현될 수 있다.
한편 제1 연료 전지(321)와 제2 연료 전지(322) 모두 상기의 기능을 수행하지 않는 경우, 하이브리드 선박(10)은 상기의 기능을 수행하는 연료 전지를 추가로 구비할 수 있다.
수소 저장 탱크(342)는 수전해 장치(341)에 의해 생산되는 수소를 저장하는 것이다. 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등이 수소 연료 전지로 구현되는 경우, 수소 저장 탱크(342)는 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등과 연결되어 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등으로 수소를 연료로 공급할 수 있다.
수소 저장 탱크(342)는 비상시(예를 들어, 하이브리드 선박(10)에서 이용할 전력이 부족한 경우) 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등에 수소를 연료로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 수소 저장 탱크(342)는 평상시 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등에 수소를 연료로 공급하는 것도 가능하다.
제5 DC/DC 컨버터(335)는 제2 연료 전지(322)로부터 전달되는 잉여의 전력을 변환하여 수전해 장치(341)로 전달하는 기능을 수행한다. 수전해 장치(341)는 제5 DC/DC 컨버터(335)를 거친 전력으로 수소를 생산하여 수소 저장 탱크(342)에 저장할 수 있다.
한편 제5 DC/DC 컨버터(335)는 제1 연료 전지(321)로부터 전달되는 잉여의 전력을 변환하여 수전해 장치(341)로 전달하는 것도 가능하다.
제6 스위치(SW6)는 제2 연료 전지(322)와 제4 DC/DC 컨버터(334)를 연결하는 배선 상에 구비되는 스위치이다.
제7 스위치(SW7)는 제2 연료 전지(322)와 제1 배터리(311)를 연결하는 배선 상에 구비되는 스위치이다.
제8 스위치(SW8)는 제2 연료 전지(321)와 제2 배터리(312)를 연결하는 배선 상에 구비되는 스위치이다.
제9 스위치(SW9)는 제2 연료 전지(321)와 제5 DC/DC 컨버터(335)를 연결하는 배선 상에 구비되는 스위치이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제1 예시도이며, 도 5는 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제2 예시도이다. 그리고 도 6은 도 3에 도시된 전력부의 작동 과정을 설명하기 위한 제3 예시도이다. 이하 설명은 도 4 내지 도 6을 참조한다.
추진부(500), 부하 장비(600), 이중화 장비(700) 등에 전력을 공급하기 위해 제1 연료 전지(321)와 제2 연료 전지(322) 모두 전력을 생산해야 하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 제6 스위치(SW6)는 닫힘 설정되고, 제7 스위치(SW7), 제8 스위치(SW8), 제9 스위치(SW9) 등은 열림 설정될 수 있다. 그러면 제2 연료 전지(322)는 제1 연료 전지(321)와 마찬가지로 전력을 생산하여 추진부(500), 부하 장비(600), 이중화 장비(700) 등으로 전력을 공급하는 것이 가능해진다.
추진부(500), 부하 장비(600), 이중화 장비(700) 등에 전력을 공급하기 위해 제1 연료 전지(321)만 전력을 생산해도 되는 경우, 제2 연료 전지(322)에 의해 생산되는 전력은 잉여의 전력이 될 수 있다. 이 경우 도 5에 도시된 바와 같이 제7 스위치(SW7), 제8 스위치(SW8) 등은 닫힘 설정되고, 제6 스위치(SW6), 제9 스위치(SW9) 등은 열림 설정될 수 있다. 그러면 제2 연료 전지(322)는 전력을 생산하여 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등을 충전하는 것이 가능해진다.
제2 연료 전지(322)는 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)를 동시에 충전할 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 연료 전지(322)는 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)를 순차적으로 충전하거나, 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312) 중 어느 하나의 배터리만 충전하는 것도 가능하다.
제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)의 SOC가 100%이면, 제2 연료 전지(322)에 의해 생산되는 잉여의 전력으로 제1 배터리(311)와 제2 배터리(312)를 충전하는 것이 불가능해진다. 이 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 제9 스위치(SW9)가 닫힘 설정되고, 제6 스위치(SW6), 제7 스위치(SW7), 제8 스위치(SW8) 등이 열림 설정될 수 있다. 그러면 수전해 장치(341)는 제2 연료 전지(322)에 의해 생산되는 잉여의 전력으로 수소를 생산하여 수소 저장 탱크(342)에 저장하는 것이 가능해진다.
한편 전력부(300)는 제1 연료 전지(321)와 제2 연료 전지(322) 외에 태양광 패널(미도시)을 더 포함하는 것도 가능하다. 전력부(300)가 태양광 패널을 포함하는 경우, 수전해 장치(341)는 태양광 패널에 의해 생산되는 전력으로 수소를 생산하여 수소 저장 탱크(342)에 저장할 수 있다.
한편 본 실시예에서 하이브리드 선박(10)은 카페리(car ferry) 등과 같이 차량을 운반하는 선박으로 구현될 수 있다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이며, 도 9는 하이브리드 선박에 구비되는 연료 생성 장치의 역할을 설명하기 위한 참고도이다. 이하 설명은 도 8 및 도 9를 참조한다.
연료 생성 장치(900)는 수소 저장 탱크(342)에 저장된 수소를 처리하여 하이브리드 선박(10)에 탑재된 차량(940)에 연료로 공급하는 기능을 수행한다. 상기에서 연료 생성 장치(900)에 의해 연료를 공급받는 차량(940)은 연료 전지(예를 들어, 수소 연료 전지)를 이용하여 주행하는 차량을 의미한다.
연료 생성 장치(900)는 수소 저장 탱크(342)에 저장된 수소를 차량(940)에 연료로 공급하기 위해, 온보드(onboard) 수소 충전소로 구현될 수 있다. 이 경우 연료 생성 장치(900)는 도 9에 도시된 바와 같이 압축기(910), 쿨러(cooler; 920), 디스펜서(dispenser; 930) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
압축기(910)는 수소 저장 탱크(342)로부터 공급받은 수소를 가압하는 기능을 수행한다.
쿨러(920)는 압축기(910)에 의해 가압된 수소를 냉각시키는 기능을 수행한다.
디스펜서(930)는 쿨러(920)에 의해 냉각된 수소를 차량(940)의 연료 탱크로 유입시키는 기능을 수행한다.
한편 본 실시예에서 전력부(300)는 차량(940)의 연료 탱크에 저장되어 있는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 것도 가능하다. 전력부(300)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등을 모두 가동하더라도 전력이 부족한 경우, 차량(940)의 연료 탱크에 저장되어 있는 수소를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 하이브리드 선박 100: 선체
200: 연료 탱크 300: 전력부
311, 312: 배터리 321, 322: 연료 전지
331, 332, 333, 334, 335: DC/DC 컨버터 341: 수전해 장치
342: 수소 저장 탱크 400: 배전부
410: 배전반 421, 422: DC/AC 컨버터
500: 추진부 510, 520: 추진 모터
600: 부하 장비 700: 이중화 장비
611, 621, 711, 721: AC/DC 컨버터 800: 제어부
900: 연료 생성 장치 910: 압축기
920: 쿨러 930: 디스펜서
940: 차량

Claims (6)

  1. 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지, 및 상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리를 구비하며, 선내에 구비되는 부하 장비로 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 공급하는 전력부;
    상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 상기 부하 장비로 전달하는 배전부;
    상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부;
    상기 제1 전력 중에서 잉여의 전력을 이용하여 수소를 생산하며, 상기 수소를 수소 저장 탱크에 저장하는 수전해 장치; 및
    상기 수소를 상기 선박에 탑재된 차량에 연료로 공급하는 연료 생성 장치를 포함하며,
    상기 부하 장비는 상기 전력부를 제어하는 제어 장비를 구비하고,
    전력 전달 방해 요인에 의해 상기 제어 장비로 전력 공급이 중단되는 경우 상기 배전부는 비상시 상기 전력부를 제어하는 이중화 장비로 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 공급하고,
    상기 부하 장비는 상기 배전부의 배전반을 통해 상기 전력부에 연결되되, 상기 전력부와 상기 배전반을 연결하는 배선 상에는 제1 컨버터가 설치되고, 상기 배전반과 상기 부하 장비를 연결하는 배선 상에는 상기 제1 컨버터와 변환 방법이 다른 제2 컨버터가 설치되며,
    상기 이중화 장비는 상기 배전반을 통하지 않고 상기 전력부에 연결되되, 상기 전력부와 상기 이중화 장비를 연결하는 배선 상에는 상기 제2 컨버터가 설치되는 하이브리드 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수전해 장치는 상기 잉여의 전력으로 상기 배터리를 충전할 수 없을 때 상기 잉여의 전력을 이용하여 상기 수소를 생산하는 하이브리드 선박.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 선박은 차량을 운반하는 선박인 하이브리드 선박.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 생성 장치는,
    상기 수소를 가압하는 압축기;
    가압된 상기 수소를 냉각시키는 쿨러; 및
    냉각된 상기 수소를 상기 차량에 연료로 주입시키는 디스펜서를 포함하는 하이브리드 선박.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지는 상기 수소를 이용하여 상기 제1 전력을 생산하는 하이브리드 선박.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 전달 방해 요인은 상기 배전부의 내부에서 발생된 단락 또는 지락을 포함하며,
    상기 제어 장비는 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 에너지 관리 시스템(Energy Management System) 및 전력 관리 시스템(Power Management System) 중 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 선박.
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