KR102586782B1 - 연료전지 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

연료전지 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

Info

Publication number
KR102586782B1
KR102586782B1 KR1020210052668A KR20210052668A KR102586782B1 KR 102586782 B1 KR102586782 B1 KR 102586782B1 KR 1020210052668 A KR1020210052668 A KR 1020210052668A KR 20210052668 A KR20210052668 A KR 20210052668A KR 102586782 B1 KR102586782 B1 KR 102586782B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
fuel
air
supply unit
inert gas
Prior art date
Application number
KR1020210052668A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220145713A (ko
Inventor
김대희
이정일
윤병영
Original Assignee
에이치디한국조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이치디한국조선해양 주식회사 filed Critical 에이치디한국조선해양 주식회사
Priority to KR1020210052668A priority Critical patent/KR102586782B1/ko
Publication of KR20220145713A publication Critical patent/KR20220145713A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102586782B1 publication Critical patent/KR102586782B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H2021/003—Use of propulsion power plant or units on vessels the power plant using fuel cells for energy supply or accumulation, e.g. for buffering photovoltaic energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 수소를 포함하는 연료 및 공기를 이용하여 전기를 생산하는 것으로서, 연료극, 고체 전해질, 공기극 및 복수 개의 집전체를 포함하는 연료전지; 상기 집전체에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및 상기 연료전지에 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급부를 포함하며, 상기 복수 개의 집전체 중 적어도 하나는 금속으로 마련되어 전력이 공급됨에 따라 발열하는 것이다.

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 연구되고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 이러한 연료전지 중 하나로서 연료와 전해질의 선택폭이 넓으면서 우수한 운전 효율을 나타내는 장점이 있어 선박에 적용하기 위한 모듈화 연구가 이루어지고 있다. 그러나, 고체산화물 연료전지는 500 내지 1,000℃에 이르는 고온 조건에서 운전하기 때문에 연료전지 모듈 내부 또는 선박 내에 연료를 연소하는 버너 등 별도의 가열장치를 마련하여 연료전지 내부를 가열해주어야 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 내부의 집전체에 전력을 공급하여 발생하는 열로 연료전지 내부를 가열하여, 버너 등 별도의 가열장치를 생략할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지의 집전체에 전력을 공급함에 따른 산화를 방지하여 연료전지 효율 저감을 예방할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 시스템은, 수소를 포함하는 연료 및 공기를 이용하여 전기를 생산하는 것으로서, 연료극, 고체 전해질, 공기극 및 복수 개의 집전체를 포함하는 연료전지, 상기 집전체에 전력을 공급하는 전력 공급부, 및 상기 연료전지에 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급부를 포함하며, 상기 복수 개의 집전체 중 적어도 하나는 금속으로 마련되어 전력이 공급됨에 따라 발열하는 것이다.
구체적으로, 상기 연료전지 시스템은, 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 공급라인, 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 상기 공기극으로 공급하는 공기극 공급라인, 및 상기 연료극 공급라인 및 상기 공기극 공급라인 중 적어도 하나에 연결되어 불활성가스를 공급하는 불활성가스 주입라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수 개의 집전체는, 상기 연료극에 접하여 집전하는 금속 소재의 연료극 집전체, 및 상기 공기극에 접하여 집전하는 금속 또는 세라믹 소재의 공기극 집전체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 공기극 집전체는 세라믹으로 마련되며, 상기 불활성가스 주입라인은 상기 연료극 공급라인에 연결되는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지의 초기 구동시, 상기 전력 공급부를 구동하여 상기 집전체에 전력을 공급하고, 상기 불활성가스 공급부를 구동하여 상기 집전체에 불활성가스를 공급하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 내부의 온도가 미리 정해진 온도 이상이 되면, 상기 전력공급부와 상기 불활성가스 공급부의 구동을 중단하고, 상기 연료전지에 연료와 공기를 공급하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면은 전술한 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 포함하는 선박에 관한 것으로, 상기 전력 공급부는 상기 선박의 발전엔진일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 내부에 마련되는 집전체에 전력을 공급함에 따라 발생하는 열로 연료전지 내부를 가열하여, 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 선박 내부에 연료전지의 가열을 위한 수단의 설치를 생략할 수 있게 되어 공간 배치상의 이점을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 집전체에 전력 공급시 연료전지 내부에 불활성가스를 주입하여 집전체의 산화를 방지하여 연료전지의 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 반복단위를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 내부를 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, 연료전지에 공급하기 위한 연료는 수소일 수 있으며, 천연가스, 석탄가스, 석유가스, 에탄, 에탄올, 메탄올과 같이 수소를 포함하는 탄화수소와 같이 수소 원자를 포함하는 화합물, 혼합물이거나 암모니아 등을 포괄하여 의미할 수 있다. 나아가, 수소를 포함하는 화합물을 개질하여 수소 가스를 생성하는 데에 이용되는 스팀 또한 연료로 지칭한다.
이하에서, 전술한 것과 같은 연료와 연료전지에 공급하기 위한 공기는 유체로 지칭할 수 있다.
이하에서, 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 있는데, 본 발명에서 예시하는 연료전지는 500 내지 1000℃의 고온 조건에서 발전하는 것으로, 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 연료전지(10), 공기 공급부(20), 연료 공급부(30), 불활성가스 공급부(40), 제어부(50), 전력 공급부(60) 등을 포함한다.
연료전지(10)는 하우징(도시하지 않음) 내부에 후술할 연료전지 셀, 밀봉재, 집전체 등을 포함하는 연료전지 스택 반복단위를 포함할 수 있다. 도시하지 않았으나, 연료전지(10)는 내부에 공기 공급부(20)로부터 공급되는 공기와 연료 공급부(30)로부터 공급되는 연료 및 연료전지에서 배출되는 가스가 연통하기 위한 유로와 연료전지(10)에서 생산된 전기를 연료전지 시스템(1)의 외부로 전달하기 위한 전선을 더 포함할 수 있다.
연료전지(10)에는 공기 공급부(20)로부터 공급되는 공기를 연료전지 셀의 공기극에 전달하기 위한 공기극 유입구(11), 공기극에서 반응하거나 반응하지 않고 배출되는 공기를 연료전지(10) 외부로 배출시키기 위한 공기극 유출구(12), 연료 공급부(30)로부터 공급되는 연료를 연료전지 셀의 연료극에 전달하기 위한 연료극 유입구(13) 및 연료극에서 반응한 반응물과 반응하지 않고 배출되는 미반응 연료를 연료전지(10) 외부로 배출시키기 위한 연료극 유출구(14)를 포함할 수 있다. 공기극 유입구(11)는 공기극 공급라인(L1)을 통해 공기 공급부(20)에 연결되며, 공기극 유출구(12)는 공기극 배출라인(L2)에 연결될 수 있다. 연료극 유입구(13)는 연료극 공급라인(L3)을 통해 연료 공급부(30)에 연결되며, 연료극 유출구(14)는 연료극 배출라인(L4)에 연결될 수 있다.
공기 공급부(20)는 연료전지 시스템(1)의 외부로부터 공기를 연료전지(10)에 공급하기 위한 수단일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 공기 공급부(20)는 선박 내에 마련되는 산소 생성기일 수 있다. 공기 공급부(20)로부터 공급되는 공기는 공기극 공급라인(L1)을 따라 공기극 유입구(11)를 거쳐 연료전지(10) 내부로 공급될 수 있다. 공기극 공급라인(L1)에는 공기 공급부(20)로부터 공급되는 공기의 유량을 제어하기 위한 밸브가 마련될 수 있으며, 공기극 공급라인(L1)은 연료전지(10)에서 전력을 생산하는 경우에 한해 공기를 공급할 수 있다.
연료 공급부(30)는 선박 내에 마련되어, 선박에 저장된 연료를 연료전지(10)로 공급할 수 있다. 연료 공급부(30)로부터 공급되는 수소나 수소를 포함하는 연료는 연료극 공급라인(L3)을 따라 연료극 유입구(13)를 거쳐 연료전지(10) 내부로 공급될 수 있다. 연료극 공급라인(L3)에는 연료 공급부(30)로부터 공급되는 공기의 유량을 제어하기 위한 밸브가 마련될 수 있으며, 연료극 공급라인(L3)은 연료전지(10)에서 전력을 생산하는 경우에 한해 연료를 공급할 수 있다.
불활성가스 공급부(40)는 질소, 아르곤, 이산화탄소 등 폭발 위험이 낮고 반응성이 낮은 불활성가스를 생산, 저장하였다가 연료전지(10)로 공급할 수 있다. 예를 들어, 불활성가스 공급부(40)는 선박 내에 마련되는 불활성가스 생성기(IGG)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 불활성가스 공급부(40)는 불활성가스 주입라인(L5)을 통해 불활성가스를 연료전지(10) 내로 공급할 수 있다. 구체적으로, 불활성가스 주입라인(L5)은 공기극 공급라인(L1)과 연료극 공급라인(L3) 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 불활성가스 주입라인(L5)은 공기극 공급라인(L1)과 연료극 공급라인(L3)에서 각각 공기와 연료를 공급하지 않는 경우에, 불활성가스를 공기극 공급라인(L1)을 통해 공기극 유입구(11)로 공급하거나 연료극 공급라인(L3)을 통해 연료극 유입구(13)로 공급하거나 모든 유입구를 이용하여 공급하는 것일 수 있다.
도시하지 않았으나, 연료전지(10)의 내부에는 연료전지 스택의 온도를 감지하기 위한 온도 센서가 마련될 수 있으며, 연료전지(10)의 외부에는 연료전지 스택의 온도에 따라 연료전지(10)로 공급되는 공기, 연료 및 불활성가스의 유량을 제어하는 제어부(50)와 연료전지(10)에 전력을 공급하는 전력 공급부(60)가 마련될 수 있다.
제어부(50)는 연료전지(10)의 운전 여부, 연료전지(10) 내부 온도, 요구되는 발전량에 대한 정보를 수신하여, 연료전지(10)로 공급되는 공기, 연료 및 불활성가스의 유량과 전력 공급부(60)로부터 연료전지(10)에 공급되는 전력의 양을 제어할 수 있다.
전력 공급부(60)는 연료전지(10)로 전력을 공급하여 연료전지(10) 스택을 가열하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 선박의 전력 생산 및 저장 수단일 수 있다. 예를 들어, 전력 공급부(60)는 선박의 발전엔진이거나, 선박 내에 마련되는 에너지 저장부(도시하지 않음)일 수 있으며, 선박의 전력 계통에 연결되는 것일 수 있다. 전력 공급부(60)는 전력 공급라인(E)을 통해 연료전지(10)에 연결될 수 있다.
제어부(50)는 온도 센서에서 감지한 연료전지(10) 내부의 온도에 대한 정보를 수신하여, 연료전지(10) 스택의 온도가 미리 정해진 온도보다 낮으면 연료전지(10)를 운전하지 않고 연료전지(10) 내부를 가열할 수 있다. 예를 들어, 연료전지(10)가 고체산화물 연료전지인 경우, 연료전지(10)를 초기 구동하거나, 연료전지(10)의 스택의 온도가 500℃보다 낮아지면 제어부(50)는 공기 공급부(20)와 연료 공급부(30) 중 하나 이상의 구동을 중지하여 연료전지(10)의 구동을 중지할 수 있으며, 공기 공급부(20)로부터 공기극 공급라인(L1)으로 공급되는 공기의 유량, 연료 공급부(30)로부터 연료극 공급라인(L3)으로 공급되는 연료의 유량 중 적어도 하나의 유량을 감소시키거나 차단할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 전력 공급부(60)를 구동하여 전력 공급라인(E)을 통해 전력을 연료전지(10)에 공급할 수 있다.
전력 공급부(60)에서 연료전지(10)에 전력을 공급하는 경우, 전력 공급부(60)는 연료전지(10) 내부의 집전체, 집전판, 연결재 및 매니폴드 중 적어도 하나에 전력을 공급할 수 있다. 상기 집전체, 집전판, 연결재 및 매니폴드는 도전성이 있고, 고유의 저항에 의해 전류가 흐름에 따라 열이 발생하는 것으로 금속 소재 또는 세라믹 소재로 이루어진 것일 수 있다. 바람직하게는 전력 공급부(60)는 연료전지(10) 내부의 집전판에 전력을 공급하는 것일 수 있고, 집전판에 전류가 흐름에 따라 발생하는 열에 의해 연료전지(10) 내부가 가열되는 것일 수 있다.
이때, 전력 공급부(60)에 의해 전력을 공급받는 대상이 금속 소재로 이루어진 경우에는, 전류가 흐르고 발열함에 따라 금속의 적어도 일부가 산화되는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 집전체가 금속인 경우, 전력을 공급하여 열을 발생시킴에 따라 표면에 금속 산화물이 형성되어 축적될 수 있으며, 이는 집전체의 파손이나 뒤틀림을 유발하여 연료전지(10) 스택의 적층구조를 손상시킬 수 있다. 연료전지(10) 스택의 적층구조 손상시 연료전지(10)의 전력 생산 효율이 저하될 뿐만 아니라, 연료전지(10)의 하우징이 파손되거나, 연료전지(10) 스택에 마련되는 유체의 유로가 손상되는 경우 화재가 발생할 위험이 있다.
본 발명은 연료전지(10)에 전력 공급시, 연료전지(10) 내부로 불활성가스를 공급하여 연료전지(10)를 보호할 수 있다. 제어부(50)는 전력 공급부(60)를 통해 연료전지(10)에 전력을 공급하는 경우, 불활성가스 공급부(40)로부터 공급되는 불활성가스를 연료전지(10) 내부로 공급할 수 있다. 연료전지(10) 내부의 유로는 공기와 연료 대신 불활성가스로 충전되어 화학적 반응성이 낮은 분위기가 조성될 수 있으며, 이러한 분위기 하에서는 전력 공급에 따라 열이 발생하더라도 금속 소재가 산화되는 것을 방지할 수 있게 된다.
제어부(50)는 연료전지(10) 스택의 온도가 미리 정해진 온도 이상이 되면 불활성가스 공급부(40)와 전력 공급부(60)의 구동을 중단하고, 공기 공급부(20)와 연료 공급부(30)를 구동하여 연료전지(10)에 공기와 연료를 공급하여 연료전지(10)를 운전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 반복단위, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 내부를 각각 나타낸 개념도이며, 도 2 및 3을 참조하여 연료전지 시스템(1)의 구동을 부연한다.
연료전지(10)의 내부에는 복수 개의 연료전지 스택이 배치될 수 있다. 예를 들어 연료전지(10)는 평판형 고체산화물 연료전지일 수 있으며, 복수개의 연료전지 스택 반복단위가 적층된 구조를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하여 연료전지 스택 반복단위(100)를 설명한다. 연료전지 스택 반복단위(100)는 연료전지 셀(110)을 기준으로 연료전지 셀(110)의 양면에 적층되는 집전체(120, 140), 밀봉재(130, 150)를 포함하고, 집전판(160)과 연결재(170) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도시하지 않았으나, 연료전지 셀(110)은 연료극, 고체 전해질과 공기극을 포함할 수 있다. 연료극은 음극 또는 연료의 산화가 일어나는 산화전극일 수 있다. 예를 들어, 연료극으로 공급되는 수소는 산화되어 수소 이온이 될 수 있고, 전해질을 통해 공급되는 산소 이온과 반응하여 물이 생성될 수 있다. 생성되는 물과 반응하지 않은 연료 또는 수소는 연료극 배출라인(L4)을 통해 배출될 수 있다. 공기극은 양극 또는 공기 중의 산소의 환원이 일어나는 환원전극일 수 있다. 반응하지 않은 산소와 공기는 공기극 배출라인(L2)을 통해 배출될 수 있다.
집전체(120, 140)는 연료전지 셀(110)의 전극과 접하여 전지를 연료전지(10)의 외부로 전달하기 위한 것으로, 연료전지 스택 반복단위(100)의 구조적 안정성을 제공할 수도 있다. 따라서, 집전체(120, 140)는 복수 개로 마련될 수 있으며, 연료전지 셀(110)의 연료극에 접하여 집전하는 연료극 집전체(120)와 공기극에 접하여 집전하는 공기극 집전체(140)를 포함할 수 있다.
집전체(120, 140)는 연료전지 셀(110)의 양면에 적층되되, 연료전지 셀(110)의 일단면보다 작은 면적을 갖는 것일 수 있다. 집전체(120, 140)는 연료전지 셀(110)보다 단면의 크기가 작은 것으로, 연료전지 셀(110)의 양면의 중앙에 배치되는 것일 수 있으며, 집전체(120, 140)에 의해 덮이지 않는 부분에는 밀봉재(130, 150)가 배치될 수 있다.
밀봉재(130, 150)는 연료전지 스택 반복단위(100)의 구성요소 사이를 밀봉시켜, 구성요소들에 포함된 알칼리 산화물 등의 원치 않는 반응이 이루어지는 것을 방지할 수 있다. 밀봉재(130, 150) 또한 복수 개로 마련될 수 있으며, 연료전지 셀(110)의 연료극에 접하는 연료극 밀봉재(130)와 공기극에 접하는 공기극 밀봉재(150)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 밀봉재(130, 150)는 대응하는 집전체(120, 140)와 함께 연료전지 셀(110)의 일면을 완전히 덮을 수 있고, 대응하는 집전체(120, 140)와 동일한 두께를 가질 수 있다.
집전판(160)과 연결재(170)는 집전체(120, 140)와 밀봉재(130, 150)를 덮도록 배치될 수 있다. 연료전지(10) 내에서 가장 외곽의 연료전지 스택 반복단위(100)에는 집전판(160)이 마련되어 집전체(120)에 모이는 전자를 연료전지(10) 외부로 전달할 수 있다. 인접하는 연료전지 스택 반복단위 사이에는 연결재(170)가 마련되어 인접하는 연료전지 셀(110)의 서로 상이한 전극을 물리적으로 분리할 수 있다. 도시하지 않았으나, 집전판(160)과 연결재(170)에는 공기와 연료가 서로 접촉하지 않고 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 집전판(160)과 연결재(170)는 도전성이 있는 것을 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전술한 전력 공급라인(E)은 복수 개의 집전체(120, 140) 중 적어도 하나에 연결될 수 있으며, 이를 제1 전력 공급라인(E1)으로 지칭한다. 제1 전력 공급라인(E1)은 하나 이상의 집전체(120, 140)에 연결되어 전력 공급부(60)로부터 공급되는 전력을 전달하되, 밀봉재(130, 150)의 밀봉 성능에는 영향을 주지 않도록 배치될 수 있다. 제1 전력 공급라인(E1)은 집전체(120, 140)에 직접 전력을 공급하는 것으로 하나의 집전체에 복수 개가 연결되어 전류가 흐르도록 구성될 수도 있다.
연료극 집전체(120)와 공기극 집전체(140)는 모두 금속 소재로 마련되어, 전류가 흐름에 따라 열을 발생시키되 산화의 위험이 있을 수 있다. 제어부(50)는 불활성가스를 연료전지 스택 반복단위(100)에 공급할 수 있으며, 불활성가스는 연료전지 스택 반복단위(100) 내부의 유체 유로를 따라 집전체(120, 140)로 공급되어, 집전체(120, 140)의 산화를 방지할 수 있다. 또는, 공기극 집전체(140)는 세라믹 소재로 마련되어, 전류가 흐르더라도 산화되지 않는 것일 수 있는데, 제어부(50)는 불활성가스를 연료극 공급라인(L3)으로만 공급하여 연료극 집전체(120)의 산화를 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 연료전지(10) 내부에는 복수 개의 연료전지 스택 반복단위(100, 200, 300)가 적층되도록 배치될 수 있다. 최외곽에 위치하는 연료전지 스택 반복단위(100, 300)에는 매니폴드(410, 420)가 추가로 배치되어, 공기와 연료를 연통시키면서 전체 반복단위 적층구조를 안정적으로 지지할 수 있다. 매니폴드(410, 420)는 도전성이 있는 것을 사용할 수 있다.
전술한 전력 공급라인(E)은 복수 개의 집전판(160), 연결재(170) 중 적어도 하나에 연결될 수 있으며, 이를 제2 전력 공급라인(E2)으로 지칭한다. 또한, 전력 공급라인(E)은 복수 개의 매니폴드(410, 420) 중 적어도 하나에 연결될 수 있으며, 이를 제3 전력 공급라인(E2)으로 지칭한다. 연료전지 시스템(1)은 제1 내지 제3 전력 공급라인(E)의 조합을 이용하여 가열되는 것일 수 있으나, 제1 전력 공급라인(E)을 통해 집전체(120, 140)에 전력을 공급하는 것이 가장 효율적일 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은 전력 공급라인(E)만을 이용하여 연료전지(10)의 운전에 필요한 온도를 확보할 수 있게 하였는 바, 종래 연료를 연소하여 열을 발생시키기 위한 버너나, 가열판 및 열 에너지를 전달하기 위한 열매를 연료전지 내부로 공급하기 위한 유로와 같은 부가적인 구성을 생략하여 연료전지 시스템(1)과 선박 내부에 대한 공간상의 이점을 제공함과 동시에, 연료전지(10)의 구성요소에 직접 전력을 공급함에 따른 산화를 방지하여 연료전지(10)의 효율이 저하되지 않도록 하였다. 특히, 연료전지 시스템(1)은 미반응 연료 등 연료전지(10) 자체의 폐열도 이용할 수 없는 초기 구동 단계에서 보다 유용하게 사용될 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.
1: 연료전지 시스템
10: 연료전지 11: 공기극 유입구
12: 공기극 유출구 13: 연료극 유입구
14: 연료극 유출구 20: 공기 공급부
30: 연료 공급부 40: 불활성가스 공급부
50: 제어부 60: 전력 공급부
100, 200, 300: 연료전지 스택 반복단위
110: 연료전지 셀 120: 연료극 집전체
130: 연료극 밀봉재 140: 공기극 집전체
150: 공기극 밀봉재 160: 집전판
170: 연결재 410, 420: 매니폴드
E: 전력 공급라인 L1: 공기극 공급라인
L2: 공기극 배출라인 L3: 연료극 공급라인
L4: 연료극 배출라인 L5: 불활성가스 주입라인

Claims (7)

  1. 수소를 포함하는 연료 및 공기를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템으로서,
    연료극, 고체 전해질, 공기극 및 복수 개의 집전체를 포함하는 연료전지;
    상기 집전체에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
    상기 연료전지에 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급부를 포함하며,
    상기 복수 개의 집전체 중 적어도 하나는 금속으로 마련되어 전력이 공급됨에 따라 발열하고,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 연료전지의 초기 구동시, 상기 전력 공급부를 구동하여 상기 집전체에 전력을 공급하고, 상기 불활성가스 공급부를 구동하여 상기 집전체에 불활성가스를 공급하는 것인, 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료 공급부로부터 공급되는 연료를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 공급라인;
    공기 공급부로부터 공급되는 공기를 상기 공기극으로 공급하는 공기극 공급라인; 및
    상기 연료극 공급라인 및 상기 공기극 공급라인 중 적어도 하나에 연결되어 불활성가스를 공급하는 불활성가스 주입라인을 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 집전체는,
    상기 연료극에 접하여 집전하는 금속 소재의 연료극 집전체; 및
    상기 공기극에 접하여 집전하는 금속 또는 세라믹 소재의 공기극 집전체를 포함하는 것인, 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공기극 집전체는 세라믹으로 마련되며,
    상기 불활성가스 주입라인은 상기 연료극 공급라인에 연결되는 것인, 연료전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 내부의 온도가 미리 정해진 온도 이상이 되면, 상기 전력공급부와 상기 불활성가스 공급부의 구동을 중단하고, 상기 연료전지에 연료와 공기를 공급하는 제어부를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 포함하는 선박으로서,
    상기 전력 공급부는 상기 선박의 발전엔진인, 선박.
  7. 삭제
KR1020210052668A 2021-04-22 2021-04-22 연료전지 및 이를 포함하는 선박 KR102586782B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210052668A KR102586782B1 (ko) 2021-04-22 2021-04-22 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210052668A KR102586782B1 (ko) 2021-04-22 2021-04-22 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220145713A KR20220145713A (ko) 2022-10-31
KR102586782B1 true KR102586782B1 (ko) 2023-10-11

Family

ID=83802893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210052668A KR102586782B1 (ko) 2021-04-22 2021-04-22 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102586782B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014232709A (ja) * 2013-05-30 2014-12-11 京セラ株式会社 燃料電池装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101693338B1 (ko) * 2014-07-30 2017-01-06 한국과학기술원 전지용 복합 엔드플레이트 구조물

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014232709A (ja) * 2013-05-30 2014-12-11 京セラ株式会社 燃料電池装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220145713A (ko) 2022-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102271155B1 (ko) 선박
KR102474938B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20180075296A (ko) 선박
KR20220058273A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102586782B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102424868B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102535403B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102121288B1 (ko) 선박
KR20220058801A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058800A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20130077157A (ko) 연료전지탑재 선박의 연료저장탱크 배치구조
KR102424861B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058271A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058272A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102190938B1 (ko) 선박

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant