KR20110048214A - The electric power generator with both fuel-cell and gas fuel engine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 추진 및 선박내의 소요 전력을 생산하기 위하여 기체연료를 사용하는 내연기관을 이용한 발전과 연료전지를 이용한 발전이 혼용 사용되며, 이들에게서 생산된 전력량 중 선박에서의 요구 전력을 제외한 잉여 전력을 이용한 전기분해를 통하여 연료전지의 추가 연료를 확보할 수 있는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 관한 것이다.The present invention relates to a ship power generation equipment using a fuel cell and a gas internal combustion engine, and more particularly, to a power generation and a fuel cell using an internal combustion engine using gaseous fuel to produce a propulsion of the ship and the power required in the ship. Power generation is used in a mixed manner, and the amount of power generated from these is used in ship power generation equipment that uses fuel cell and gas internal combustion engine that can secure additional fuel of fuel cell through electrolysis using surplus power except power required in ship. It is about.
환경에 의존하는 전통적인 동력원에 관해, 발전의 대체 수단에 대한 조사가 매우 중요해지고 있다. 특히, 연소에 기초한 에너지 시스템에서 관련된 환경적 및 정치적 문제를 무시할 수 없다. 이러한 형태의 동력원과 발전 방법에 의존하는 것을 감소시키는 노력으로서, 연소를 사용하지 않고 연료를 소비하여 전기를 발전시킬 수 있는 장치에 관한 연구가 증가되어 왔다.As for traditional power sources that depend on the environment, the search for alternative means of power generation is becoming very important. In particular, the environmental and political issues involved in combustion-based energy systems cannot be ignored. In an effort to reduce the dependence on this type of power source and power generation methods, research has been increasing on devices capable of generating electricity by consuming fuel without using combustion.
잘 알려진 바와 같이, 내부연소 엔진에 의해 동력이 공급되는 자동차에 대한 대체 안으로 여러 형태의 전기 자동차를 포함할 수 있는데, 근래에는 대형 선박의 추진을 위하여 연료전지를 활용하는 사례가 점점 증가하고 있으며, 더불어 보다 효율적인 사용을 위한 연구가 계속 이루어져 오고 있다.As is well known, many types of electric vehicles can be included as an alternative to automobiles powered by internal combustion engines. In recent years, the use of fuel cells to propel large vessels is increasing. In addition, research has been conducted for more efficient use.
연구되어 오고 있는 연료전지 중 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온 전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. Among the fuel cells that have been studied, the solid oxide fuel cell (SOFC), called the third generation fuel cell, was first operated by Bauer and Preis in 1937 as a fuel cell that uses a solid oxide with oxygen or hydrogen ion conductivity as an electrolyte. .
고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700∼1000℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 또한, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기 초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. Solid oxide fuel cells operate at the highest temperatures (700-1000 ° C) of existing fuel cells, and are simpler in structure than other fuel cells because all the components are solid, and the loss of electrolytes, replenishment and corrosion There is no problem, no noble metal catalysts and easy fuel supply through direct internal reforming. In addition, it has the advantage that thermal combined cycle power generation using waste heat is possible because the high-temperature gas is discharged. Because of these advantages, research on solid oxide fuel cells has been actively conducted in advanced countries such as the United States and Japan, aiming to commercialize in the early 21st century.
특히, 고체산화물 연료전지는 연료전지 가운데 가장 효율이 높고 공해요인이 적으며, 700∼1000℃에서 작동되기 때문에 천연가스, 석탄가스 등을 직접 사용할 수 있고, 고온에서 작동되기 때문에 가스터빈, 증기터빈과 결합한 MW급 용량의 복합발전이 가능하며, 70%의 전기효율을 얻을 수 있다.In particular, solid oxide fuel cells are the most efficient and have the lowest pollution among fuel cells, and because they operate at 700 ~ 1000 ℃, they can directly use natural gas, coal gas, etc. Combined with the MW-class capacity of the combined power generation, it is possible to obtain 70% electrical efficiency.
그러나, 종래에 연료전지를 적용한 시스템에서는 연료전지의 동작에서 나타나는 열원을 또 다른 에너지원으로 사용하는데 한계가 있었다. 이러한 종래 시스템들의 효율을 높이기 위하여 생산된 잉여 전력을 2차 전지에 저장하였다가 필요시에 이 에너지를 사용하는 방법이 주로 사용되었다. 또한, 2차 전지가 만충이 된 경우에는 남은 잉여전력을 다른 시스템에서 활용하는 방법이 모색되고 있으나, 현재 기술에서는 그 활용방법으로 남은 전력을 소비하기 위하여 일정 시스템이 과도하게 작동되는 문제가 발생될 수도 있을 뿐만 아니라 발전된 전력을 방전해야 하는 문제가 발생될 수 있다.However, in the conventional system using a fuel cell, there is a limit to using a heat source appearing in the operation of the fuel cell as another energy source. In order to increase the efficiency of such conventional systems, a method of storing the surplus power produced in a secondary battery and using this energy when necessary is mainly used. In addition, when the secondary battery is full, a method of utilizing the remaining surplus power in another system is being sought. However, in the current technology, there is a problem that a certain system is excessively operated in order to consume the remaining power. In addition, the problem of discharging the generated power may occur.
더욱이 현재의 연료전지로는 발전 용량, 용적, 무게 등의 문제로 인하여 대형 선박에 적용하기에는 한계를 가지고 있기에 대부분 내륙 운송용 소형 선박에만 적용되고 있는 실정이다.Moreover, current fuel cells have limitations to be applied to large ships due to problems of power generation capacity, volume, weight, etc., and thus they are mostly applied only to small ships for inland transportation.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 대형 선박의 기저 전력을 생산하는 장치로는 연료전지를 활용하고, 구동에서 요구되는 대용량의 전력은 가스를 연료로 사용하는 내연기관을 혼용하여 사용하며, 두 개의 발전 장치를 이용하여 발전한 전력 중의 잉여 전력을 이용하여 연료전지의 연료인 수소를 생산하며, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 발전장치의 효율을 증대시키게 되는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, the purpose of which is to use a fuel cell as a device for producing the base power of a large vessel, the large-capacity power required in the operation of using gas as fuel It uses a mixture of internal combustion engines and produces hydrogen, the fuel of the fuel cell, by using surplus power among the power generated by the two generators, and stores it and uses it as fuel of the fuel cell. It is to provide a marine power generation equipment using a fuel cell and a gas internal combustion engine that will be increased.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 선박의 추진 및 추가적인 구동을 위하여 요구되는 전력을 생산하도록 기체를 연료로 사용하는 내연기관과, 선박의 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지와, 내연기관과 연료전지에서 생산된 전력을 전력사용기기에 공급하도록 조절하는 전력분배기와, 전력분배기를 통해 공급되는 잉여전력으로 수소를 생산하고, 연료전지의 부산물인 고온의 스팀은 스팀사용기기 측으로 공급하는 스팀전기분해장치와, 스팀전기분해장치로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 연료전지의 연료로 공급하는 수소저장탱크를 포함하는 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비를 제공한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, an internal combustion engine using gas as a fuel to produce the power required for the propulsion and additional operation of the vessel, a fuel cell installed to produce the base power of the vessel, and internal combustion A power divider that regulates the supply of power from engines and fuel cells to power-use equipment, and produces hydrogen with surplus power supplied through the power divider, and hot steam, a byproduct of the fuel cell, to the steam-use equipment. Provided is a ship power generation equipment using a fuel cell and a gas internal combustion engine including a steam electrolysis device and a hydrogen storage tank for storing hydrogen produced from the steam electrolysis device and supplying stored hydrogen as fuel of a fuel cell.
그리고 내연기관과 연료전지의 후단으로는 동일한 기체연료를 공급하도록 기체연료탱크가 설치되고, 기체연료탱크로부터 공급되는 기체연료가 내연기관과 연료전지에 분배 공급되도록 조절될 수 있다.And the rear end of the internal combustion engine and the fuel cell is a gas fuel tank is installed to supply the same gas fuel, the gas fuel supplied from the gas fuel tank can be adjusted to be distributed and supplied to the internal combustion engine and the fuel cell.
더욱이 연료분배기는 선박내의 발전량 요구 부하에 맞춰 기체연료의 공급 비율에 따라 내연기관과 연료전지의 작동을 조절하게 될 수 있다. In addition, the fuel distributor may adjust the operation of the internal combustion engine and the fuel cell according to the gas fuel supply ratio according to the load demand of the power generation in the vessel.
그리고 연료전지와 전력분배기의 사이에는 컨버터가 설치되어 직류로 발전된 연료전지의 전력을 교류로 변환시킬 수 있다.In addition, a converter is installed between the fuel cell and the power divider to convert the power of the fuel cell generated by direct current into alternating current.
그리고 전력사용기기로는 선박추진모터, 거주구 사용전력, 엔진룸, 장비실에 장착된 장비 중 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, the power-use device may include any one of the ship propulsion motor, residential power, engine room, equipment installed in the equipment room.
그리고 스팀 전기분해장치로부터 생산된 수소는 압축기에서 일정 압력까지 증가시켜서 수소저장탱크에 저장될 수 있으며, 연료분배기는 수소저장탱크의 충진 정도에 따라 연료전지로 공급되는 기체연료의 공급을 중단하고 수소저장탱크의 수소를 연료전지에 공급하게 될 수 있다.Hydrogen produced from the steam electrolysis unit may be stored in the hydrogen storage tank by increasing the pressure to a certain pressure in the compressor, and the fuel distributor stops the supply of gas fuel to the fuel cell according to the filling degree of the hydrogen storage tank and Hydrogen from the storage tank can be supplied to the fuel cell.
여기서 스팀사용기기로는 히터, 흡수식 냉동기를 포함한 HVAC 장비일 수 있다. Here, the steam using apparatus may be HVAC equipment including a heater and an absorption refrigerator.
본 발명의 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비에 의하면, 대형 선박의 추력 등에서 요구되는 높은 전력량에 따른 대용량의 전력의 발전에는 내연기관이 사용되고, 선박에서 지속적으로 요구되는 기저 전력은 연료전지를 이용하는 혼용 시스템을 적용함으로써, 발전장치의 효율을 증대시키게 되며, 또한, 두 개의 발전 장치로 생산된 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 연료 절감의 효과를 가진다.According to the ship power generation equipment using the fuel cell and the gas internal combustion engine of the present invention, the internal combustion engine is used to generate a large amount of electric power according to the high power required in the thrust of a large ship, and the base power continuously required by the ship is fueled. By adopting a hybrid system using a battery, the efficiency of the power generator is increased, and hydrogen is produced using the surplus power generated by the two power generators, and the fuel is stored and used again as a fuel for the fuel cell. It has the effect of saving.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구성도이다.1 is a block diagram of a ship power generation equipment mixed with a fuel cell and a gas internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비는, 선박(미도시)의 혼용 발전장비로 사용되는 내연기관(120)과, 연료전지(130) 그리고 내연기관(120)과 연료전지(130)에서 생산된 전력을 분배하는 전력분배기(140)와, 스팀을 공급하고 수소를 생산하는 스팀전기분해장치(160)와, 생산된 수소를 저장하는 수소저장탱크(180)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, a ship power generation equipment using a fuel cell and a gas internal combustion engine according to an embodiment of the present invention includes an
여기서 선박의 추진을 위하여 설치되는 전기모터의 추진 구동을 위하여 수십 MW 이상의 전력이 요구되며, 이러한 전력 생산을 위하여 기체 연료를 사용하는 내연기관(120)이 장착될 수 있다. Here, several tens of megawatts or more of power is required for the propulsion driving of the electric motor installed for the propulsion of the ship, and an
더욱이 기체연료를 사용하는 내연기관(120)의 경우 일반적으로 유류를 사용하는 선박에 비하여 오염 물질의 방출량이 현저히 작아 환경 문제에 장점을 가질 수 있다.Moreover, in the case of the
이러한 내연기관(120)은 대략 발전기와 쌍을 이루어 2∼4조 정도로 설치될 수 있다.The
그리고 선박에서 기저 전력을 생산하도록 설치되는 연료전지(130)는, 용융탄산염 연료전지 혹은 고체 산화물 연료전지일 수 있으며, 이들 연료전지는 기존의 고분자 전해질형 연료전지에 비하여 작동 온도가 높아 내부 개질이 가능하고, 발전시 배출되는 고온의 스팀을 활용할 수 있다. 또한, 지속적인 발전이 발전에 적합한 특성을 가지고 있으며, 대형 선박의 경우, 일정량 이상의 지속적인 전력 소비가 발생되므로 일정량 이상의 기저전력이 요구되어 적합할 수 있다.In addition, the
여기서 내연기관(120)과 연료전지(130)의 후단으로는 기체연료탱크(100)가 설치되어 동일 연료를 사용하는 내연기관(120)과 연료전지(130)에 기체 연료를 공급하게 되며, 이들 기체연료탱크(100)와 내연기관(120)과 연료전지(130)의 사이에는 연료분배기(110)가 설치될 수 있다.The
연료분배기(110)는 기체연료탱크(100)로부터 공급되는 기체연료를 선박내의 발전량 요구 부하에 맞춰 기체연료의 공급 비율에 따라 내연기관(120)과 연료전지(130)의 작동을 조절하게 될 수 있다.The
이러한 연료분배기(110)에는 공급 비율 조절할 수 있는 자동조절 밸브일 수 있으며, 이 밸브는 제어부(미도시)를 통해 전기적으로 조절될 수 있다. The
그리고 내연기관(120)과 연료전지(130)에서 생산된 전력을 조절하여 전력사용기기(150)에 공급하도록 전력분배기(140)가 설치될 수 있다.In addition, the
전력분배기(140)는 대부분의 전력을 전력사용기기(150)에 공급하고, 공급하고 남은 잉여전력은 스팀전기분해장치(160)로 보내지게 된다.The
덧붙여, 전력사용기기(150)로는 선박추진모터, 거주구 사용전력, 엔진룸, 장비실에 장착된 장비 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지(130)에서 생산된 전력을 공급하기에 앞서 연료전지(130)와 전력분배기(140)의 사이에는 컨버터(132)가 설치되어 직류로 발전된 연료전지(130)의 전력을 교류로 변환시켜서 전력분배기(140)로 공급하게 된다. In addition, the
한편, 스팀전기분해장치(160)에서는 전력분배기(140)를 통해 공급되는 잉여전력을 이용하여 수소를 생산하고, 연료전지(130)의 부산물인 스팀을 이용해서는 고온의 스팀이 요구되는 스팀사용기기(190)에 공급하게 된다.On the other hand, in the
즉, 스팀전기분해장치(160)에서는 잉여전력이 전력분배기(140)로부터 공급되는 경우, 잉여전력을 이용하여 연료전지(130)로부터 공급되는 고온의 스팀을 전기 분해하여 수소를 생성하게 되며, 이때, 고온의 스팀을 전기분해 할 경우 저온의 물을 전기 분해하는데 투입되는 에너지보다 낮은 에너지로 가능할 수 있다. 그리고 잉여전력이 존재하지 않을 경우에는 고온의 스팀을 스팀사용기기(190)에 바로 공급하게 된다. That is, in the
스팀사용기기(190)로는 히터, 흡수식 냉동기 등의 HVAC장비 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The
그리고 스팀전기분해장치(160)의 후단으로 압축기(170)와 수소저장탱크(180)가 설치될 수 있다.A
압축기(170)는 스팀전기분해장치(160)로부터 생산된 수소를 일정 압력까지 증가시켜서 수소저장탱크(180)에 저장될 수 있도록 하는 것이며, 수소저장탱크(180)는 스팀전기분해장치(160)로부터 생산된 수소를 저장하고 저장된 수소를 연료전지(130)의 연료로 공급할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 작동을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the marine power generation equipment using a fuel cell and a gas internal combustion engine according to the present invention having such a configuration as follows.
다시 도 1을 참고하여 설명하면, 기체연료탱크(100)로부터 공급되는 기체연료는 연료분배기(110)를 통해 내연기관(120)과 연료전지(130)에 적절 비율로 공급되게 된다. Referring to FIG. 1 again, the gas fuel supplied from the
대체적으로 내연기관(120)으로는 추진 전력을 생산하기 위하여 기체 연료의 공급 비율이 높을 수 있고, 추진 전력이 필요 없을 경우에는 공급이 중단될 수도 있다. 반면에 연료전지(130)로는 기전력을 연속하여 생산하기 위하여 연속적이지만 공급 비율이 낮은 상태로 기체연료가 공급될 수 있다.In general, the
이어서 기체연료 공급을 받은 내연기관(120)에서 생산된 전력은 전력분배기(140)를 통해 대부분 전력사용기기(150)에 구동 전력을 공급하게 되며, 연료전지(130)에서 생산된 전력은 컨버터(132)에서 직류 전력을 교류로 변환시켜 전력분배기(140)로 하여 전력사용기기(150)에 구동 전력을 공급하게 된다.Subsequently, the electric power produced by the
이때, 전력사용기기(150)에 공급하고 남은 잉여전력은 스팀전기분해장치(160)에 공급되며 이 잉여전력을 이용하여 연료전지(130)로부터 공급되는 고온의 스팀을 전기 분해하여 수소를 생성하게 되며, 생성된 수소는 압축기(170)에서 일정 압력까지 증가시켜 수소저장탱크(180)로 보내지게 된다.At this time, the surplus power remaining after supplying to the
그리고 잉여전력이 존재하지 않을 경우에는 연료전지(130)에서 공급된 고온의 스팀을 바로 스팀사용기기(190)에 바로 공급하여 사용하게 된다. And when there is no surplus power, the high temperature steam supplied from the
여기서 수소저장탱크(180)에서는 그 충진 정도에 따라 스팀전기분해장치(160)의 작동을 조절하게 되며, 만충시에는 연료분배기(110)에서 연료전지(130)로 공급되는 기체연료의 공급을 중단하고 수소저장탱크(180)의 수소를 연료전지(130)에 공급하여 사용하게 된다.Here, the
그러므로 이상과 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 대형 선박에 사용될 수 있도록 대용량의 전력은 내연기관이 사용되고, 기저 전력은 연료전지를 사용하는 혼용 시스템을 적용하여 발전장치의 효율을 증대시키게 되며, 또한, 두 개의 발전 장치를 이용하여 연료인 수소를 생산하고, 이를 저장하였다가 다시 연료전지의 연료로 활용하여 연료 절감을 이룰 수 있다.Therefore, according to the embodiment of the present invention as described above, the large-capacity power can be used in a large vessel, the internal combustion engine is used, the base power is to increase the efficiency of the power generation apparatus by applying a mixed system using a fuel cell, By using two power generation apparatuses, fuel, hydrogen, is produced, stored, and then used as fuel of a fuel cell to achieve fuel savings.
이상 본 발명에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.As described above as a specific embodiment of the ship power generation equipment mixed with a fuel cell and a gas internal combustion engine according to the present invention, this is only an example, the present invention is not limited to this, the broadest in accordance with the basic idea disclosed herein It should be interpreted as having a range. Those skilled in the art can easily change the material, size, etc. of each component according to the application field, and can be combined / substituted the disclosed embodiments to implement a pattern of a timeless shape, but this also does not depart from the scope of the present invention will be. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be readily made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 가스 내연기관을 혼용한 선박 발전장비의 구성도이다.1 is a block diagram of a ship power generation equipment mixed with a fuel cell and a gas internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 기체연료탱크 110 : 연료분배기100: gas fuel tank 110: fuel distributor
120 : 내연기관 130 : 연료전지120: internal combustion engine 130: fuel cell
132 : 컨버터 140 : 전력분배기132
150 : 전력사용기기 160 : 스팀전기분해장치150: power equipment 160: steam electrolysis device
170 : 압축기 180 : 수소저장탱크170: compressor 180: hydrogen storage tank
190 : 스팀사용기기190: Steam equipment
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