KR20110064723A - 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 발전시스템용 부하추종 기술에 관한 것으로, 선박에 탑재되는 MCFC에 수전해 시스템과, PEMFC를 추가로 탑재하여, 선박 운항 시 MCFC로 전력을 생산하며, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 생산된 수소를 축적하며, 항해 중 MCFC 외에 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC를 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 선박 운항 시 MCFC의 잉여 전력으로 수소를 생산하여 축적한 후, 추가 전력이 필요한 경우 PEMFC에서 수소를 이용하여 손쉽게 추가 전력을 공급할 수 있으므로, 대용량 출력이 가능하고, 긴 수명의 장점이 있는 MCFC를 선박에 탑재할 수 있으므로, MCFC를 통해 선박에서의 고효율 구동을 가능하게 할 수 있다.
선박, 용융탄산염 연료전지(MCFC), 수전해 시스템, 부하추종, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)

Description

연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법{Apparatus for load following fuel cell power generation system in a ship and method thereof}
본 발명은 선박 탑재용 연료전지에 관한 것으로서, 특히 용융탄산염 연료전지(Molten Caronate Fuel Cell, 이하 MCFC라 한다)에 부하추종 기능을 추가하여 선박에 탑재하는데 적합한 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 연료전지는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 계외로 제거된다. 연료전지의 가장 대표적 형태가 수소-산소 연료전지이고 연료전지는 작동온도에 따라 고온형과 저온형(예컨대, 300℃이상은 고온형, 그 이하는 저온형)으로 나뉜다.
구체적인 작동원리로는 수소는 양극(Anode)을 통과하고 산소는 음극(Cathode)을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면 서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며 열도 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다.
그리고 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 MCFC를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Memberane Fuel Cell, 이하 PEMFC라 한다)를 제3세대의 연료전지라고 한다.
특히, MCFC는 대용량 출력이 가능하고, 수명도 다른 연료전지들에 비해 긴 수명을 가지고 있으므로, 선박용 연료전지로 사용하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있다.
상기한 바와 같이 동작하는 종래 기술에 의한 MCFC에 있어서는, 부하추종 능력이 없기 때문에 선박용으로 탑재하기엔 무리가 있다. 즉, MCFC는 한 번 가동되면 스택(Stack)의 수명이 다할 때까지 풀 로딩(full loading)으로 전력을 생산하기 때문이다.
이러한 점은 항해 중과 기항 중에서의 전력 소비량 차이가 큰 선박에서는 문 제가 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전력 소비량의 변동 차이가 큰 선박에는 배터리를 추가로 장착할 수도 있지만, 이러한 경우 고가인 배터리가 지나치게 많이 필요하게 되어 비용이 늘어나게 되고 무게와 부피의 대량 증가 문제가 발생한다.
또한, MCFC에서 생산된 잉여 전력을 배터리로 저장하더라도 MCFC에서는 계속해서 풀 로딩으로 전력이 생산되므로 이 배터리에 저장된 전력을 쓸 수 있는 용도를 찾기는 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은, 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 부하추종 기능을 추가하여 선박에 탑재할 수 있는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 선박 또는 차량과 같은 운송 수단에 탑재되는 MCFC에 수전해 시스템과, PEMFC를 추가로 탑재하여, 선박 운항 시 MCFC로 부족한 전력을 PEMFC를 통한 부하추종으로 필요한 추가 전력을 공급할 수 있는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 선박에 탑재되는 MCFC에 수전해 시스템과, PEMFC를 추가로 탑재하여, 선박 운항 시 MCFC로 전력을 생산하고, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 생산된 수소를 축적하며, 항해 중 MCFC 외에 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC를 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요 전력을 공급할 수 있는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치는, LNG 탱크로부터 추출되어 생성된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와, MCFC의 잉여전력을 공급받아 물을 전기 분해하여 수소를 생성할 수 있는 수전해 시스템과, 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받아 필요한 추가 전력을 생산할 수 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)와, 부하 전력 용량과 MCFC의 발전 용량을 비교하여 추가 전력의 필요 여부를 판단하고, 추가 전력이 필요한 경우 PEMFC가 작동하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법은, LNG 탱크로부터 수소를 추출하여 생성하는 과정과, 용융탄산염 연료전지(MCFC)에서 추출된 수소로 전력을 생산하는 과정과, 수전해 시스템에서 MCFC의 잉여전력을 공급받아 물을 전기 분해하여 수소를 생성하는 과정과, 수소 생성 및 전력 생산을 제어하는 제어부를 통해 부하 전력 용량과 MCFC의 발전 용량을 비교하여 추가 전력의 필요 여부를 판단하는 과정과, 판단을 통해 추가 전력이 필요한 경우, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)에서 제어부의 제어하에 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받아 추가 전력을 생산하는 과정을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법은, 선박 내에 장착되어 LNG로부터 추출된 수소로 전력을 생산하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 발전 용량과 선박 내 부하 전력 용량을 비교하여 부하를 추종하는 과정과, 부하의 추종을 통해 추가 전력이 필요한 경우, MCFC의 잉여전력으로 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)를 제어하여 필요한 추가 전력을 생성하는 과정을 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법에 의하면, 선박 운항 시 MCFC의 잉여 전력으로 수소를 생산하여 축적한 후, 추가 전력이 필요한 경우 PEMFC에서 수소를 이용하여 손쉽게 추가 전력을 공급할 수 있으므로, 대용량 긴 수명의 MCFC를 선박에 탑재할 수 있도록 하며, MCFC를 통해 선박에서의 고효율 구동을 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은, 대용량 출력이 가능한 긴 수명의 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 부하추종 기능을 추가하여 선박 또는 차량과 같은 운송수단에 탑재하기 위한 것으로서, 선박에 탑재되는 MCFC에 수전해 시스템과, PEMFC를 추가로 탑재하여, 선박 운항 시 MCFC로 전력을 생산하며, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 생산된 수소를 축적해두어, 항해 중 MCFC 외에 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC를 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요한 전력을 공급하는 것이다.
한편, 하기 실시예에서 구체적으로 설명하는 MCFC 및 PEMFC는 각각 하나 이상의 연료 전지가 될 수 있으며, 연료전지뿐만 아니라 공기와 연료를 연료전지로 전달하는 연료변환기, 배출되는 열을 이용하는 열 교환기, 생성된 전력을 축전지에 저장한 후, 변환하는 인버터와, 각각의 장치를 제어하는 제어기 등을 포함하는 연료전지 시스템일 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 선박에 탑재되는 부하 추종 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템의 구조를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 발전 시스템은 LNG 탱크(100), MCFC(102), 배터리(104), 모터(106), 수전해 시스템(108), 수소 탱크(110), PEMFC(112), 제어부(114) 등을 포함한다.
LNG 탱크(100)는 LNG를 원료로 하여 수소를 추출하고, 추출된 수소는 MCFC(100)로 유입된다. 이에 MCFC(100)는 유입된 수소와 공기 중의 산소를 이용하 여 전력을 생산하게 된다. 이후, MCFC(100)를 통해 생산된 전력은 모터(106)로 전달되어 모터(106)를 구동하게 되고, 일부 전력은 배터리(104)로 전달되어 전력을 충전하게 된다. 다만, MCFC(102)와 배터리(104), 모터(106)로 이루어진 연료전지 발전 시스템은 부하 추종성이 없으므로 에너지 효율이 감소될 수 있으며, 이에 대한 해결 방안으로 배터리(104)를 이용하여 추가 전력을 공급하는 경우에는 수많은 배터리(104)를 탑재해야 하기 때문에 이 또한 비용측면이나, 수많은 배터리(104)의 무게 및 부피로 인해 발생될 수 있는 문제점이 있으므로, 이에 대한 해결을 위해 수전해 시스템(108), 수소 탱크(110), PEMFC(112), 제어부(114) 등을 추가적으로 탑재한다.
이때, MCFC(102)의 최대 생산 전력은 선박의 평균 전력 생산량 정도로 설정하여 선박 내에 탑재하도록 한다. 수전해 시스템(108)은 MCFC(102)로부터 생산되는 전력 중 발생되는 잉여전력으로 MCFC(102)의 전력 생산 시 발생되는 물(H2O)을 전기 분해하여 수소와 산소를 생산하고, 생산된 수소를 축적하는 것이다. 이때, 생산된 수소는 수소 탱크(110)에 압축 및 저장되며, 수소 탱크(110)에 저장된 수소는 추후 PEMFC(112)로 공급되어 PEMFC(112)에서 이를 통해 전력을 발생시키게 된다. 이러한 PEMFC(112)는 저온 기동성과 반응성이 높으므로 백업 전원용으로 사용되기에 적합하다.
제어부(114)는 각각의 구성요소들을 제어하며, 특히 MCFC(102) 및 PEMFC(112)의 전력 생산을 원활히 수행하기 위해 연료나 공기의 유량제어뿐만 아니 라 압력과 온도를 일정하게 유지하는 공정제어를 수행한다.
또한, 제어부(114) 내의 부하추종부(116)를 토대로 현재 선박 내 필요한 전력과 MCFC(102)를 통해 생산되는 전력의 부하 여부를 추종하여 MCFC(102)를 통해 발생되는 잉여전력은 배터리에 저장시키거나, 수전해 시스템으로 전달되도록 제어하고, MCFC(102)의 생산 전력만으로 부족한 경우에는 PEMFC(112)를 통해 추가 전력 생산을 수행할 수 있도록 제어한다.
예를 들어, 전체 선박에 필요한 전력 용량이 100% 라면 MCFC(102)는 약 70%를 최대 용량으로 정하고 선박에 탑재한다. 선박 운항의 특징 상, 전체 전력 100% 로딩 상태는 항해 중의 일부만을 차지한다. 대부분은 70~80% 정도의 부하가 걸리고 기항지 근처에서는 현저히 전력 소비가 낮아진다.
　기항지에 도착한 경우나 전력 소비가 낮을 경우에도 MCFC(102)는 일정하게 70%의 전력을 생산하므로, 이때 발생되는 잉여 전력을 수전해 시스템(108)으로 공급하게 되며, 수전해 시스템(108)에서는 MCFC(102)로부터 발생된 물을 전기 분해하여 수소를 생산하게 된다. 이와 같이 생산된 수소는 저장되었다가 수소를 이용하여 바로 전력을 생산할 수 있는 PEMFC(112)를 이용해서 100%의 전력 부하가 걸릴 때 MCFC(102)의 생산 전력으로 부족한 30%의 추가 전력을 공급하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 전력 생성 절차를 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 200단계에서 선박에 탑재된 연료전지 발전 시스템 내의 MCFC(102)는 LNG 탱크(100)로부터 공급된 수소를 이용하여 전력을 생산하게 되며, 생산된 전력은 선박 내 전력이 필요한 곳으로 전달(예컨대, 모터(106))된다. 다만 MCFC(102)는 필요한 전력에 따라 전력 생산을 증감 감소하지 않고 일정한 전력을 생산하므로, 202단계에서 현재 선박 내의 필요전력 외에 잉여전력이 발생한 경우에는 204단계로 진행하여 기 설정된 용량만큼의 잉여 전력을 배터리(104)에 저장하게 된다.
206단계에서는 배터리(104)에 저장되는 잉여 전력 외에도 추가로 잉여전력이 발생하는 경우에는, 발생된 잉여전력을 수전해 시스템(108)으로 공급하여 208단계에서 수전해 시스템(108)은 MCFC(102)로부터 배출된 물에 대한 전기분해를 수행하여 수소를 생산하고, 생산된 수소는 수소탱크(110)에 압축되어 저장된다.
이후, 210단계에서는 저장된 수소를 제어부(114)의 제어하에 추후 PEMFC(112)로 공급하여 PEMFC(112)에서 추가 전력의 생성이 가능하도록 한다.
이와 같이 배터리(104)에 잉여전력을 먼저 저장하는 것은, 수전해 시스템(108)으로 수소를 생산하였다가 다시 PEMFC(112)를 이용하여 전기를 생산하는 것이 에너지 효율면에서 불리한 점이 있기 때문이며, 기 설정된 용량 또는 %의 전력은 배터리(104)에 바로 저장했다가 추후 추가 전력이 필요한 경우, 배터리(104)에 저장된 전력을 먼저 쓰도록 구현하는 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 부하추종 절차를 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 제어부(114)의 부하추종부(116)에서는 주기적으로 부하전력 용량, 즉 선박 내 필요한 전력치를 파악하여 현재 MCFC(102)를 통해 발전되는 용량과의 비교를 수행한다. 이에 부하 전력 용량이 발전 용량보다 큰 경우, 304단계로 진행하여 부족한 발전 용량만큼을 PEMFC(112)의 추가 전력 생산을 통해 보충하도록 한 후, 306단계로 진행한다.
다만, 302단계에서 부하 전력 용량이 발전 용량보다 작거나 같은 경우에는 306단계로 진행하여, 부하 전력 용량과 발전 용량이 같은지 여부를 판단하고, 이에 같은 경우는 308단계로 진행하여 현재 가동 상태를 유지하게 된다. 다만, 306단계에서 부하 전력 용량과 발전 용량이 같지 않은 경우, 즉 부하 전력 용량이 발전 용량보다 작은 경우에는 잉여 전력이 발생할 수 있으므로, 310단계에서는 MCFC(102)를 통해 발생된 잉여전력을 수전해 시스템(108)으로 전달하여 수소를 발생토록 한다.
이와 같이, PEMFC(112)는 부하추종성이 좋으므로 필요할 때 언제나 쉽게 가동하여 전력을 생산할 수 있으므로 저장된 수소만 있다면 빠르게 추가 전력을 공급하는 것이 가능하다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 선박에 탑재되는 부하 추종 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템의 구조를 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 발전 시스템은 LNG 탱크(400), 외부 개질기(402), 수소탱크(404), MCFC(406), 수전해 시스템(408), PEMFC(410), 수소 제어부(412), 전력 제어부(414), 모터, 배터리(418) 등을 포함한다.
LNG가 저장된 LNG 탱크(400)로부터 LNG가 전달되며, 외부 개질기(402)에서는 개질을 통하여 수소를 얻게 되며, 얻게 된 수소는 수소탱크(404)에 저장된다.
수소탱크(404)에 저장된 수소는 수소탱크(404)와 연결된 수소 제어부(412)의 유량 제어를 통하여 MCFC(406) 및 PEMFC(410)로 수소를 전달하게 된다. 이에 MCFC(406)에서는 유입된 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전력을 생산하게 되며, 이때, MCFC(406)를 통해 생산된 전력 중 기 설정된 양의 전력을 수전해 시스템(408)으로 전달되며, 보통 모터(416)의 구동, 배터리(418) 저장 후 남은 잉여 전력을 수전해 시스템(408)으로 전달하게 된다.
이에 수전해 시스템(408)에서는 전달된 전력과 MCFC(406)의 전력 생산 시 발생되는 물(H2O)을 전기 분해하여 수소와 산소를 생산하고, 생산된 수소를 다시 수소 탱크(404)에 저장되도록 한다.
PEMFC(410)에서는 수소 제어부(412)의 제어에 의해 수소 탱크(404)로부터 유입된 수소로 전력을 발생시키고, 발생된 전력으로 모터(416)를 구동하게 된다.
전력 제어부(414)는 MCFC(406), PEMFC(410)와 연결되어 발생되는 전력을 제어하며, 수소 제어부(412)를 통해 발생되는 전력 정보 및 필요전력에 따른 수소 유입 제어를 요청하게 된다. 그리고 MCFC(406) 및 PEMFC(410)를 통해 발생된 전력으로 모터(416)를 구동하게 된다.
예를 들어, 전력 제어부(414)는 전체 선박에 필요한 전력 용량이 100% 라면 전력 발생 비율을 MCFC(406)가 70%, PEMFC(410)가 30%인 상태에서 선박이 운항을 시작할 때의 전력은 부하추종성이 좋은 PEMFC(410)로 30%를 먼저 공급하고, MCFC(406)의 전력 공급 비율을 단계적으로 상승시켜, 선박이 항만을 떠나 장기 운 항의 고정(steady) 상태가 되면, 현재 필요한 전력인 70% 를 MCFC(406)가 공급할 수 있도록 제어할 수 있다.
이와 같이 전력 제어부(414)는, PEMFC(410)의 발전 용량을 전력이 필요한 곳에 우선 공급하고, MCFC(406)의 발전 용량을 기 설정된 비율로 단계적으로 상승시켜, MCFC(406)가 풀 로딩될 때까지 상승하는 동안, PEMFC(410)는 상기 MCFC(406)에 반비례하게 발전 용량이 단계적으로 하강되도록 제어할 수 있다.
또한, 각각의 스택으로 이루어진 MCFC(406)는 전력의 공급이 10%씩 나누어 공급되도록 제어하여, MCFC(406)가 40%, PEMFC(410)가 30%인 상태에서 추가 전력이 필요한 경우, MCFC(406)를 10%씩 제어하며, 전력 생산을 수행함으로써, 선박 운행이 장기적으로 70%로 계속 운향을 수행하는 경우, MCFC에서는 30%를 추가 전력에만 사용하게 할 수도 있다.
즉, 이는 MCFC(406)의 전체 용량을 단일 제어 시스템으로 탑재할 경우, 많은 양의 전력을 한번에 가동하고 중단하는 것이 매우 비효율적일 수 있으므로 전체 전력의 10% 등으로 스택 별로 나누어 제어를 수행하는 것이다. 이와 같은 전력 제어를 통해 고가이며, 수명이 짧은 배터이(418)의 사용 비율을 줄일 수 있으므로 경제적이다.
배터리(418)는 MCFC(406)로부터 전력을 공급받아 저장하는 버퍼 역할로서, 구현 방식에 PEMFC(410)로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
모터(416)는 전력을 공급받아 선박을 운행하기 위한 구동기기로서, 선박 내 전력을 필요로하는 모든 기기를 통칭할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 전력 생성 및 부하추종 절차를 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 500단계에서 외부 개질기(402)는 LNG 탱크(400)로부터 수소를 공급받아 이를 개질하여 수소를 생성하고, 생성된 수소는 수소 탱크(404)에 저장된다.
502단계에서는 수소 제어부(412)를 통해 수소 탱크(404)에 저장된 수소를 MCFC(406) 및 PEMFC(410)로 전달하게 되며, MCFC(406) 및 PEMFC(410)는 전달된 수소를 통해 전력을 생산하게 되며, 전력 생산은 전력 제어부(414)를 통해 MCFC(406) 및 PEMFC(410)에 대한 전력 발생 비율을 제어하게 된다.
MCFC(406) 및 PEMFC(410)은 선박에 탑재될 때 스택의 수명이 다할 때까지 풀 로딩을 수행하는 MCFC(406)의 단점을 보완하기 위해 전체 선박에 필요한 전력 용량이 100% 라면 MCFC(406)는 약 70%를 최대 용량으로 설정하고, PEMFC(410)는 약 30%를 최대 용량으로 설정하여 선박에 탑재한다.
504단계에서 선박이 운항을 시작하는 경우에는 506단계에서 전력 제어부(414)는 부하 추종성이 좋은 PEMFC(410)로 전력을 공급하고, 508단계에서 MCFC(406)의 전력 발생 비율을 단계적으로 상승시켜 순차적으로 공급하게 된다.
즉, MCFC(406)의 각 스택에서의 전력 공급을 예를 들어, 10%씩 나누어 발생될 수 있도록 제어한다. 이는 전력 제어부(414)에서 전력 생산 비율을 각 스택 별로 제어하거나, 수소 제어부(412)와의 연동을 통해 수소 공급량을 제어하여 전력 생산 비율을 제어하게 된다.
이에 510단계에서 선박 운행을 수행하여 장기 운항의 고정 상태에 진입하였으며, 이때에 필요한 운항 전력이 예컨대, 전체 생산 전력에 70%로 고정된다면, 512단계에서 전력 제어부(414)는 MCFC(406)의 단계별 전력 제어 여부를 판단하여, 단계별 전력제어를 수행하는 경우에는 514단계에서 MCFC(406)로는 10%씩 단계적으로 전력을 생산하여 40%를 먼저 가동하고, 나머지 30%의 전력 생산은 PEMFC(410)를 통해 공급될 수 있도록 제어한다.
이후, 선박 운항 시 70% 이상의 전력이 필요한 경우에는 MCFC(406)의 전력 제어를 통해 추가적인 전력을 생산하여 선박에 공급하게 된다.
한편, MCFC(406)에서는 풀 로딩 또는 단계별 전력 생산을 통해 발생되는 잉여전력을 기 설정된 비율로 수전해 시스템(408) 및 배터리(418)로 제공할 수도 있다.
다만, 512단계에서 전력 제어부(414)가 MCFC(406)를 풀 로딩되도록 제어하는 경우에는, 516단계에서 장기 운항 시 필요한 70% 전력을 MCFC(406)를 통해 모두 공급하고, 이후 추가적으로 필요한 전력은 PEMFC(410)를 통해 공급될 수 있도록 제어한다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 전체 전력 소비량 대비 MCFC의 전력 생산량의 비율을 70%로 설정하거나, 10%씩 단계별로 전력을 생산함을 설명하고 있으나, 이러한 전력 생산량 비율은 본 발명의 실시예에 대한 구현 방식에 따라 변경가능하며, PEMFC의 전력 생산량 비율도 MCFC의 용량 변화에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 부 하추종 장치 및 그 방법은, 대용량 출력이 가능한 긴 수명의 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 부하추종 기능을 추가하여 선박에 탑재하기 위한 것으로서, 선박에 탑재되는 MCFC에 수전해 시스템과, PEMFC를 추가로 탑재하여, 선박 운항 시 MCFC로 전력을 생산하며, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 생산된 수소를 축적해두어, 항해 중 MCFC 외에 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC를 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요한 전력을 공급한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 선박에 탑재되는 부하 추종 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템의 구조를 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 전력 생성 절차를 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 부하추종 절차를 도시한 흐름도.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 선박에 탑재되는 부하 추종 장치를 포함하는 연료전지 발전 시스템의 구조를 도시한 블록도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템의 전력 생성 및 부하추종 절차를 도시한 흐름도.
<　도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
100 : LNG 탱크 　　　　　　　　 102 : MCFC
104 : 배터리 　　　　　　　　　　 106 : 모터
108 : 수전해시스템　　　　　 110 : 수소탱크
112 : PEMFC　　　　　　　　　　　　 114 : 제어부
116 : 부하 추종부
400 : LNG 탱크 402 : 외부 개질기
404 : 수소 탱크 406 : MCFC
408 : 수전해 시스템 410 : PEMFC
412 : 수소 제어부 414 : 전력 제어부
416 : 모터 418 : 배터리

Claims (14)

  1. LNG 탱크로부터 추출되어 생성된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와,
    상기 MCFC의 잉여전력을 공급받아 물을 전기 분해하여 수소를 생성하는 수전해 시스템과,
    상기 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받아 필요한 추가 전력을 생산하는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)와,
    부하 전력 용량과 상기 MCFC의 발전 용량을 비교하여 추가 전력의 필요 여부를 판단하고, 추가 전력이 필요한 경우 상기 PEMFC가 작동하도록 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치는,
    상기 수전해 시스템으로부터 생성된 수소를 압축하여 저장하는 수소 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 MCFC의 발전 용량이 상기 부하 전력 용량 보다 많은 경우, 초과하는 잉여 전력 중 기 설정된 만큼의 용량을 배터리에 저장하고,
    남는 잉여 전력을 상기 수전해 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부하 전력 용량은,
    선박 또는 차량과 같은 운송 수단에서 사용되는 전력인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  5. LNG 탱크로부터 수소를 추출하여 생성하는 과정과,
    용융탄산염 연료전지(MCFC)에서 상기 추출된 수소로 전력을 생산하는 과정과,
    수전해 시스템에서 상기 MCFC의 잉여전력을 공급받아 물을 전기 분해하여 수소를 생성하는 과정과,
    수소 생성 및 전력 생산을 제어하는 제어부를 통해 부하 전력 용량과 상기 MCFC의 발전 용량을 비교하여 추가 전력의 필요 여부를 판단하는 과정과,
    상기 판단을 통해 추가 전력이 필요한 경우, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)에서 상기 제어부의 제어하에 상기 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받아 추가 전력을 생산하는 과정
    을 포함하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법은,
    상기 수전해 시스템으로부터 생성된 수소를 수소탱크에 압축하여 저장하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 판단하는 과정은,
    상기 MCFC의 발전 용량이 상기 부하 전력 용량 보다 많은 경우, 초과하는 잉여 전력 중 기 설정된 만큼의 용량을 배터리에 저장하는 과정과,
    남은 잉여 전력을 상기 수전해 시스템에 공급하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  8. 선박 내에 장착되어 LNG로부터 추출된 수소로 전력을 생산하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 발전 용량과 선박 내 부하 전력 용량을 비교하여 부하를 추종하는 과정과,
    상기 부하의 추종을 통해 추가 전력이 필요한 경우, 상기 MCFC의 잉여전력으로 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 수전해 시스템으로부터 수소를 공급받는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)를 제어하여 필요한 추가 전력을 생성하는 과정
    을 포함하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 부하를 추종하는 과정은,
    상기 MCFC의 발전 용량이 상기 부하 전력 용량 보다 많은 경우, 초과하는 잉여 전력 중 기 설정된 만큼의 용량을 배터리에 저장하는 과정과,
    상기 배터리에 저장 후에도 남은 잉여 전력을 상기 수전해 시스템에 공급하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  10. LNG 탱크로부터 전달받은 LNG를 개질하여 수소를 추출하고, 추출된 수소를 수소 탱크로 전달하는 외부 개질기와,
    상기 수소 탱크의 수소 공급 제어를 통해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)로 유입되는 수소 공급량을 제어하는 수소 제어부와,
    상기 PEMFC의 발전 용량을 전력이 필요한 곳에 우선 공급하고, 상기 MCFC의 발전 용량을 스택 별로 제어하여 기 설정된 비율로 발전되도록 발전 용량을 제어하는 전력 제어부
    를 포함하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전력 제어부는,
    상기 수소 제어부와 연동하여 전력 제어를 수행하며, 상기 PEMFC의 발전 용량을 전력이 필요한 곳에 우선 공급하고, 상기 MCFC의 발전 용량을 기 설정된 비율로 단계적으로 상승시켜, 상기 MCFC가 풀 로딩될 때까지 상승하는 동안, 상기 PEMFC는 상기 MCFC에 반비례하게 발전 용량을 단계적으로 하강시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 부하추종 장치는,
    상기 MCFC의 잉여전력을 공급받아 물을 전기분해하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 상기 수소 탱크에 전달하는 수전해 시스템과,
    상기 MCFC의 잉여전력을 저장하는 배터리를 더 포함하며,
    상기 MCFC의 잉여전력 배분은 상기 전력제어부의 제어를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치.
  13. 외부 개질기에서 LNG 탱크로부터 전달받은 LNG를 개질하여 수소를 추출하고, 추출된 수소를 수소 탱크로 전달하는 과정과,
    수소 제어부에서 상기 수소 탱크의 수소 공급 제어를 통해 용융탄산염 연료전지(MCFC)와, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)로 유입되는 수소 공급량을 제어하는 과정과,
    전력 제어부에서 상기 PEMFC의 발전 용량을 전력이 필요한 곳에 우선 공급하고, 상기 MCFC의 발전 용량을 스택 별로 제어하여 기 설정된 비율로 발전되도록 발전 용량을 제어하는 과정
    을 포함하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 발전 용량을 제어하는 과정은,
    상기 전력 제어부에서 상기 수소 제어부와 연동하여 전력 제어를 수행하며, 상기 PEMFC의 발전 용량을 전력이 필요한 곳에 우선 공급하고, 상기 MCFC의 발전 용량을 기 설정된 비율로 단계적으로 상승시켜, 상기 MCFC가 풀 로딩될 때까지 상승하는 동안, 상기 PEMFC는 상기 MCFC에 반비례하게 발전 용량을 단계적으로 하강시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 부하추종 방법.
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