KR20120117181A - Fuel cell system for ship - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A fuel cell system is provided to have high generation efficiency by supplying air with high oxygen concentration to an air electrode in case used for a ship. CONSTITUTION: A fuel cell system comprises: a humidifier(500) obtaining vapor by vaporizing water supplied from a seawater supply part(300), a receiving fuel from a fuel supply part(400), and mixing the vapor and fuel; a reformer(600) generating hydrogen by chemical catalyst-reacting a mixture of the vapor and fuel and supplying the hydrogen to the fuel cell(700); a nitrogen generator(200) separating oxygen and nitrogen from air and supplying the oxygen to the air supply part(100); and a fuel cell(700) generating electricity through a electrochemical reaction of the hydrogen and oxygen. [Reference numerals] (100) Air supply part; (200) Nitrogen generator; (300) Seawater supplier; (400) Fuel supply part; (500) Moisturizer; (600) Reformer; (700) Fuel cell; (920) Oxygen; (930) Nitrogen; (960) Water; (AA,910) Air; (BB) Seawater; (CC,970) Fuel; (DD) Exhaust gas

Description

선박용 연료전지 시스템{Fuel cell system for ship}Fuel cell system for ship

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 선박용 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에 장착되는 질소발생기로 고농도의 산소를 제공하여 시스템의 효율을 증대시킬 수 있는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a ship power generation system for obtaining electrical energy by using a fuel cell, and more particularly to a ship fuel cell system that can increase the efficiency of the system by providing a high concentration of oxygen to the nitrogen generator mounted on the ship. will be.

에너지는 우리의 일상 생활에 있어서 의식주와 같이 없어서는 안될 중요한 요소이며, 산업 및 경제발전의 주요한 원동력이 되고 있다. 따라서 인류의 지속적인 성장과 발전을 위해서는 에너지 자원의 원활한 공급이 필수조건이 된다고 볼 수 있다. Energy is an indispensable element in our daily lives, like consciousness, and is a major driver of industrial and economic development. Therefore, smooth supply of energy resources is essential for the sustainable growth and development of humankind.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있으나, 이러한 화석연료의 매장량은 제한되어 있고, 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 문제점이 있다. Most of the energy used by mankind is obtained from fossil fuels, but the reserves of these fossil fuels are limited, and the use of fossil fuels has serious effects on the environment such as air pollution, acid rain, global warming, and energy efficiency. There is a low problem.

이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 연료전지 시스템이 개발되고 있는데, 연료전지는 기존의 화석연료에 비해 대기오염물질 배출이 적으며, 높은 효율로 인해 연료소비도 적고, 낮은 소음 및 진동으로 안정성 또한 높아 많은 연구개발이 이루어지고 있다. Recently, fuel cell systems have been developed to solve the problems caused by the use of fossil fuels. Fuel cells emit less air pollutants than conventional fossil fuels. High stability due to vibration and vibration has been made.

연료전지(fuel cell)는 LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 공기극(cathode)에는 산화제인 산소의 환원반응, 연료극(anode)에는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물 등을 발생시킨다. Fuel cells are used to convert the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), and gasoline. It is a power generation system that converts electricity directly into electric energy. The cathode reacts with oxygen to reduce the oxygen, and the anode reacts with hydrogen to produce hydrogen, heat, and water. .

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. A fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

일반적으로 연료전지 시스템에서 공기극에 공급되는 산화제 가스는 순수 산소만 공급하는 것이 바람직하나 경제적인 면을 고려하여 약 20%의 산소를 포함하는 공기 형태로 공급된다. 이러한 공기는 순도가 낮은 대기 중의 공기가 사용되고 있어, 수소 및 산소 이외에 이종가스가 혼재되어 있는 공기가 연료전지로 공급되게 되므로 연료전지 시스템의 효율을 저하시키는 문제점이 발생한다. In general, the oxidant gas supplied to the cathode in the fuel cell system is preferably supplied with pure oxygen but is provided in the form of air containing about 20% of oxygen in consideration of economical aspects. Since the air in the air of low purity is used, air containing heterogeneous gases other than hydrogen and oxygen is supplied to the fuel cell, which causes a problem of lowering the efficiency of the fuel cell system.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지 시스템을 선박에 적용하면서 산소 농도가 높은 공기를 공기극에 공급하여 발전 효율이 높은 선박용 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a marine fuel cell system having high power generation efficiency by supplying air having a high oxygen concentration to an air electrode while applying a fuel cell system to a vessel.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료, 공기 및 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 선박용 연료전지 시스템에 있어서, 해수로부터 불순물을 제거시킨 상기 물을 상기 연료전지 시스템에 공급하는 해수공급부(300)로부터 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 탄화수소를 포함하는 상기 연료를 상기 연료전지 시스템에 공급하는 연료공급부(400)로부터 상기 연료를 공급받아 상기 수증기와 상기 연료를 혼합하는 가습기(500);상기 가습기(500)로부터 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 받아 열 에너지에 의한 화학촉매 반응을 거쳐 상기 연료에 포함된 탄화수소로부터 상기 수소를 생산하고, 상기 수소를 상기 연료전지(700)로 공급하는 개질기(600);상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하되, 상기 연료전지 시스템에 상기 공기를 공급하는 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하는 질소발생기(200); 및 상기 공기공급부(100)로부터 공급받은 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 포함된 산소와 상기 수소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지(700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, in a fuel cell system for ships that receives electricity from fuel, air and water to produce electricity by an electrochemical reaction, the fuel cell is the water from which impurities are removed from sea water The water is supplied from the seawater supply unit 300 for supplying the system to vaporize the water, and the fuel is supplied from the fuel supply unit 400 for supplying the fuel including hydrocarbons to the fuel cell system. Humidifier 500 for mixing the fuel; Receives the fuel mixed with the water vapor from the humidifier 500 through the chemical catalyst reaction by thermal energy to produce the hydrogen from the hydrocarbon contained in the fuel, the hydrogen A reformer 600 for supplying a fuel cell 700; Separation of oxygen and nitrogen from the air, the fuel cell A nitrogen generator (200) for supplying the oxygen to an air supply unit (100) for supplying the air to the system; And a fuel cell 700 that generates electricity by electrochemical reaction of oxygen and hydrogen contained in the air of high concentration oxygen, the oxygen concentration supplied from the air supply unit 100; Provides a battery system.

상기 질소발생기(200)에서 생성되는 산소는 상기 공기히터(120)의 전단에서 상기 공기와 혼합되어 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기를 형성하며;상기 공기공급부(100)는, 상기 공기가 상기 연료전지(700)로 공급될 수 있도록 상기 공기를 상기 연료전지(700)로 공급하는 공기공급라인(910)에 압력을 가해주는 송풍기(110); 및 상기 연료전지(700)로 공급되는 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 열원을 공급하여 일정한 온도로 가열시키는 공기히터(120);로 구성되되, 상기 공기히터(120)는 상기 송풍기(110) 후단에 배치되는 것;을 특징으로 한다. Oxygen generated in the nitrogen generator 200 is mixed with the air at the front end of the air heater 120 to form a high concentration of oxygen air with improved oxygen concentration; The air supply unit 100, the air is the fuel A blower 110 for applying pressure to an air supply line 910 for supplying the air to the fuel cell 700 so as to be supplied to the battery 700; And an air heater 120 for supplying a heat source to the air of high concentration oxygen to which the oxygen concentration supplied to the fuel cell 700 is improved, and heating it to a constant temperature. The air heater 120 includes the blower 110. It is arranged at the rear end; characterized in that.

상기 질소발생기(200)에서 생성되는 질소는 액화연료가스 저장탱크(800) 또는 질소저장탱크로 공급되는 것;을 특징으로 한다. Nitrogen generated in the nitrogen generator 200 is supplied to the liquefied fuel gas storage tank 800 or the nitrogen storage tank;

상기 해수공급부(300)는, 상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수하는 시체스트(310); 상기 취수된 해수를 공급받아 담수로 변화시키는 조수기(320);상기 담수를 공급받아 불순물이 제거된 상태인 상기 물로 변화시키는 순수기(330);를 포함하는 것을 특징으로 한다. The seawater supply unit 300 is installed on the hull of the ship body body 310 for collecting seawater; A water purifier 320 for receiving the water taken in and changing the fresh water; Purifier 330 for receiving the fresh water to change the water in a state in which impurities are removed; characterized in that it comprises a.

상기 연료공급부(400)는, 상기 가습기(500) 전단에 설치되어 상기 가습기(500)로 공급되는 연료가 일정한 온도로 가열되도록 열원을 공급하는 연료히터(410);를 포함하는 것을 특징으로 한다. The fuel supply unit 400 is installed in front of the humidifier 500, the fuel heater 410 for supplying a heat source so that the fuel supplied to the humidifier 500 is heated to a constant temperature; characterized in that it comprises a.

상기 가습기(500)는 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스를 공급받아 상기 물을 기화시키는 데 필요한 열원으로 사용하는 것;을 특징으로 한다. The humidifier 500 is used as a heat source for receiving the high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700 to vaporize the water.

상기 선박은 상기 질소발생기(200) 및 액화연료가스 저장탱크(800)를 구비하고 있는 선박인 것;을 특징으로 한다. The vessel is a vessel provided with the nitrogen generator 200 and the liquefied fuel gas storage tank 800;

본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료, 공기 및 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 선박용 연료전지 시스템에 있어서, 상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하고, 상기 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하는 질소발생기(200); 및 해수에 대해 담수화 작업 및 불순물 제거작업을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 기화시켜서 상기 연료와 혼합하고, 상기 공기에 상기 질소발생기(200)로부터 공급되는 산소를 혼합시켜 만들어지는 산소농도가 높은 고농도 산소의 공기와 상기 혼합된 연료로부터 생산되는 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지(700); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템을 제공한다.According to another aspect of the present invention, in a fuel cell system for ships receiving fuel, air and water to produce electricity by an electrochemical reaction, separating oxygen and nitrogen from the air and supplying air to the fuel cell system A nitrogen generator 200 for supplying the oxygen to the air supply unit 100; And high concentration of oxygen produced by vaporizing the water produced by desalination and impurity removal for seawater and mixing it with the fuel, and mixing oxygen supplied from the nitrogen generator 200 to the air. A fuel cell 700 producing electricity through an electrochemical reaction of hydrogen produced from the air with oxygen and the mixed fuel; It provides a marine fuel cell system comprising a.

상기 물을 기화시키는 열원은 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 공급받는 것;을 특징으로 한다. The heat source for vaporizing the water is supplied from the high temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700;

상기 선박은 상기 질소발생기(200) 및 액화연료가스 저장탱크(800)를 구비하고 있는 선박인 것;을 특징으로 한다. The vessel is a vessel provided with the nitrogen generator 200 and the liquefied fuel gas storage tank 800;

본 발명에 따르면, 질소발생기에서 부가물로 생성되는 산소를 공기극에 공급할 수 있어 연료전지 시스템의 발전효율을 대폭 증대시킬 수 있다. According to the present invention, oxygen generated as an adjunct in the nitrogen generator can be supplied to the cathode, thereby greatly increasing the power generation efficiency of the fuel cell system.

또한, 연료전지 시스템을 선박에 적용함으로써, CO2, NOx, SOx 및 분진배출을 획기적으로 줄일 수 있다. In addition, by applying the fuel cell system to the ship, CO2, NOx, SOx and dust emissions can be significantly reduced.

또한, 연료전지에서 배출되는 고온?고압의 배기가스를 가습기에 공급하여 수증기를 생산하는 열원으로 사용함으로써 에너지효율을 높일 수 있다. In addition, energy efficiency can be improved by supplying high-temperature and high-pressure exhaust gas discharged from the fuel cell to a humidifier and using it as a heat source for producing steam.

또한, 선박에서 발생하는 진동과 소음을 줄여 비닉성 및 높은 안정성을 달성할 수 있다. In addition, the vibration and noise generated in the vessel can be reduced to achieve the concealment and high stability.

또한, 연료로서 선박의 화물인 원유 및 천연가스 등을 활용할 수도 있어 연료비 절감의 효과도 있다. In addition, it is possible to utilize the oil and natural gas, such as cargo of the ship as fuel, there is also the effect of reducing the fuel cost.

또한, 연료전지 시스템은 모듈단위로 설계를 할 수 있어 선박설계에 유연성을 주고, 공간활용도도 높일 수 있다.In addition, the fuel cell system can be designed in a module unit, giving flexibility to the ship design, and can also increase space utilization.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 탑재하고 있는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing a vessel equipped with a fuel cell system for ship according to the present invention.
2 is a view schematically showing a marine fuel cell system according to the present invention.
3 is a view showing in detail a fuel cell system for ships according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements throughout. The same reference numerals in the drawings denote like elements throughout the drawings.

본 발명의 선박은 질소발생기 및 연료전지 시스템이 장착된 선박이라면, 그 명칭을 불구하고 어떠한 선박에도 적용될 수 있으며, LNG 운반선, LPG 운반선, LNG FPSO, 원유운반선, 컨테이너 운반선, 광석 운반선, 살물선, 여객선, 자동차 운반선 등 다양한 선종에 적용될 수 있을 것이다. 특히 액화연료가스 저장탱크(800) 또는 질소저장탱크를 구비한 선박에 적용될 수 있다. The vessel of the present invention can be applied to any vessel, regardless of its name, if the vessel is equipped with a nitrogen generator and fuel cell system, LNG carrier, LPG carrier, LNG FPSO, crude oil carrier, container carrier, ore carrier, fleshwater ship, It can be applied to various ship types such as passenger ships and car carriers. In particular, it can be applied to a vessel having a liquefied fuel gas storage tank 800 or a nitrogen storage tank.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 탑재하고 있는 선박을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 구체적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing a ship equipped with a ship fuel cell system according to the present invention, Figure 2 is a view schematically showing a ship fuel cell system according to the present invention, Figure 3 according to the present invention A ship fuel cell system is shown in detail.

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템(1)은 연료, 공기, 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 시스템으로서, 공기공급부(100), 해수공급부(300), 연료공급부(400), 질소발생기(200), 가습기(500), 개질기(600), 연료전지(700)로 구성된다. Marine fuel cell system 1 according to the present invention is a system for producing electricity by the electrochemical reaction by receiving the fuel, air, water, air supply unit 100, sea water supply unit 300, fuel supply unit 400, It is composed of a nitrogen generator 200, a humidifier 500, a reformer 600, a fuel cell 700.

공기공급부(100)는 상기 연료전지 시스템으로 공기를 공급하는데, 상기 질소발생기(200)로부터 공급받은 산소에 의해 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기를 상기 연료전지(700)의 공기극(cathode)으로 공급한다. The air supply unit 100 supplies air to the fuel cell system. The air supply unit 100 supplies air of high concentration oxygen whose oxygen concentration is improved by oxygen supplied from the nitrogen generator 200 to the cathode of the fuel cell 700. do.

외부공기를 상기 연료전지(700)로 공급할 수 있는 장치로 구성된다면 그 명칭에 불구하고 공기공급부(100)를 형성할 수 있고, 바람직하게는 송풍기(110), 공기히터(120)로 구성될 수 있다. If the device is configured to supply external air to the fuel cell 700, the air supply unit 100 may be formed in spite of its name, and preferably, the blower 110 and the air heater 120 may be configured. have.

상기 송풍기(110)는 상기 공기가 상기 연료전지(700)로 공급될 수 있도록 상기 공기를 상기 연료전지(700)로 공급하는 공기공급라인(910)에 압력을 가해준다. The blower 110 applies pressure to an air supply line 910 for supplying the air to the fuel cell 700 so that the air can be supplied to the fuel cell 700.

상기 공기히터(120)는 상기 공기에 상기 질소발생기(200)로부터의 산소를 혼합시켜 형성시킨 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기를 일정한 온도범위가 될 수 있도록 가열시키는 장치이며, 상기 연료전지(700)로 공급되는 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 열원을 공급하기만 한다면 배치 위치는 어디라도 무방하나, 상기 송풍기(110)의 후단에 배치하는 것이 바람직하며, 또, 상기 질소발생기(200)에서 생성되는 산소도 상기 공기히터(120)의 전단에서 상기 공기와 혼합되어 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기를 형성시키는 것이 바람직하다. The air heater 120 is a device for heating the air of high concentration oxygen, the oxygen concentration of which is increased by forming oxygen mixed with oxygen from the nitrogen generator 200 to be in a constant temperature range, and the fuel cell 700 Any position of the arrangement may be used as long as it supplies only a heat source to the air of high concentration oxygen, which is supplied to the oxygen concentration, and is preferably disposed at the rear end of the blower 110. In addition, in the nitrogen generator 200 The generated oxygen is also mixed with the air at the front end of the air heater 120 to form an air of high concentration oxygen with improved oxygen concentration.

이는 상기 연료전지(700)의 작동온도범위에 적합한 온도로 가열된 공기가 상기 연료전지(700)로 공급되어야 발전효율이 높아지므로 상기 연료전지(700)의 작동온도에 적합하도록 맞춰진 공기가 외부의 영향으로 온도가 내려가는 것을 막기 위함이며, 그 결과 상기 송풍기(110)를 거치고 상기 질소발생기(200)로부터의 산소도 혼합된 상태인 공기에 열원이 가하는 것이다. This is because when the air heated to a temperature suitable for the operating temperature range of the fuel cell 700 is supplied to the fuel cell 700, the power generation efficiency is increased, so that the air that is adapted to the operating temperature of the fuel cell 700 is In order to prevent the temperature from being lowered due to the influence, the heat source is applied to the air that is passed through the blower 110 and mixed with oxygen from the nitrogen generator 200.

해수공급부(300)는 해수로부터 불순물을 제거시킨 상기 물을 상기 연료전지 시스템으로 공급하며, 상기 연료전지(700)의 발전효율을 높이기 위해 상기 물에 포함된 용존이온 등의 불순물을 제거하는 장치이면 그 명칭에 불구하고 해수공급부(300)를 형성할 있고, 바람직하게는 시체스트(310, seachest), 조수기(320), 순수기(330)로 구성될 수 있다. The seawater supply unit 300 supplies the water from which impurities are removed from seawater to the fuel cell system, and removes impurities such as dissolved ions contained in the water in order to increase power generation efficiency of the fuel cell 700. In spite of its name, the seawater supply unit 300 may be formed, and may be preferably composed of a corpse 310, a seachest, a water dispenser 320, and a pure water 330.

시체스트(310)는 상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수할 수 있도록 하는 해수 취수구를 의미하며, 이는 선체의 다양한 곳에 설치될 수 있고, 시체스트(310)에서 취수된 해수는 선박 내부에 해수가 필요한 다양한 장소로 공급될 수 있다. 특히 연료전지 시스템에 사용하는데 적합하도록 해수에 다양한 처리를 하는 설비들로 공급될 수 있다. Sitist 310 means a seawater intake that is installed in the hull of the vessel to be able to take seawater, which can be installed in various places of the hull, the seawater taken from the stiffest 310 is seawater inside the ship Can be supplied to various places where necessary. In particular, it can be supplied to facilities that perform various treatments on seawater to be suitable for use in fuel cell systems.

상기 시체스트(310)에서 취수된 해수는 해수공급라인(940)을 통해서 해수가 필요한 선박 내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 조수기(320)로도 공급될 수 있다.The seawater collected from the sistist 310 may be supplied to various places in the vessel where seawater is needed through the seawater supply line 940, and may also be supplied to the water tank 320 to be described later.

조수기(320)는 상기 취수된 해수를 해수공급라인(940)을 통해 공급받아 담수로 변화시킨다. 이는 해수를 직접 연료전지 시스템(1)으로 공급하는 경우 정밀한 연료전지 시스템의 각종 장비들에 손상을 가하므로 해수를 담수화시킬 필요가 있기 때문에 해수를 담수화시킨다. The water dispenser 320 receives the seawater taken through the seawater supply line 940 and converts the seawater into fresh water. When the seawater is directly supplied to the fuel cell system 1, it damages various equipments of the precise fuel cell system, and therefore, desalination of the seawater is required because the seawater needs to be desalted.

담수화된 해수는 담수공급라인(950)을 통해 담수가 필요한 선박내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 순수기(330)로도 공급될 수 있다. The desalted seawater may be supplied to various places in the vessel where freshwater is needed through the freshwater supply line 950 and may also be supplied to the pure water 330 to be described later.

순수기(330)는 상기 담수를 담수공급라인(950)을 통해 공급받아 불순물이 제거된 상태인 상기 물로 변화시키며, 상기 순수기(330)에 의해 상기 담수 내의 용존 이온이 저감된다. The pure water 330 receives the fresh water through the fresh water supply line 950 to change the water into the water in which impurities are removed, and the dissolved ions in the fresh water are reduced by the pure water 330.

이는 연료전지(700) 내로 공급되는 물이 전기전도도가 낮아야 연료전지(700) 내부의 수소이온이 연료극(anode)으로부터 공기극(cathode)으로 쉽게 이동할 수 있게 되어 발전효율이 높아지므로 상기 담수 내의 전기전도도를 낮추도록 상기 담수내의 용존 이온을 저감시키는 것이다. This is because the water supplied into the fuel cell 700 has low electrical conductivity, so that the hydrogen ions inside the fuel cell 700 can easily move from the anode to the cathode, thereby increasing power generation efficiency, thereby increasing the electrical conductivity in the fresh water. It is to reduce the dissolved ions in the fresh water to lower.

불순물이 제거된 상기 물은 순수공급라인(960)을 통해 불순물이 제거된 상태로 상기 물이 필요한 선박 내 각종 장소로 공급될 수 있으며, 후술할 가습기(500)로도 공급될 수 있다. The water from which impurities are removed may be supplied to various places in the vessel where the water is required in the state in which impurities are removed through the pure water supply line 960, and may also be supplied to the humidifier 500 to be described later.

연료공급부(400)는 탄화수소를 포함하는 연료를 상기 가습기(500)로 공급하며, 이러한 연료에는 액화연료가스(LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스) 등), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린 등의 탄화수소 계열의 연료를 포함한다. The fuel supply unit 400 supplies a hydrocarbon containing fuel to the humidifier 500, and such fuel includes liquefied fuel gas (LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), etc.), methanol (CH3OH), and ethanol. Hydrocarbon-based fuels such as (C2H5OH) and gasoline.

상기 연료공급부(400)는 연료히터(410)를 포함할 수 있는데, 상기 연료히터(410)는 상기 가습기(500) 전단에 설치되어 상기 가습기(500)로 공급되는 연료가 일정한 온도로 가열되도록 열원을 공급한다. The fuel supply unit 400 may include a fuel heater 410, the fuel heater 410 is installed in front of the humidifier 500, the heat source so that the fuel supplied to the humidifier 500 is heated to a constant temperature To supply.

이는 상기 연료전지(700)의 작동온도에 적합한 온도로 가열된 연료가 상기 연료전지(700)로 공급되어야 발전효율이 높아지므로 상기 연료전지(700)의 작동온도에 맞도록 상기 연료를 가열시키기 위함이다. This is to heat the fuel to match the operating temperature of the fuel cell 700 since the fuel heated to a temperature suitable for the operating temperature of the fuel cell 700 is supplied to the fuel cell 700 to increase the power generation efficiency. to be.

가습기(500)는 상기 해수공급부(300)로부터 공급되는 불순물이 제거된 상기 물을 기화시켜 수증기를 만들고, 탄화수소를 포함하는 상기 연료를 상기 연료전지 시스템으로 공급하는 연료공급부(400)로부터 상기 연료를 공급받아 상기 수증기와 상기 연료를 혼합한다. The humidifier 500 vaporizes the water from which the impurities supplied from the seawater supply unit 300 are removed to make water vapor, and supplies the fuel from the fuel supply unit 400 supplying the fuel including hydrocarbons to the fuel cell system. It is supplied to mix the water vapor and the fuel.

이는 순수공급라인(960)을 통해 불순물이 제거된 상기 물을 공급받아 기화시키고, 연료공급라인(970)을 통해 공급받은 상기 연료와 혼합시키는데, 연료와 수분의 함량을 운전조건에 따라 적절히 조절하여 최적의 가습조건을 형성시켜 후술할 개질기(500)에서 수소를 생성하는데 도움을 주기 위함이다. It is vaporized by receiving the water from which impurities are removed through the pure water supply line 960, and mixed with the fuel supplied through the fuel supply line 970. This is to help generate hydrogen in the reformer 500 to be described later by forming an optimal humidification condition.

또한, 상기 가습기(500)는 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스를 공급받아 상기 물을 기화시켜 수증기로 만드는데 필요한 열원으로 사용할 수도 있으며, 이는 배기가스의 폐열을 활용하여 에너지 효율을 높이기 위함이다. In addition, the humidifier 500 may be used as a heat source for receiving the high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700 to vaporize the water to make water vapor, which utilizes waste heat of the exhaust gas to improve energy efficiency. To increase.

개질기(reformer, 600)는 상기 가습기(500)로부터 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 받아 열 에너지에 의한 화학촉매 반응을 거쳐 상기 연료에 포함된 탄화수소로부터 상기 수소를 생산하는 개질과정이 일어나고, 상기 수소를 상기 연료전지(700)로 공급한다. A reformer 600 receives the fuel mixed with the water vapor from the humidifier 500 and undergoes a chemical catalyst reaction by thermal energy to produce the hydrogen from hydrocarbons included in the fuel. Is supplied to the fuel cell 700.

상기 개질기(600)는 연료공급라인(970)을 통해 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 공급받으며, 상기 개질 과정에서 열이 발산되는 경우에는 발산되는 열로 상기 연료를 가열하도록 할 수 있다. The reformer 600 receives the fuel mixed with the water vapor through a fuel supply line 970, and when the heat is emitted during the reforming process, the reformer 600 may heat the fuel with the heat emitted.

상기 개질기(600)는 연료전지 시스템에 악영향을 주는 황, 일산화탄소 등을 제거한 수소를 생산하여 연료전지 발전시스템의 효율을 향상시키도록 한다. The reformer 600 improves the efficiency of the fuel cell power generation system by producing hydrogen that removes sulfur, carbon monoxide, etc., which adversely affects the fuel cell system.

질소발생기(200)는 상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하되, 상기 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하며, 상기 질소발생기(200)에서 생성되는 질소는 선박 내에 설치되는 액화연료가스 저장탱크(800) 또는 질소저장탱크(미도시)로 공급될 수 있다. The nitrogen generator 200 separates oxygen and nitrogen from the air, and supplies the oxygen to the air supply unit 100, and the nitrogen generated in the nitrogen generator 200 is a liquefied fuel gas storage tank installed in a ship ( 800 or a nitrogen storage tank (not shown).

상기 질소발생기(200)에서 생성되는 질소는 액화연료가스 저장탱크로 보내어 액화연료가스 저장탱크의 화재위험을 없애 폭발을 미연에 방지하도록 하거나, 별도의 질소저장탱크(미도시)에 모아 선박내에 화재 발생시 질소를 공급하여 화재진압에 사용할 수도 있을 것이다. Nitrogen generated in the nitrogen generator 200 is sent to the liquefied fuel gas storage tank to eliminate the risk of fire in the liquefied fuel gas storage tank to prevent explosion in advance, or to collect in a separate nitrogen storage tank (not shown) to fire in the ship Nitrogen may be supplied at the outbreak to be used for fire fighting.

연료전지(700)는 상기 공기공급부(100)로부터 공급받은 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 포함된 산소와 상기 수소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다. 상기 반응에 의해 고온의 가스도 발생하게 되는데, 이는 배기가스라인(980)을 통해 외부로 배출시킬 수 있으나, 상술한 바와 같이 상기 가습기(500)로 고온의 배기가스를 공급하여 상기 가습기(500)에서 상기 물을 기화시키는 데 필요한 열원으로 사용할 수도 있을 것이다. The fuel cell 700 generates electricity by an electrochemical reaction between oxygen and oxygen contained in the air of high concentration oxygen, which has an improved oxygen concentration supplied from the air supply unit 100. The high temperature gas is also generated by the reaction, which may be discharged to the outside through the exhaust gas line 980, but as described above, the high temperature exhaust gas is supplied to the humidifier 500 to supply the humidifier 500. May be used as a heat source for vaporizing the water.

상기 연료전지(700)는 원하는 발전출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올려 단위모듈형식으로 제작할 수도 있다. The fuel cell 700 may be manufactured in a unit module form by stacking unit cells in series of several tens or hundreds to obtain a desired power generation output.

또한, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템(1)은 연료, 공기, 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 선박용 연료전지 시스템으로서, 상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하고, 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하는 질소발생기(200) 및 해수에 대해 담수화 작업 및 불순물 제거작업을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 기화시켜서 상기 연료와 혼합하고, 상기 공기에 상기 질소발생기(200)로부터 공급되는 산소를 혼합시킨 산소농도가 높은 고농도 산소의 공기와 상기 혼합된 연료로부터 생산된 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지(700)로 구성될 수 있다. In addition, the ship fuel cell system 1 according to the present invention is a ship fuel cell system for producing electricity by an electrochemical reaction by receiving fuel, air, water, and separates oxygen and nitrogen from the air, the air supply unit ( The nitrogen generator 200 for supplying the oxygen to the oxygen and the desalination and impurity removal operations for the seawater are vaporized and mixed with the fuel, and the air is discharged from the nitrogen generator 200. The fuel cell 700 may be configured to generate electricity through an electrochemical reaction of air of high concentration oxygen having high oxygen concentration mixed with supplied oxygen and hydrogen produced from the mixed fuel.

상기 연료전지 시스템(1)은 상기 물을 기화시키는 열원을 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 공급받을 수 있고, 본 발명은 상기 질소발생기(200) 및 액화연료가스 저장탱크(800)를 구비하는 선박에 적용될 수 있을 것이다. The fuel cell system 1 may be supplied with a heat source for vaporizing the water from the high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700, the present invention is the nitrogen generator 200 and the liquefied fuel gas storage tank ( It may be applied to a vessel having 800).

이하, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템(1)의 작용에 대해 본 발명의 일시시예인 도 2 또는 도 3을 기준으로 설명한다.Hereinafter, the operation of the ship fuel cell system 1 according to the present invention will be described with reference to FIG. 2 or FIG. 3 which is a temporary example of the present invention.

외부공기가 송풍기(110)에 의해 공급되면, 질소발생기(200)에서 생산되는 산소와 혼합하여 공기히터(120)에 의해 가열한 후 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급한다. When the external air is supplied by the blower 110, the outside air is mixed with oxygen produced by the nitrogen generator 200, heated by the air heater 120, and then supplied to the cathode of the fuel cell.

상기 질소발생기(200)에서 생산되는 질소는 LNG 저장탱크(800)로 공급되어 LNG 저장탱크의 폭발위험성을 미연에 방지케한다. Nitrogen produced in the nitrogen generator 200 is supplied to the LNG storage tank 800 to prevent the explosion risk of the LNG storage tank in advance.

선박의 선체에 설치되는 시체스트(310)에서 취수된 해수는 해수공급라인(940)을 통해 조수기(320)로 공급되어 담수로 변화되고, 담수는 담수공급라인(950)에 의해 순수기(330)로 공급되어 불순물이 제거되며, 불순물이 제거되어 용존이온이 감소된 담수는 순수공급라인(960)에 의해 가습기(500)로 공급된다. The seawater collected from the strait 310 installed on the ship's hull is supplied to the water tank 320 through the seawater supply line 940 and is converted into fresh water, and the fresh water is purified by the freshwater supply line 950. 330 is supplied to remove the impurities, and the fresh water whose impurities are removed to reduce dissolved ions is supplied to the humidifier 500 by the pure water supply line 960.

가습기(500)는 연료저장탱크 또는 화물창 등에서 공급되고, 연료히터(410)에 의해 가열된 연료를 연료공급라인(970)을 통해 공급받고, 순수기(330)로부터 공급받은 물을 기화시켜 수증기로 만들어 상기 공급받은 연료와 혼합시킨다. The humidifier 500 is supplied from a fuel storage tank or a cargo hold, receives the fuel heated by the fuel heater 410 through the fuel supply line 970, and vaporizes the water supplied from the pure water 330 to vapor. Make and mix with the supplied fuel.

상기 수증기와 혼합된 연료는 개질기(600)를 거쳐 수소를 형성하고 연료공급라인(970)을 통해 연료전지(700)로 공급된다. The fuel mixed with the steam forms hydrogen through the reformer 600 and is supplied to the fuel cell 700 through the fuel supply line 970.

연료전지(700)는 공기극의 공기와 연료극의 수소에 의한 화학반응으로 발전을 하게 되며, 이 때 발생되는 고온의 가스는 외부로 배기가스라인(980)을 통해 배출시키며, 배기가스라인(980)은 가습기(500)로 연결되어 고온의 배기가스를 가습기(500)로 공급하여 물을 기화시켜 수증기로 변화하는데 이용할 수 있다.The fuel cell 700 generates power by a chemical reaction by air of the cathode and hydrogen of the anode, and the hot gas generated at this time is discharged through the exhaust gas line 980 to the outside, and the exhaust gas line 980. Is connected to the humidifier 500 may be used to supply a high temperature exhaust gas to the humidifier 500 to vaporize the water to change to water vapor.

상기와 같은 시스템을 제작하여 선박에 적용한다면 발전효율이 대폭 증대된 연료전지 발전시스템에 의해 선박의 운전비용을 절감할 수 있는 선박을 제작할 수 있게 될 것이다. If the above system is manufactured and applied to a ship, it will be possible to manufacture a ship that can reduce the operating cost of the ship by the fuel cell power generation system which has greatly increased power generation efficiency.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention will be.

1: 선박용 연료전지 시스템 100: 공기공급부
110: 송풍기 120: 공기히터
200: 질소발생기 300: 해수공급부
310: 시체스트 320: 조수기
330: 순수기 400: 연료공급부
410: 연료히터 500: 가습기
600: 개질기 700: 연료전지
800: 액화연료가스 저장탱크 910: 공기공급라인
920: 산소공급라인 930: 질소공급라인
940: 해수공급라인 950: 담수공급라인
960: 순수공급라인 970: 연료공급라인
980: 배기가스라인1: Ship fuel cell system 100: Air supply unit
110: blower 120: air heater
200: nitrogen generator 300: sea water supply unit
310: sitist 320: water tank
330: purifier 400: fuel supply unit
410: fuel heater 500: humidifier
600: reformer 700: fuel cell
800: liquefied fuel gas storage tank 910: air supply line
920: oxygen supply line 930: nitrogen supply line
940: seawater supply line 950: freshwater supply line
960: pure water supply line 970: fuel supply line
980: exhaust gas line

Claims (10)

연료, 공기 및 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 선박용 연료전지 시스템에 있어서,
해수로부터 불순물을 제거시킨 상기 물을 상기 연료전지 시스템에 공급하는 해수공급부(300)로부터 상기 물을 공급받아 기화시켜 수증기로 만들고, 탄화수소를 포함하는 상기 연료를 상기 연료전지 시스템에 공급하는 연료공급부(400)로부터 상기 연료를 공급받아 상기 수증기와 상기 연료를 혼합하는 가습기(500);
상기 가습기(500)로부터 상기 수증기와 혼합된 상기 연료를 받아 열 에너지에 의한 화학촉매 반응을 거쳐 상기 연료에 포함된 탄화수소로부터 상기 수소를 생산하고, 상기 수소를 상기 연료전지(700)로 공급하는 개질기(600);
상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하되, 상기 연료전지 시스템에 상기 공기를 공급하는 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하는 질소발생기(200); 및
상기 공기공급부(100)로부터 공급받은 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 포함된 산소와 상기 수소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지(700);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.In the fuel cell system for ships that receive electricity from fuel, air and water to produce electricity by electrochemical reaction,
Fuel supply unit for supplying the water from the sea water supply unit 300 for removing impurities from sea water to the fuel cell system to vaporize the water to make water vapor, and supply the fuel containing hydrocarbons to the fuel cell system ( A humidifier 500 which receives the fuel from 400 and mixes the steam and the fuel;
A reformer that receives the fuel mixed with the water vapor from the humidifier 500, produces the hydrogen from hydrocarbons included in the fuel through a chemical catalyst reaction by thermal energy, and supplies the hydrogen to the fuel cell 700. 600;
A nitrogen generator for separating oxygen and nitrogen from the air and supplying the oxygen to an air supply unit 100 supplying the air to the fuel cell system; And
A fuel cell 700 that generates electricity by an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen contained in the air of high concentration oxygen, the oxygen concentration supplied from the air supply unit 100;
Marine fuel cell system comprising a. 청구항 1에 있어서,
상기 질소발생기(200)에서 생성되는 산소는 상기 공기히터(120)의 전단에서 상기 공기와 혼합되어 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기를 형성하며;
상기 공기공급부(100)는,
상기 공기가 상기 연료전지(700)로 공급될 수 있도록 상기 공기를 상기 연료전지(700)로 공급하는 공기공급라인(910)에 압력을 가해주는 송풍기(110); 및
상기 연료전지(700)로 공급되는 산소농도가 향상된 고농도 산소의 공기에 열원을 공급하여 일정한 온도로 가열시키는 공기히터(120);로 구성되되,
상기 공기히터(120)는 상기 송풍기(110) 후단에 배치되는 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Oxygen generated in the nitrogen generator (200) is mixed with the air at the front end of the air heater 120 to form a high concentration of oxygen air of improved oxygen concentration;
The air supply unit 100,
A blower 110 which applies pressure to an air supply line 910 for supplying the air to the fuel cell 700 so that the air can be supplied to the fuel cell 700; And
Consists of an air heater 120 for heating to a constant temperature by supplying a heat source to the air of high concentration oxygen to the oxygen concentration supplied to the fuel cell 700,
The air heater 120 is disposed at the rear end of the blower 110;
Marine fuel cell system, characterized in that. 청구항 2에 있어서,
상기 질소발생기(200)에서 생성되는 질소는 액화연료가스 저장탱크(800) 또는 질소저장탱크로 공급되는 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 2,
Nitrogen generated in the nitrogen generator 200 is supplied to the liquefied fuel gas storage tank 800 or nitrogen storage tank;
Marine fuel cell system, characterized in that. 청구항 1에 있어서,
상기 해수공급부(300)는,
상기 선박의 선체에 설치되어 해수를 취수하는 시체스트(310);
상기 취수된 해수를 공급받아 담수로 변화시키는 조수기(320);
상기 담수를 공급받아 불순물이 제거된 상태인 상기 물로 변화시키는 순수기(330);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The sea water supply unit 300,
It is installed on the hull of the ship body sash 310 to take in the sea water;
A water tank 320 for receiving the intake water is changed to fresh water;
A pure water supply unit 330 which receives the fresh water and converts the water into water in which impurities are removed;
Marine fuel cell system comprising a. 청구항 1에 있어서,
상기 연료공급부(400)는,
상기 가습기(500) 전단에 설치되어 상기 가습기(500)로 공급되는 연료가 일정한 온도로 가열되도록 열원을 공급하는 연료히터(410);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템. The method according to claim 1,
The fuel supply unit 400,
A fuel heater 410 installed in front of the humidifier 500 to supply a heat source to heat the fuel supplied to the humidifier 500 to a predetermined temperature;
Marine fuel cell system comprising a. 청구항 1에 있어서,
상기 가습기(500)는 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스를 공급받아 상기 물을 기화시키는 데 필요한 열원으로 사용하는 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The humidifier 500 receives the high temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700 and uses it as a heat source for vaporizing the water;
Marine fuel cell system, characterized in that. 청구항 1에 있어서,
상기 선박은 상기 질소발생기(200) 및 액화연료가스 저장탱크(800)를 구비하고 있는 선박인 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The vessel is a vessel having the nitrogen generator 200 and the liquefied fuel gas storage tank 800;
Marine fuel cell system, characterized in that. 연료, 공기 및 물을 공급받아 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 선박용 연료전지 시스템에 있어서,
상기 공기로부터 산소와 질소를 분리하고, 상기 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 공기공급부(100)로 상기 산소를 공급하는 질소발생기(200); 및
해수에 대해 담수화 작업 및 불순물 제거작업을 거치도록 하여 생산되는 상기 물을 기화시켜서 상기 연료와 혼합하고, 상기 공기에 상기 질소발생기(200)로부터 공급되는 산소를 혼합시켜 만들어지는 산소농도가 높은 고농도 산소의 공기와 상기 혼합된 연료로부터 생산되는 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지(700);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.In the fuel cell system for ships that receive electricity from fuel, air and water to produce electricity by electrochemical reaction,
A nitrogen generator 200 separating oxygen and nitrogen from the air and supplying the oxygen to an air supply unit 100 supplying air to the fuel cell system; And
High concentration of oxygen produced by mixing the oxygen supplied from the nitrogen generator 200 by vaporizing the water produced by desalination and impurity removal for seawater and mixing the fuel with the air. Fuel cell 700 for producing electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and hydrogen produced from the mixed fuel of;
Marine fuel cell system comprising a. 청구항 8에 있어서,
상기 물을 기화시키는 열원은 상기 연료전지(700)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 공급받는 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템.The method according to claim 8,
The heat source for vaporizing the water is supplied from the high temperature exhaust gas discharged from the fuel cell 700;
Marine fuel cell system, characterized in that. 청구항 9에 있어서,
상기 선박은 상기 질소발생기(200) 및 액화연료가스 저장탱크(800)를 구비하고 있는 선박인 것;
을 특징으로 하는 선박용 연료전지 시스템. The method according to claim 9,
The vessel is a vessel having the nitrogen generator 200 and the liquefied fuel gas storage tank 800;
Marine fuel cell system, characterized in that.
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