KR20140025752A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서, 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택; 연료를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부; 연료 공급부의 작동을 제어하는 제어부; 및 제어부와 연결되며 연료 공급부의 상태를 감지하는 센서를 포함하되, 센서는 진동 센서 및 음향 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 제어부는 선박의 경보를 발생시키는 경보 시스템과 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.
연료전지는 연료공급기(MBOP), 연료전지스택(Stack) 및 전력변환기(EBOP)로 구성된다.
연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 연료전지스택에 공급하며, 연료전지스택 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다.
이 때, 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.
이러한 연료전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.
그 중에서도, 용융 탄산염형(MCFC) 연료전지는, 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 주 연료로 하여 개질 반응을 거쳐서 수소를 공급할 수 있으므로, 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.
이 때, 연료전지에 연료로서 공급되는 액화 가스 또는 수소 가스의 경우 폭발 위험이 있는 폭발성 가스로서, 화재 사고의 사전 방지를 위하여 이들이 운용되는 장치와 배관의 상태를 감시할 필요가 있다.
또한, 연료전지 시스템이 탑재된 선박이 악천후에서 운행되는 때에는 선체의 유동이 커져서 폭발성 가스가 운용되는 시스템의 위험성이 증가될 수 있다.
이에 따라, 가스 센서를 이용하여 가스 누출을 감지하는 방법이 사용될 수 있는데, 이와 같은 방법은 사고 발생 이후의 사후 조치에는 도움이 될 수 있으나, 사고 발생 이전에 사고의 가능성을 미리 차단하기에는 어려움이 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료 공급부의 진동 및 소음을 감지하여 사고를 사전 예방할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 선박의 경보 시스템 및 기상 시스템과 연결되어 효과적으로 사고를 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서, 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택; 상기 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부의 작동을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되며 상기 연료 공급부의 상태를 감지하는 센서를 포함하되, 상기 센서는 진동 센서 및 음향 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 제어부는 상기 선박의 경보를 발생시키는 경보 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 시스템이 제공된다.
이 때, 상기 제어부는 상기 선박의 기상 정보를 수집하는 기상 시스템과 연결될 수 있다.
이 때, 상기 제어부는 사전에 정해진 기준값과 상기 센서에서 감지된 측정값을 비교하되, 상기 기준값은, 상기 연료 공급부의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 차단값 및 상기 경보 시스템의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 경보값을 포함하며, 상기 기상 시스템에서 수집된 기상 정보에 따라 변경될 수 있다.
한편, 상기 연료 공급부는, 상기 연료가 저장되어 있는 연료 저장 탱크; 상기 연료를 상기 연료 저장 탱크로부터 상기 연료전지 스택까지 이동시키기 위한 배관 라인; 및 상기 배관 라인에 설치되며 상기 제어부와 연결되는 차단 밸브를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 연료 저장 탱크는 상기 선박에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함하며, 상기 연료 공급부는 상기 액체 화물 저장 탱크에 저장된 액체 화물을 수소로 변환시키기 위한 개질기를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 센서는 복수 개이며, 상기 배관 라인, 상기 개질기 및 상기 차단 밸브 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템에서 연료 공급부의 진동 및 소음을 감지함으로써, 사고를 사전 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템을 선박의 경보 시스템 및 기상 시스템과 연결함으로써, 효과적으로 사고를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템이 설치된 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 일부를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템이 설치된 선박을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 일부를 도시한 도면이다.
이 때, 도 1 및 도 2에서 실선의 화살표는 연료의 흐름을 나타내고, 파선의 화살표는 정보 및 제어 신호의 흐름을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 선박(10)에 설치되어 선박(10)의 구동원 또는 전력 공급원으로 사용되며, 연료전지 스택(110), 연료 공급부(120), 제어부(130) 및 센서(140)를 포함한다.
연료전지 스택(110)은 연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 부분으로, 후술할 연료 공급부(120)로부터 연료를 공급받는다.
이 때, 연료전지 스택(110)은 원하는 전기 출력을 얻기 위해 단위 전지를 수십장 또는 수백장 직렬로 쌓아 올린 형태로 형성될 수 있으며, 전력 변환기(EBOP, 미도시)와 연결되어 선박(10) 내 전력 계통에 연계될 수 있다.
한편, 연료 공급부(120)는 연료를 연료전지 스택(110)으로 공급하는 구성으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 저장 탱크(121), 배관 라인(122), 차단 밸브(123) 및 개질기(124)를 포함할 수 있다.
이 때, 연료 저장 탱크(121)는 연료전지 스택(110)으로 공급되는 연료가 저장되는 장소로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박(10)에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 저장 탱크(121)는 LNG 저장 탱크를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며 연료전지 스택(110)에서 사용될 수 있는 수소를 포함하는 연료를 저장하는 공간은 모두 포함될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 연료 저장 탱크(121)에 저장된 연료는 배관 라인(122)을 통하여 연료전지 스택(110)까지 이동될 수 있다.
즉, 배관 라인(122)은 연료가 이동하는 통로가 되며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온 및 고압에 견딜 수 있는 재질로 이루어질 수 있다.
이는, 배관 라인(122)을 통과하는 연료는 여러 장치를 통하여 여러 과정을 거치면서 고온 상태가 될 수 있으며, 가스 성분이므로 고압 상태가 될 수 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배관 라인(122)에는 도 2에 도시된 바와 같이 차단 밸브(123)가 설치될 수 있다.
차단 밸브(123)는 연료 저장 탱크(121)에서 연료전지 스택(110)으로 연료가 공급되는 것을 차단할 수 있는 수단으로서, 후술할 제어부(130)와 연결되어 제어부(130)가 차단 밸브(123)의 작동을 제어할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 저장 탱크(121)에서 공급되는 연료는, 도 2에 도시된 바와 같이, 개질기(124)를 거쳐서 연료전지 스택(110)으로 공급될 수 있다.
이는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 저장 탱크(121)는 LNG와 같은 액체 화물 저장 탱크를 포함할 수 있는데, 개질기(124)는 액체 화물 저장 탱크에 저장된 액체 화물을 수소로 변환시키는 구성이다.
이에 따라, 개질기(124)는 연료 저장 탱크(121)로부터 공급되는 탄화 수소 성분의 연료를 연료전지 스택(110)에서 사용될 수 있는 수소로 변환시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 수소 가스의 공급 장치 없이도, 개질기(124)를 통하여 선박(10)에 저장되어 있는 액체화물을 수소로 변환하여, 선박(10)에 설치된 연료전지 스택(110)에 편리하게 수소를 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)에서, 전술한 연료 공급부(120)의 상태는 센서(140)에서 감지되며, 센서(140)에서 감지된 감지 신호는 제어부(130)로 전달되어, 제어부(130)가 연료 공급부(120)의 차단 밸브(123)의 작동을 제어할 수 있는 바, 이하, 센서(140) 및 제어부(130)를 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 센서(140)는 전술한 연료 공급부(120)의 상태를 감지하기 위한 장치로서, 제어부(130)와 연결되어 연료 공급부(120)의 상태에 관련된 감지 신호를 제어부(130)로 전달한다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(140)는 진동을 감지하는 진동 센서 및 소음을 감지하는 음향 센서 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 센서(140)를 통하여, 연료전지 스택(110)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(120)에서의 진동 및 소음을 감지함으로써, 연료가 되는 가스 성분의 공급 상태를 모니터링 할 수 있다.
또한, 센서(140)를 통한 진동 및 소음의 감지로써, 연료 공급부(120)의 장치 및 배관의 상태 및 이상 여부를 실시간으로 감지할 수 있으므로, 폭발성 가스가 운용되는 장치 및 배관의 이상 징후를 즉각 감지하여 가스의 누설 등으로 인한 폭발 사고를 사전에 예방할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(140)는 복수 개로 구성될 수 있으며, 배관 라인(122), 개질기(124) 및 차단 밸브(123) 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스의 누설 가능성이 높은, 배관 라인(122)과 장치들과의 연결부에 센서(140)가 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 진동 및 소음의 감지가 필요한 연료 공급부(120)의 다양한 위치에 센서(140)가 설치될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 전술한 센서(140)에서 감지된 정보는 제어부(130)로 전달된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 센서(140)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 연료 공급부(120)의 차단 밸브(123)와 연결되므로, 센서(140)의 감지 신호에 따라 차단 밸브(123)를 작동시킴으로써, 연료 공급부(120)에서 연료전지 스택(110)으로의 연료 공급을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(130)는 선박(10)에 구비된 경보 시스템(150)과 연결될 수 있다.
이 때, 경보 시스템(150)은 선박(10) 내에서 경보를 발생시키는 시스템을 의미한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은, 제어부(130)의 명령에 따라 경보 시스템(150)을 통하여 경보를 발생시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 경보 시스템(150)은 선박(10) 내의 여러 장소에서 화재 등의 사고 발생을 감지하고 이에 대응하여 경보 발생, 환기 장치 작동 등의 조치를 발생시키는 시스템을 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)이 설치된 구역에 인접한 장소에서 발생한 화재가 경보 시스템(150)을 통하여 감지되는 경우, 화재 관련 정보가 경보 시스템(150)을 통하여 제어부(130)로 전달되고, 화재 관련 정보를 전달받은 제어부(130)는, 전달받은 정보의 내용에 대응하여 연료 공급부(120)의 작동을 차단시키거나 경보를 발생시키는 등의 적절한 조치가 취해질 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 사전에 정해진 기준값과 센서(140)에서 감지된 측정값을 비교하는 연산을 수행하며, 측정값이 기준값을 초과하는 경우에는, 제어부(130)와 연결된 장치와 시스템의 작동을 제어할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)에 미리 입력된 기준값은, 연료 공급부(120)의 차단 밸브(123)의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 차단값 및 제어부(130)와 연결된 선박(10)의 경보 시스템(150)의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 경보값을 포함할 수 있다.
보다 상세히, 센서(140)에서 감지된 측정값이 차단값을 초과하는 경우, 제어부(130)는 연료 공급부(120)의 차단 밸브(123)을 작동시켜서 연료전지 스택(110)으로의 연료 공급을 차단시킬 수 있다.
또한, 센서(140)에서 감지된 측정값이 경보값을 초과하는 경우, 제어부(130)는 선박(10)의 경보 시스템(150)을 작동시켜서 경보를 울리거나 환풍기를 작동시키는 등의 상황에 맞는 경보 시스템(150)의 작동을 제어할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료 공급부(120)에서의 가스 누설에 의한 폭발 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 제어부(130)는 선박(10)의 기상 시스템(160)과 연결될 수 있다.
이 때, 기상 시스템(160)은 선박(10)의 운항 지역이나 주위의 기상 정보를 수집하는 시스템을 의미하며, 수집된 기상 정보는 제어부(130)로 전달될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)는 기상 시스템(160)으로부터 수집된 기상 정보를 바탕으로, 연료 공급부(120) 또는 경보 시스템(150)의 작동을 제어할 수 있다.
보다 상세히, 연료전지 시스템(100)이 설치된 선박(10)이 바람과 파도가 심한 악천후의 상황에서 운항되는 경우, 선박(10)이 심하게 요동될 수 있으며, 이에 따라 연료 공급부(120)의 배관 라인(122) 및 장치들이 흔들리게 되므로, 가스 누설 등으로 인한 폭발 사고의 위험성이 높아지며, 연료전지 시스템(100)의 안전성이 저하되게 된다.
따라서, 선박(10) 주위의 기상 상황이 좋지 않은 경우에는, 사고의 위험성이 높은 만큼, 연료 공급부(120)의 상태를 더욱 조심스럽게 모니터링 할 필요가 있으며, 정상적인 기상 상황과는 차별되게 연료 공급부(120)의 상태를 감시할 필요가 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(130)에 미리 입력된 기준값은 기상 시스템(160)으로부터 수집되는 기상 정보에 따라 변경될 수 있도록 구성된다.
즉, 기상 상황별로 기준값이 다양하게 적용될 수 있으며, 예를 들어, 바람과 파도가 심한 기상 상황의 경우에는 제어부(130)가 민감하게 반응할 수 있도록, 기준값의 정도가 정상적인 기상 상황이 비하여 낮게 적용되어, 사고 발생 가능성에 대하여 보다 신속히 반응할 수 있도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 센서(140)를 통하여 연료 공급부(120)의 진동 및 소음을 감지함으로써, 가스 누출 등으로 인한 폭발 사고를 사전에 효과적으로 예방할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 선박(10)에 구비된 경보 시스템(150) 및 기상 시스템(160)과 연결됨으로써, 보다 효과적으로 폭발 사고의 가능성을 차단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 선박 100 연료전지 시스템
110 연료전지 스택 120 연료 공급부
121 연료 저장 탱크 122 배관 라인
123 차단 밸브 124 개질기
130 제어부 140 센서
150 경보 시스템 160 기상 시스템

Claims (6)

  1. 선박에 설치되는 연료전지 시스템으로서,
    연료의 화학반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 연료전지 스택;
    상기 연료를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부의 작동을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부와 연결되며 상기 연료 공급부의 상태를 감지하는 센서를 포함하되,
    상기 센서는 진동 센서 및 음향 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 선박의 경보를 발생시키는 경보 시스템과 연결되는, 연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 선박의 기상 정보를 수집하는 기상 시스템과 연결되는, 연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는 사전에 정해진 기준값과 상기 센서에서 감지된 측정값을 비교하되,
    상기 기준값은,
    상기 연료 공급부의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 차단값 및 상기 경보 시스템의 작동을 제어하기 위한 기준이 되는 경보값을 포함하며,
    상기 기상 시스템에서 수집된 기상 정보에 따라 변경되는, 연료전지 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    상기 연료가 저장되어 있는 연료 저장 탱크;
    상기 연료를 상기 연료 저장 탱크로부터 상기 연료전지 스택까지 이동시키기 위한 배관 라인; 및
    상기 배관 라인에 설치되며 상기 제어부와 연결되는 차단 밸브를 포함하는, 연료전지 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료 저장 탱크는 상기 선박에 구비된 액체 화물 저장 탱크를 포함하며,
    상기 연료 공급부는 상기 액체 화물 저장 탱크에 저장된 액체 화물을 수소로 변환시키기 위한 개질기를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 센서는 복수 개이며, 상기 배관 라인, 상기 개질기 및 상기 차단 밸브 중 적어도 어느 하나에 설치되는, 연료전지 시스템.
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