KR20140025828A - Fuel cell system for a ship and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선박용 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a marine fuel cell system and a control method thereof.
연료전지는 연료 공급기(MBOP), 스택 모듈(Stack Module) 및 전력 변환기(EBOP)로 구성된다. 연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 스택 모듈에 공급하며, 스택모듈 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다. 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.The fuel cell is composed of a fuel supply (MBOP), a stack module and a power converter (EBOP). The fuel supply unit (MBOP) supplies air and fuel to the fuel cell in the fuel cell stack module. In the stack module, oxygen and hydrogen in the air supplied through the fuel or hydrogen generated through the reforming of fuel are subjected to chemical and electricity and water. , It generates heat. The generated electricity is supplied to the outside through an electric power converter (EBOP).
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 상온 ~ 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알카리형 연료전지, 150 ~ 200 ℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 ~ 700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지, 1,000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화 연료전지로 분류된다.The fuel cell is a polymer electrolyte and alkaline fuel cell operating at room temperature up to 100 ° C. or less, a phosphate fuel cell operating at around 150 ° C. to 200 ° C., operating at a high temperature of 600 to 700 ° C., depending on the type of electrolyte used. Molten carbonate fuel cells are classified as solid oxide fuel cells operating at high temperatures of 1,000 ° C or higher.
이들 각 연료전지의 근본적인 원리는 같으나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질의 종류가 상이하다. 이 중에서 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)는 반응에 필요한 수소를 스택 내부에서 제조하는 내부 개질형과 반응에 필요한 수소를 스택 외부에서 제조하는 외부 개질형으로 구분된다.The basic principle of each of these fuel cells is the same, but the kind of the fuel, the operating temperature, and the kind of the catalyst and the electrolyte are different. Among them, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) is classified into an internal reforming type in which hydrogen required for reaction is produced in the stack and an external reforming type in which hydrogen required for reaction is produced from the outside of the stack.
내부 개질형 용융탄산염 연료전지에서 연료극(Anode)에 주입되는 연료 가스는 천연가스와 같은 탄화수소 화합물을 사용하는데, 통상적으로는 연료 가스 중 C2 이상의 탄화수소 화합물을 먼저 초기 개질기(Pre-reformer)를 이용하여 수소로 전환시켜 전체 연료가스의 수소 농도를 2% 이상으로 유지하게 하여 수증기와 함께 연료전지스택의 연료극에 주입함으로써, 연료전지스택 내에서 일어나는 수증기 개질 반응을 촉진한다.In the internal reforming molten carbonate fuel cell, the fuel gas injected into the anode is a hydrocarbon compound such as natural gas. Generally, a C2 or more hydrocarbon compound in the fuel gas is first used by using an initial reformer. The conversion to hydrogen maintains the hydrogen concentration of the entire fuel gas at 2% or more, and is injected into the anode of the fuel cell stack together with water vapor, thereby promoting the steam reforming reaction occurring in the fuel cell stack.
한편, MCFC와 같은 고온용 연료전지는 600도 ~ 1000도에서 작동하고 사용 가능 연료의 범위가 넓고 고온에서 작동하므로 저온 연료 전지와 달리 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 현재 발전용 연료전지뿐만 아니라 선박용 연료전지로도 주목받고 있다.On the other hand, a high-temperature fuel cell such as MCFC operates at 600 ° C to 1000 ° C, and has a wide range of usable fuel and operates at a high temperature. Therefore, unlike a low temperature fuel cell, a relatively cheap catalyst can be used. These advantages are attracting attention as a fuel cell for ships as well as fuel cells for power generation at present.
그러나 고온 연료 전지는 연료전지 시동을 위하여 추가적으로 에너지를 공급하여 연료전지를 가열하는 초기 단계가 필요하다. 종래는 이러한 초기 가동을 위하여 별도의 전기 히터를 부착하거나 일부 연료의 연소를 이용한 초기 가열 과정을 이용하고 있다. 이 때, 연료 전지의 경우, 가열 및 냉각의 반복에 따라 수명이 결정되기 때문에, 쿨 다운(cool dowm)까지의 냉각 횟수를 최소화 해야 한다. 그러나, 선박의 경우 항구에 정박하는 경우와 같이 전력 생산을 필요로 하지 않는 경우가 있으며, 이 때에는 연료 전지의 작동이 멈추게 되므로 이와 같은 경우 연료 전지의 수명이 짧아질 수 있다. However, the high temperature fuel cell requires an initial step of heating the fuel cell by supplying additional energy to start the fuel cell. Conventionally, for this initial operation, a separate electric heater is attached or an initial heating process using combustion of some fuel is used. At this time, in the case of a fuel cell, since the service life is determined by the repetition of heating and cooling, it is necessary to minimize the number of cooling until the cool down. However, some ships do not require power generation as in the case of anchoring in a port. In this case, the operation of the fuel cell is stopped. In such a case, the life of the fuel cell may be shortened.
본 발명의 일 실시예는 선박에 설치되는 연료 전지의 수명을 연장시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다. One embodiment of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method thereof that can extend the life of a fuel cell installed in a ship.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박용 연료 전지 시스템으로서, 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되며, 수소와 산소를 공급받아 전기를 생성하는 연료 전지 스택 및 상기 하우징 내부에 설치되되, 작동시 발열하여 상기 연료 전지 스택을 가열할 수 있는 로드 뱅크를 포함하는 선박용 연료 전지 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a marine fuel cell system comprising: a housing; A fuel cell system for ships, which is installed inside the housing and is supplied with hydrogen and oxygen to generate electricity, and a load bank installed inside the housing, the load bank capable of generating heat during operation to heat the fuel cell stack. This is provided.
이 때, 상기 로드 뱅크는 상기 연료 전지 스택으로부터 생성된 전기를 사용하거나 또는 상기 연료 전지 스택 이외의 외부 전력원으로부터 공급된 전기를 사용하여 작동할 수 있다. At this time, the load bank may operate using electricity generated from the fuel cell stack or electricity supplied from an external power source other than the fuel cell stack.
본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 선박용 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서, 상기 선박용 연료 전지 시스템의 전력 생산이 불필요할 경우, 상기 연료 전지 시스템으로부터 생산되는 전력을 상기 로드 뱅크로 보내 소모시킴과 동시에 상기 로드 뱅크로부터 발생되는 열을 이용하여 상기 연료 전지 스택을 가열하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a control method of a marine fuel cell system as described above, when power generation of the marine fuel cell system is unnecessary, by sending power generated from the fuel cell system to the load bank and at the same time A control method of a fuel cell system is provided, wherein the fuel cell stack is heated using heat generated from a load bank.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 선박용 연료 전지 시스템의 제어 방법으로서, 상기 선박용 연료 전지 시스템으로 상기 수소 및 산소가 공급되지 않아 상기 연료 전지 스택으로부터 전기가 생산되지 않는 경우 상기 로드 뱅크에 외부 전력을 인가하여 상기 스택의 온도를 작동 온도로 유지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 제어 방법이 제공된다. According to still another aspect of the present invention, there is provided a control method of a marine fuel cell system as described above, wherein when the hydrogen and oxygen are not supplied to the marine fuel cell system, electricity is not produced from the fuel cell stack. A control method of a fuel cell system is provided by applying power to maintain the temperature of the stack at an operating temperature.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택을 둘러싸는 하우징의 내부에 발열가능한 로드 뱅크를 설치하여 연료 전지 스택의 초기 시동용 히터로 사용할 수 있다. Marine fuel cell system according to an embodiment of the present invention can be used as a heater for the initial start of the fuel cell stack by installing a heat generating load bank inside the housing surrounding the fuel cell stack.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템은 연료 전지 시스템의 불필요한 전력을 소모할 때 연료 전지 스택의 가열원으로 사용하여 연료 전지 스택의 쿨다운을 방지하여 연료 전지 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다. Marine fuel cell system according to an embodiment of the present invention can be used as a heating source of the fuel cell stack when the unnecessary power consumption of the fuel cell system to prevent the cool down of the fuel cell stack to extend the life of the fuel cell system. have.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택 및 로드 뱅크의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of a fuel cell stack and a load bank of a marine fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택 및 로드 뱅크의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of a fuel cell stack and a load bank of a marine fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(10)은 하우징(20), 연료 전지 스택(40) 및 로드 뱅크(42)를 포함한다. The marine
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(10)은 연료 탱크로부터 공급된 연료 가스로부터 형성된 수소와 해수를 정제하여 생성한 초순수 및 공기로부터 형성된 산소를 연료 전지 스택으로 공급하여 연료 전지 내부에서 전기 화학적 반응을 통하여 전기를 생성한다. At this time, the ship
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(10)은 수소, 초순수 및 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 구성은 일반적으로 공지되어 있는 연료 전지 시스템의 구성과 동일하게 구성될 수 있는 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 하고 본 발명의 일 실시예에 특유한 구성을 중심으로 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 설명하도록 한다. The ship
본 발명의 일 실시예에 있어서, 연료 전지 스택(40) 및 로드 뱅크(42)는 하우징(20) 내부에 설치되며, 서로 이웃하여 배치되도록 형성된다. 하우징(20)은 단열재를 이용하여 하우징(20) 내부의 열이 외부로 배출되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. In one embodiment of the present invention, the
연료 전지 스택(40)은 하우징(20) 외부에 설치되는 연료 공급기(MBOP) (30) 및 전력 변환기(EBOP) (50)와 연결되어 연료 공급기(30)로부터 공급되는 연료 및 공기를 이용하여 전기를 생성하고 이를 전력 변환기(50)로 전달한다. The
전력 변환기(50)에서는 연료 전지 스택(40)으로부터 공급된 전력을 변환하여 선박 내의 전력이 필요한 곳으로 공급한다. The
한편, 하우징(20) 내부에 설치되는 로드 뱅크(42)는 전력을 공급받아 발열됨으로써 전력을 소모할 수 있는 발열체로 구성된다. 로드 뱅크(42)의 발열 온도는 연료 전지 스택(40)을 작동 온도로 유지시킬 수 있는 정도의 고온인 것이 바람직하다. On the other hand, the load bank 42 installed in the
이 때, 로드 뱅크(42)에 전력을 공급하기 위하여 로드 뱅크(42)는 외부 전원(60) 또는 연료 전지 시스템(10)의 전력 변환기에 연결된다. At this time, the load bank 42 is connected to an external power source 60 or a power converter of the
외부 전원(60)이란 로드 뱅크(42)로 전력을 공급하기 위한 전력원으로서 연료 전지 시스템(10)에 의하여 생성된 전력 이외에 선박에 설치되는 전력원을 의미한다. The external power source 60 is an electric power source for supplying electric power to the load bank 42 and means an electric power source installed in the ship in addition to the electric power generated by the
그리고, 로드 뱅크(42)가 전력 변환기(50)에 연결된다는 것은 연료 전지 시스템(10)의 전력 변환기(50)에 직접 연결되는 것만을 의미하는 것은 아니며, 연료 전지 시스템(10)의 전력 변환기(50)에 의하여 변환된 전력이 로드 뱅크(42)의 작동을 위하여 로드 뱅크로 공급될 수 있도록 전기적으로 연결되는 것을 의미한다. In addition, the connection of the load bank 42 to the
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로드 뱅크(42)로 공급되는 전력은 외부 전원(60) 또는 선박용 연료 전지 시스템(10)으로부터 동시에 또는 선택적으로 공급될 수 있다. At this time, according to an embodiment of the present invention, the power supplied to the load bank 42 may be simultaneously or selectively supplied from the external power source 60 or the ship
이하, 이상과 같은 구성으로 이루어진 선박용 연료 전지 시스템(10)의 제어 방법을 설명한다. Hereinafter, the control method of the ship
본 발명의 일 실시예에 따르면, 로드 뱅크(42)는 연료 전지 스택(40)의 초기 시동을 위한 히팅용으로 사용될 수 있다. 연료 전지 스택(40)은 초기 시동을 위하여 600도 이상으로 온도가 상승되어야 하는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 이와 같이 연료 전지 스택(40)의 온도를 상승시키기 위하여 외부 전원(60)으로부터 로드 뱅크에 전력을 공급하여 로드 뱅크로부터 열을 발생시킨다. According to one embodiment of the invention, the load bank 42 may be used for heating for the initial start-up of the
이와 같이 로드 뱅크(42)로부터 발생된 열에 의하여 연료 전지 스택(40)이 초기 시동 온도 이상으로 가열되면 연료 전지 스택(40)으로 연료를 공급하여 전기를 생성하도록 한다. As such, when the
연료 전지 스택(40)이 전기를 생성하게 되면 로드 뱅크(42)로 외부 전원(60)으로부터 전력을 공급하던 것을 멈추어 로드 뱅크(42)에 의하여 전력이 소모되지 않도록 한다. When the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 전지 시스템(10)이 작동 중 전력 생산이 불필요해지는 경우, 예를 들어, 선박이 항구에 정박하여 연료 전지 시스템(10)으로부터 발생된 전력이 소비되지 않고 남게 되는 경우 이를 로드 뱅크(42)로 공급하여 로드 뱅크(42)를 이용하여 전기를 소모하도록 한다. On the other hand, when the power generation of the
이 때, 로드 뱅크(42)는 전기를 소모하는 동안 발열하게 되는데, 이와 같이 로드 뱅크(42)가 발열하는 경우 연료 전지 스택(40)을 가열하게 된다. At this time, the load bank 42 generates heat while consuming electricity. When the load bank 42 generates heat, the load bank 42 heats the
이와 같이 연료 전지 스택(40)이 가열되면, 연료를 스택(40)의 작동 온도 유지에 필요한 정도로만 공급하여 연료 전지 스택(40)에서 소비되는 연료 소비량을 최소화할 수 있다. As such, when the
한편, 연료 전지 스택(40)에 연료의 공급이 차단된 경우 연료 전지 스택(40)에서는 전기를 생성하지 않으며, 이에 따라 연료 전지 스택(40)의 온도가 낮아져 쿨다운될 수 있다. On the other hand, when the supply of fuel to the
이와 같은 경우에는 연료 전지 스택(40)의 온도가 가동 온도 이하로 떨어지는 것을 방지하기 위하여 연료 전지 스택(40) 내부의 로드 뱅크(42)에 외부 전원(60)으로부터 전기를 공급하여 로드 뱅크(42)를 가열할 수 있다. In such a case, in order to prevent the temperature of the
이와 같이 연료 전지 스택(40)을 작동시키지 않을 경우에도 하우징(20) 내부에 설치된 로드 뱅크(42)를 외부 전원(60)으로 가열함으로써 연료 전지 스택(40)을 작동 가능 온도 이상으로 유지시킴으로써 연료 전지 스택(40)의 쿨다운이 방지될 경우 연료 전지 시스템(10)의 수명을 연장시킬 수 있다. Even when the
본 명세서에서, '선박'이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 이 때, 본 실시 형태의 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.In the present specification, the term 'ship' is not limited to a structure for navigating a watercraft, but should be understood to include a marine structure such as an FLNG that floats in the water and performs work. At this time, the ship of the present embodiment may be, for example, LNGC or FLNG, but the present invention is not limited thereto.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
10 연료 전지 시스템 20 하우징
30 연료 공급기 40 연료 전지 스택
42 로드 뱅크 50 전력 변환기
60 외부 전원 10
30
42
60 external power
Claims (4)
하우징;
상기 하우징 내부에 설치되며, 수소와 산소를 공급받아 전기를 생성하는 연료 전지 스택 및
상기 하우징 내부에 설치되며, 작동시 발열하여 상기 연료 전지 스택을 가열할 수 있는 로드 뱅크를 포함하는 선박용 연료 전지 시스템.In a marine fuel cell system,
housing;
A fuel cell stack installed inside the housing and configured to generate electricity by receiving hydrogen and oxygen;
And a load bank installed inside the housing and capable of heating the fuel cell stack by generating heat during operation.
상기 로드 뱅크는 상기 연료 전지 스택으로부터 생성된 전기를 사용하거나 또는 상기 연료 전지 스택 이외의 외부 전력원으로부터 공급된 전기를 사용하여 작동하는 선박용 연료 전지 시스템. The method of claim 1,
And the load bank operates using electricity generated from the fuel cell stack or using electricity supplied from an external power source other than the fuel cell stack.
상기 연료 전지 시스템의 전력 생산이 불필요할 경우, 상기 연료 전지 시스템으로부터 생산되는 전력을 상기 로드 뱅크로 보내 소모시킴과 동시에 상기 로드 뱅크로부터 발생되는 열을 이용하여 상기 연료 전지 스택을 가열하는 선박용 연료 전지 시스템의 제어 방법. A method of controlling a fuel cell system for ships according to claim 1 or 2,
When power generation of the fuel cell system is unnecessary, a ship fuel cell for heating the fuel cell stack using heat generated from the load bank while simultaneously dissipating power generated from the fuel cell system to the load bank. How to control the system.
상기 연료 전지 시스템으로 상기 수소 및 산소가 공급되지 않아 상기 연료 전지 스택으로부터 전기가 생산되지 않는 경우 상기 로드 뱅크에 외부 전력을 인가하여 상기 스택의 온도를 작동 온도로 유지하는 선박용 연료 전지 시스템의 제어 방법. A method of controlling a fuel cell system for ships according to claim 1 or 2,
The control method of the ship fuel cell system to maintain the temperature of the stack at an operating temperature by applying external power to the load bank when the hydrogen and oxygen is not supplied to the fuel cell system is not produced electricity from the fuel cell stack .
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|---|---|---|---|---|
| KR20200140575A (en) * | 2019-06-07 | 2020-12-16 | 한국조선해양 주식회사 | Heat exchange system and offshore structure having the same |
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2012
- 2012-08-22 KR KR1020120092006A patent/KR20140025828A/en not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |