KR20140091817A - 연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법 - Google Patents

Abstract

연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템은, 선박에 탑재되어 전력을 생산하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택에 필요한 초순수(De-Ionized Water)를 생성하기 위해 해수를 이용하여 청수를 생성하고 상기 청수를 탈이온화(deionizing)하는 수처리 시스템; 및 상기 연료전지스택에서 생산되는 전력량이 상기 선박 내의 전력 소비량을 초과한 잉여전력이 발생되면, 상기 수처리 시스템을 부하로 작동시켜 상기 잉여전력을 소모시키는 전력 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법{FUEL CELLS SYSTEM AND METHOD FOR LOAD FOLLOWING THEREOF}

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박에 사용되는 연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화석에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체에너지로서 수소에너지가 각광 받고 있으며 수소에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.

이러한 연료전지들은 수소와 산소가 화학 반응을 일으켜 열과 전기, 물을 배출하는 것이 기본 원리이며 이러한 화학 반응을 위하여 필요한 수소는 다양한 방법으로 공급된다. 그리고, 그 중에서도 용융탄산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 및 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 같은 고온연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 각종 탄화수소계 연료를 적용할 수 있어 선박용 연료전지로 주목 받고 있다.

다만, 고온연료전지는 일반적으로 약 600도 내지 1000도의 고온상태에서만 전력을 발생시키기 때문에 고온연료전지를 선박에서 구동하기 위해서는 반드시 고온상태를 유지해야 하고, 이러한 작동 조건으로 부하추종성이 낮아 운전상의 제약 이 따르는 문제점이 있다.

예컨대, 선박은 운항조건에 따라 필요로 하는 전력의 양이 다르며, 선박에서 고온연료전지를 전력원으로 사용한다고 가정할 경우, 고온연료전지가 발생해야 하는 출력도 선박의 운항조건에 따라 달라져야 한다.

그런데, 선박에 필요한 전력량이 감소됨에 따라 무리하게 전력생산을 감소하는 경우 고온연료전지의 온도가 작동 조건 미만으로 내려가 작동이 중지될 수 있으며 이러한 고온연료전지의 작동 중지는 고가인 고온연료전지의 수명을 단축(예; 고온연료전지가 10회 이상 쿨 다운(col down) 되면 그 수명이 종료되어 교체해야 함) 시키는 문제점으로 지적되고 있다.

한편, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 선박용 연료전지의 계통 연결 방법을 아래와 같이 제시하고 있다.

고온연료전지에서 생산된 전력을 선박 내 여러 장비들이 소모하게 되는데, 이 선박 내 컨슈머(consumer)가 작동을 멈추어 전력 로드(load)가 감소하게 되면 AC 부하로 전력을 돌려서 남는 전력을 소모시키고 고온연료전지의 작동 중지가 이루어지지 않도록 발전량을 유지하는 것이다.

이 때, 만약 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)인 배터리 등이 설치되어 있으면 남는 전력을 일정량까지는 저장하였다가 부하가 늘면 다시 컨슈머(consumer)로 보내거나 AC 부하로 소모할 수 있다. 그러나 에너지저장장치(ESS)는 비용 때문에 제한적인 용량만 설치할 수 있고, 계속해서 생산되는 연료전지의 전력이 적절한 컨슈머(consumer)를 확보하지 못하면 결국 에너지저장장치(ESS) 용량 이상의 전력 생산량부터는 AC 부하로 소모해야 한다.

즉, 종래에 제시된 방법을 간단히 정리하면 고온연료전지에서 생산된 전력을 소모할 컨슈머(consumer)가 없을 때는 남는 전력을 AC 부하로 소모하는 것이다. 그러나, 이 방법은 연료전지의 전력생산 효율이 높다는 장점을 상쇄하고 선박에 대한 연료전지 적용을 무의미하게 하는 단점이 있다.

따라서, 선박 내에서 부하추종성이 낮은 고온연료전지를 가동하기 위해서는 좀더 효율적으로 낮은 부하추종성 문제점을 해결할 수 있는 방법이 절실히 요구된다.

본 발명의 실시 예는 선박에 사용되는 고온연료전지의 부하추종성을 확보하고 전력생산 효율을 향상시키기 위한 연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 시스템은, 선박에 탑재되어 전력을 생산하는 연료전지스택; 상기 연료전지스택에 필요한 초순수(De-Ionized Water)를 생성하기 위해 해수를 이용하여 청수를 생성하고 상기 청수를 탈이온화(deionizing)하는 수처리 시스템; 및 상기 연료전지스택에서 생산되는 전력량이 상기 선박 내의 전력 소비량을 초과한 잉여전력이 발생되면, 상기 수처리 시스템을 부하로 작동시켜 상기 잉여전력을 소모시키는 전력 제어부를 포함한다.

또한, 상기 전력 제어부는, 상기 잉여전력의 크기를 레벨화하여 정의하고, 상기 잉여전력의 레벨이 올라가면 상기 청수와 초순수의 생산량을 증가시키거나, 상기 잉여전력의 레벨이 떨어지면 상기 청수와 초순수의 생산량을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 수처리 시스템은, 상기 잉여전력을 이용해 상기 청수를 생산하는 조수기; 상기 조수기에서 생성된 청수를 공급받아 저장하는 제1 익스트라 탱크; 상기 청수를 탈이온화하는 초순수 제조기; 및 상기 초순수 제조기에서 생성된 초순수를 공급받아 저장하는 제2 익스트라 탱크를 포함할 수 있다.

또한, 상기 선박 내 전력 소비량이 증가하면, 상기 제1 익스트라 탱크는 저장된 상기 여유분의 청수를 방출하고, 상기 제2 익스트라 탱크는 저장된 상기 여유분의 초순수를 방출할 수 있다.

또한, 상기 전력 제어부는, 상기 연료전지스택에서 출력되는 직류전력을 선박 내 전력부하장치에서 사용 되는 교류전력으로 변환하는 전력 변환 모듈; 상기 전력부하장치의 기저 부하와 변동 부하의 작동 상태를 감시하여 두 부하의 합으로 선박 내 전력 소비량을 산출하는 모니터링 모듈; 및 상기 연료전지스택에서 생산된 전력량이 상기 전력 소비량에 비해 소정 기준치 이상을 초과하면 상기 잉여전력이 발생하는 것으로 판단하는 제어 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전력 제어부는, 상기 선박의 운항조건에 따라 필요로 하는 수요 전력량을 전력부하 변동의 기본적인 시나리오에 따라 레벨로 정립하고, 일정한 간격으로 상기 수요 전력량을 예측하거나 상기 운항조건의 변경에 따라 상기 수요 전력량을 예측하는 모니터링 모듈을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 연료전지 시스템의 선박의 운항조건 변경에 따른 부하추종 방법은, a) 연료전지스택에서 생산된 전력량을 체크하는 단계; b) 전력부하장치들의 작동상태를 감시하여 선박 내 현재 전력 소비량을 산출하고, 선박의 운항조건의 변동에 따라 필요한 수요 전력량을 예측하는 단계; c) 상기 생산된 전력량과 상기 전력 소비량을 비교하여 잉여전력 발생여부를 판단하는 단계; 및 d) 상기 잉여전력이 발생되면 해수를 이용하여 청수를 생성하고 상기 청수를 탈이온화(deionizing)하여 상기 연료전지스택에 필요한 초순수(De-Ionized Water)를 생성하는 수처리 시스템을 부하로 작동시켜 상기 잉여전력을 소모시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 생산된 전력량이 상기 전력 소비량에 비해 소정 기준치 이상을 초과하면 상기 잉여전력이 발생하는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는, 상기 수처리 시스템의 조수기로 작동 신호를 인가하여 상기 잉여전력을 이용해 청수를 생산하고 제1 익스트라 탱크에 저장하는 단계; 및 상기 수처리 시스템의 초순수 제어기로 작동 신호를 인가하여 상기 잉여전력을 이용해 초순수를 생산하고 제2 익스트라 탱크에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 제1 익스트라 탱크 및 상기 제2 익스트라 탱크 중 적어도 하나의 저장량이 임계치에 이르면 상기 청수 및 초순수의 생산을 중단하는 단계를 더 포함하는 고온연료전지의 부하추종 방법.

또한, 상기 d) 단계 이후에, 상기 선박 내 전력 소비량이 소정 기준치 이상 증가하면 상기 수처리 시스템의 가동을 중단하고, 각각의 익스트라 탱크에 저장된 여유분의 상기 청수 및 초순수를 방출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 선박 내의 수요 전력량을 초과하여 생산되는 잉여전력을 수처리 시스템을 부하로 하여 소모함으로써 선박의 운항 조건에 따른 부하추종성을 향상시킬 수 있다.

또한, 잉여전력을 저항을 통해 소모하지 않고 연료전지 선박의 운용에 필요한 청수와 초순수로 변환하여 저장함으로써 연료전지의 전력생산효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수처리 시스템의 구성과 그 처리 방법을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력부하장치와 이들의 작동상태를 감시하는 모니터링 모듈을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 부하추종 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서, "선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 FLNG와 같은 해상 구조물을 포함하는 것으로 사용된다. 본 실시형태의 선박은 예를 들어, LNGC 또는 FLNG일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템 및 그 부하추종 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 연료전지스택(100), MBOP(200), 전력 제어부(300) 및 전력부하장치(400)를 포함한다.

연료전지스택(Fuel Cell Stack)(100)은 전극과 전해질 및 분리판으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산한다.

그리고, 연료전지스택(100)은 초기 시동 또는 운전 중 고온상태를 유지하기 위해 열을 가하는 전기히터(110)를 포함한다.

MBOP(200)는 연료전지스택(100)에 연료(수소)와 공기(산소)를 공급하기 위한 기계적 장치를 통칭하며, 연료 공급부(210)(Fuel Supply), 수처리 시스템(220)(Water treatment system), 연료 처리부(230) 및 공기 공급부(240)를 포함한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 편의상 LNG 연료를 이용하는 것으로 가정하여 설명하나 그 연료가 LNG에 한정되지는 않는다.

연료 공급부(210)는 연료 탱크에 액체상태로 저장된 연료(LNG)를 기화시키거나 기체상태인 연료를 연료 처리부(230)로 전달한다.

수처리 시스템(220)은 해수를 이용하여 청수(Fresh water)를 생성하고, 상기 청수를 정수화 필터(Rehardening filter)를 거쳐 탈이온화(deionizing)하여 연료전지스택(100)에 공급하기에 적합한 초순수를 생성한다.

이 때, 수처리 시스템(220)은 해수를 초순수로 만들어 연료전지에 공급하기 때문에 후술되는 여러 단계의 설비를 거치게 되고 각 단계별로 일정 이상의 에너지를 소모하게 된다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 수처리 시스템(220)은 부하조절을 위해 잉여전력을 이용하여 청수 및 초순수를 생성하고 이를 각각 별도로 저장하는 익스트라 탱크(Extar tank)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이에 대한 설명은 다음의 도 2를 통해 구체적으로 설명한다. 여기서, 상기 잉여전력은 선박 내 전력 소비량이 감소하여 발전된 전력을 소비하고 남은 전력을 의미한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수처리 시스템의 구성과 그 처리 방법을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수처리 시스템(220)은 조수기(Fresh water generator)(221), 청수 탱크(222), 제1 익스트라 탱크(223), 초순수 제조기(Deionizer)(224), 초순수 탱크(225), 제2 익스트라 탱크(226), 경수화기(227), 자외선 살균기(228) 및 상수 탱크(229)를 포함한다.

조수기(221)는 펌프를 이용하여 끌어올린 해수를 증발시켜 청수를 생산하여 청수 탱크(222)에 저장한다.

청수 탱크(222)는 조수기(221)에서 생산된 청수를 저장하고, 저장된 청수를 발전용 및 용수로서의 사용 목적에 따라 수질을 개선하는 경수화기(227) 및 자외선 살균기(228)로 전달한다.

특히, 조수기(221)는 부하조절을 위해 추가적으로 잉여전력을 소비해야 하는 경우 청수의 생산량 늘려 저장한다.

제1 익스트라 탱크(223)는 청수 탱크(222)에 연결되어 청수 탱크(222)에 저장된 청수가 임계치에 이르거나 상기 잉여전력으로 생성된 여유분의 청수를 공급받아 저장한다.

즉, 조수기(221)는 잉여전력을 청수로 변환하여 제1 익스트라 탱크(223)에 저장하고, 제1 익스트라 탱크(223)는 선박 내 전력 소비량이 증가하는 경우 저장된 청수를 청수 탱크(222)를 통해 방출함으로써 전력 소비량을 줄일 수 있다.

초순수 제조기(224)는 청수 탱크(222)로부터 공급되는 청수로부터 이온을 제거(탈이온화)하여 초순수(De-Ionized Water)를 생성하고 이를 초순수 탱크(225)에 저장한다. 이 때, 초순수(De-Ionized Water)는 일반적으로 이온 전도도가 매우 낮은 상태의 물을 의미한다.

초순수 탱크(225)는 저장된 초순수를 연료전지스택(100)에 공급한다.

특히, 초순수 제조기(224)는 부하조절을 위해 추가적으로 잉여전력을 소비해야 하는 경우 초순수의 생산량을 늘려 저장한다.

제2 익스트라 탱크(226)는 초순수 탱크(225)에 연결되어 초순수 탱크(225)에 저장된 청수의 저장량이 임계치에 이르거나 상기 잉여전력으로 생성된 여유분의 청수를 공급받아 저장한다.

즉, 초순수 제조기(224)는 발생되는 잉여전력을 초순수로 변환하여 제2 익스트라 탱크(226)에 저장하고, 제2 익스트라 탱크(226)는 선박 내 전력 소비량이 증가하는 경우 저장된 초순수를 초순수 탱크(225)를 통해 방출함으로써 초순수 생성을 위해 필요한 전력 소비량을 줄일 수 있다.

한편, 경수화기(227)는 청수 탱크(222)로부터 공급되는 청수를 경수화 필터(Rehardening filter)에 통과시켜 이온화 작용을 통해 약알카리성으로 변화시킨다.

조수기(221)에서 생산된 청수는 수소이온 지수(pH), 경도, 미네랄의 부재로 음용수로 바로 사용하기 부적하다. 그러므로, 경수화기(227)를 이용하여 청수 속의 경도와 수소이온 지수(pH)를 조절하고, 미네랄을 생성하는 역할을 한다.

자외선 살균기(U.V Sterilizer)(228)는 자외선램프를 이용하여 물속의 세균을 살균한다.

상수 탱크(Potable Water Tank)(229)는 경수화기(227) 및 자외선 살균기(228)을 통해 음용수로 사용하기에 적합한 상태로 변환된 양질의 상수를 저장한다.

다시, 상기 도 1을 참조하면, 연료 처리부(230)는 연료 공급부(210)에서 전달되는 연료를 전처리하여 연료전지스택(100)으로 공급하며, 도면에서는 생략되었으나 전달되는 연료에서 황성분을 제거하는 탈황기, 황성분이 제거된 연료를 연료전지스택(100)에서 요구되는 수소 연료로 전환하는 예비개질기(pre-reformer), 전환된 수소연료를 가열하여 상온을 유지시키는 가열기 및 상온의 수소연료를 연료전지스택(100)으로 송달하는 공기 압축기를 포함할 수 있다. 이 때, 연료의 개질(Fuel reforming)은 원료로 제공되는 연료를 연료전지 스택에서 요구되는 연료로 전환하는 것을 의미한다.

또한, 고온연료전지는 니켈계 연료극이 사용되고 고온에서 작동되는 연료전지이므로 일산화탄소가 연료로 사용 가능할 뿐 아니라 연료극에서 내부개질에 의해 생성된 탄화수소의 사용도 가능하므로, 연료 중 황성분을 제거하기 위한 탈황기와 예비개질기(pre-reformer)만으로도 연료개질기가 구성될 수 있다.

공기 공급부(240)는 연료전지스택(100)에 전력생산을 위한 공기를 공급하며 이를 위한 블로어(Blower) 또는 공기압축기(Compressor)를 포함할 수 있다.

전력 제어부(300)는 선박 내 전체적인 전력망을 관리하는 중앙전력 분배장치로 선박 내 현재 전력 소비량 및 예측되는 수요 전력량을 파악하여 부하추종을 위한 전력공급 및 연료전지스택(100)의 전력 생산량을 조절한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 제어부(300)는 전력 변환 모듈(310), 모니터링 모듈(320) 및 제어 모듈(330)을 포함한다.

전력 변환 모듈(310)은 연료전지스택(100)에서 출력되는 직류전력을 선박 내 전력부하장치(400)에서 사용 하기에 적합한 교류전력으로 변환한다. 이 때, 도면에서는 생략되었으나 전력 변환 모듈(310)은 별도의 발전기를 통해 생산된 전력도 상용 교류전력을 변환할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력부하장치와 이들의 작동상태를 감시하는 모니터링 모듈을 나타낸다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 모니터링 모듈(320)은 전력부하장치(400)들의 작동상태를 감시하여 선박 내 현재 전력 소비량을 산출하고, 선박의 운항조건의 변동에 따라 필요한 수요 전력량을 예측한다.

여기서, 선박 내의 전력부하장치(400)는 크게 연속적인 수요가 발생되는 기저 부하와 운전 조건에 따라 수시로 변동되는 변동 부하로 구분할 수 있다.

기저 부하는 조명장치, 히팅장치 및 환기장치 등으로 선박 운항을 위해 기본적으로 사용되는 부하를 의미한다.

변동 부하는 엔진 보조 기기류, 발라스트 워터 펌프, 스위치 등의 선장 기기류, 카고 펌프, 바우 스러스터 및 수처리 시스템 등으로 선박의 운전 조건(작동 상태)에 따라 수시로 변동되는 부하를 의미한다.

모니터링 모듈(320)은 기저 부하와 변동 부하의 작동 상태를 감시하여 두 부하의 합으로 현재 선박 내 전력 소비량을 산출한다. 또한, 모니터링 모듈(320)은 변동이 적은 기저 부하는 고정 값으로 하고 변동 부하를 수시로 체크하여 그 합으로 선박 내 전력 소비량을 산출할 수 있다.

또한, 모니터링 모듈(320)은 도면에서는 생략되었으나 선박 내 시설된 각종 센서 네트워크를 통하여 선박의 전반적인 상태를 감시할 수 있다. 특히, 연료전지스택(100)의 온도 및 전력생산의 이상징후를 감지하거나 선박 내 전력망과의 계통연계 등의 문제 발생에 따른 비상 상황을 파악할 수 있다.

한편, 제어 모듈(330)은 잉여전력을 이용하여 수처리 시스템(220)의 작동을 제어하며, 이를 아래의 도 5를 통해 자세히 설명한다.

한편, 도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 부하추종 방법을 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어 모듈(330)은 연료전지스택(100)에서 생산된 전력량을 체크한다(S101).

제어 모듈(330)은 모니터링 모듈(320)을 통해 파악되는 현재 선박 내 전력 소비량을 체크한다(S102).

제어 모듈(330)은 각각 체크된 상기 생산 전력량과 상기 전력 소비량을 비교하여(S103), 상기 생산된 전력량이 상기 전력 소비량에 비해 소정 기준치 이상을 초과하면 잉여전력이 발생하는 것으로 판단한다(S104). 여기서, 상기 소정 기준치 이상이라 함은 소비하고 남은 잉여전력의 발생폭(발생량)이 무시할 수 있는 정도이거나, 혹은 다른 장비에 활용하기 가능한 정도의 여유분으로 발생된 것을 파악하기 위한 것이다.

제어 모듈(330)은 수처리 시스템(220)의 조수기(221)로 작동 신호를 인가하여 잉여전력을 이용해 청수를 생산하여 제1 익스트라 탱크(223)에 저장하도록 제어한다(S105).

또한, 제어 모듈(330)은 수처리 시스템(220)의 초순수 제조기(224)로 작동 신호를 인가하여 잉여전력을 이용해 초순수를 생산하여 제2 익스트라 탱크(226)에 저장하도록 제어한다(S106).

이처럼, 상기 S105 및 S106 단계에서의 조수기(221)와 초순수 제조기(224)는 선박의 운항 조건에 따라 선박의 수요 전력량이 감소하여 발생되는 잉여전력을 소모하는 부하로서의 역할을 한다.

그리고, 제어 모듈(330)은 잉여전력의 크기를 레벨화하여 정의하고 그 크기에 따라 잉여전력의 레벨이 올라가면 청수와 초순수의 생산량을 증가시키고, 상기 잉여전력의 레벨이 떨어지면 청수와 초순수의 생산량을 감소시켜 조수기(221)와 초순수 제조기(224)의 부하를 조절할 수 있다.

제어 모듈(330)은 제1 익스트라 탱크(223) 및 제2 익스트라 탱크(226) 중 적어도 하나의 저장량이 임계치에 이르면 해당 저장물(청수 또는 초순수)의 생산을 중단한다(S107).

이후에, 도면에서는 생략되었으나, 제어 모듈(330)은 잉여전력으로 인한 추가전인 전력소모가 필요 없을 때에는 조수기(221)와 초순수 제조기(224)의 작동을 중지하거나 부하를 줄이고, 제1 익스트라 탱크(223) 및 제2 익스트라 탱크(226)에 저장되어 있는 청수와 초순수를 방출하여 사용할 수 있다.

또한, 제어 모듈(330)은 선박 내 전력 소비량이 소정 기준치 이상 증가하면 수처리 시스템의 가동을 중단하고, 각각의 익스트라 탱크(223, 226)에 저장된 여유분의 청수 및 초순수를 방출함으로써 수처리 시스템(220) 가동을 위한 소비량을 줄일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따르면, 선박 내의 수요 전력량을 초과하여 생산되는 잉여전력을 수처리 시스템(220)을 부하로 하여 소모함으로써 선박의 운항 조건에 따른 부하추종성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 잉여전력을 저항을 통해 소모하지 않고 연료전지 선박의 운용에 필요한 청수와 초순수로 변환하여 저장함으로써 연료전지의 전력생산효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 상기 제1 실시 예의 구성과 동일하며, 전력 제어부(300)에서 연료전지스택(100)의 전기히터(110)를 가동하기 위한 전력공급라인(120)이 추가된 점만 다르다.

따라서, 상기 제1 실시 예의 연료전지 시스템과 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 부하추종 방법을 위주로 설명한다.

전력 제어부(300)의 모니터링 모듈(320)은 선박의 운항조건에 따라 필요로 하는 수요 전력량을 전력부하 변동의 기본적인 시나리오에 따라 복수의 레벨로 정립하고, 일정한 시간 간격으로 상기 수요 전력량을 예측하거나 상기 운항조건의 변경 이슈에 따라 상기 수요 전력량을 예측할 수 있다.

전력 제어부(300)의 제어 모듈(330)은 수요 전력량의 감소가 예측됨에 따라 MBOP(200)로 전력 생산량을 감소시킬 것을 요청한다(①).

MBOP(200)는 전력 제어부(300)로부터 수신된 전력 생산량 감소 요청에 따라 연료 공급부(210), 수처리 시스템(220) 및 공기 공급부(240)에서 각각 연료전지스택(100)으로 공급되는 연료, 물 및 공기의 양을 감소시킨다(②).

MBOP(200)에서의 연료 공급량이 감소하면 연료전지스택(100)에서도 줄어든 연료량에 따라 연료전지스택(100)의 전력 생산량이 감소되고, 연료전지스택(100)은 전력 생산량이 감소되면서 그에 따른 전기화학반응도 줄어들어 스택 온도가 저하될 수 있다(③).

이 때, 연료전지스택(100)은 온도가 작동조건 미만으로 내려가면 작동이 중지되는 비상상태가 발생될 수 있으므로 그 전력 생산량이 감소하더라도 작동조건 이상의 고온상태로 유지해줘야만 한다.

그래서, 전력 제어부(300)는 생산된 전력의 일부를 연료전지스택(100)의 전기히터(110)가동을 위한 전력으로 공급한다(④).

전기히터(110)는 연료전지스택(110)을 힛팅하여 내부 온도가 작동조건 미만으로 내려가지 않도록 온도를 유지한다.

이 때, 전기히터(110)는 연료전지스택(100)의 온도를 고온상태로 유지하기 위한 기생전력을 더 사용하여 연료전지스택(100)에서 생산되는 전력을 소모시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 선박 내 전력 수요량을 예측하고 그에 따른 연료 공급량을 조절하며, 전기히터(110)를 이용하여 연료전지 스택의 온도를 고온상태로 유지함으로써 연료전지스택(100)의 작동이 중지되는 것을 예방하고 선박의 운항 조건에 따른 부하추종성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.

예컨대, 앞선 설명에서는 선박 내의 수요 전력량을 초과하여 생산되는 잉여전력을 수처리 시스템(220)을 부하로 하여 소모하는 제1 실시 예와 전력 수요량 감소의 예측으로 연료전지스택에 공급되는 연료량을 줄이면서 연료전지스택의 온도를 유지시키는 제 2 실시 예로 구분하여 설명하였으나 두 기능을 연계하여 선박의 운항 조건에 따른 부하추종성을 향상시킬 수 있음은 자명하다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 연료전지스택 110: 전기히터
200: MBOP 210: 연료 공급부
220: 수처리 시스템 221: 조수기
222: 청수 탱크 223: 제1 익스트라 탱크
224: 초순수 제조기 225: 초순수 탱크
226: 제2 익스트라 탱크 227: 경수화기
228: 자외선 살균기 229: 상수 탱크
300: 전력 제어부 310: 전력 변환 모듈
320: 제어 모듈 330: 모니터링 모듈
120: 전력공급라인

Claims (11)

1. 선박에 탑재되어 전력을 생산하는 연료전지스택;
   상기 연료전지스택에 필요한 초순수(De-Ionized Water)를 생성하기 위해 해수를 이용하여 청수를 생성하고 상기 청수를 탈이온화(deionizing)하는 수처리 시스템; 및
   상기 연료전지스택에서 생산되는 전력량이 상기 선박 내의 전력 소비량을 초과한 잉여전력이 발생되면, 상기 수처리 시스템을 부하로 작동시켜 상기 잉여전력을 소모시키는 전력 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력 제어부는,
   상기 잉여전력의 크기를 레벨화하여 정의하고,
   상기 잉여전력의 레벨이 올라가면 상기 청수와 초순수의 생산량을 증가시키고, 상기 잉여전력의 레벨이 떨어지면 상기 청수와 초순수의 생산량을 감소시키는 연료전지 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 수처리 시스템은,
   상기 잉여전력을 이용해 상기 청수를 생산하는 조수기;
   상기 조수기에서 생성된 청수를 공급받아 저장하는 제1 익스트라 탱크;
   상기 청수를 탈이온화하는 초순수 제조기; 및
   상기 초순수 제조기에서 생성된 초순수를 공급받아 저장하는 제2 익스트라 탱크를 포함하는 연료전지 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 선박 내 전력 소비량이 증가하면,
   상기 제1 익스트라 탱크는 저장된 여유분의 상기 청수를 방출하고,
   상기 제2 익스트라 탱크는 저장된 여유분의 상기 초순수를 방출하는 연료전지 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전력 제어부는,
   상기 연료전지스택에서 출력되는 직류전력을 선박 내 전력부하장치에서 사용 되는 교류전력으로 변환하는 전력 변환 모듈;
   상기 전력부하장치의 기저 부하와 변동 부하의 작동 상태를 감시하여 두 부하의 합으로 선박 내 전력 소비량을 산출하는 모니터링 모듈; 및
   상기 연료전지스택에서 생산된 전력량이 상기 전력 소비량에 비해 소정 기준치 이상을 초과하면 상기 잉여전력이 발생하는 것으로 판단하는 제어 모듈을 포함하는 연료전지 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력 제어부는,
   상기 선박의 운항조건에 따라 필요로 하는 수요 전력량을 전력부하 변동의 기본적인 시나리오에 따라 레벨로 정립하고,
   일정한 간격으로 상기 수요 전력량을 예측하거나 상기 운항조건의 변경에 따라 상기 수요 전력량을 예측하는 모니터링 모듈을 포함하는 연료전지 시스템.
7. 연료전지 시스템의 선박의 운항조건 변경에 따른 부하추종 방법에 있어서,
   a) 연료전지스택에서 생산된 전력량을 체크하는 단계;
   b) 전력부하장치들의 작동상태를 감시하여 선박 내 현재 전력 소비량을 산출하고, 선박의 운항조건의 변동에 따라 필요한 수요 전력량을 예측하는 단계;
   c) 상기 생산된 전력량과 상기 전력 소비량을 비교하여 잉여전력 발생여부를 판단하는 단계; 및
   d) 상기 잉여전력이 발생되면 해수를 이용하여 청수를 생성하고 상기 청수를 탈이온화(deionizing)하여 상기 연료전지스택에 필요한 초순수(De-Ionized Water)를 생성하는 수처리 시스템을 부하로 작동시켜 상기 잉여전력을 소모시키는 단계를 포함하는 부하추종 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 c) 단계는,
   상기 생산된 전력량이 상기 전력 소비량에 비해 소정 기준치 이상을 초과하면 상기 잉여전력이 발생하는 것으로 판단하는 부하추종 방법.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 d) 단계는,
   상기 수처리 시스템의 조수기로 작동 신호를 인가하여 상기 잉여전력을 이용해 청수를 생산하고 제1 익스트라 탱크에 저장하는 단계; 및
   상기 수처리 시스템의 초순수 제어기로 작동 신호를 인가하여 상기 잉여전력을 이용해 초순수를 생산하고 제2 익스트라 탱크에 저장하는 단계를 포함하는 부하추종 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    상기 제1 익스트라 탱크 및 상기 제2 익스트라 탱크 중 적어도 하나의 저장량이 임계치에 이르면 상기 청수 및 초순수의 생산을 중단하는 단계를 더 포함하는 고온연료전지의 부하추종 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    상기 선박 내 전력 소비량이 소정 기준치 이상 증가하면 상기 수처리 시스템의 가동을 중단하고, 각각의 익스트라 탱크에 저장된 여유분의 상기 청수 및 초순수를 방출하는 단계를 포함하는 부하추종 방법.

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