KR20150112279A - Waste heat recycling system for ship mounted with generator and fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a waste heat recycling system for a ship. More specifically, in a ship using both a fuel cell system for generating auxiliary power and a main generator for generating main power, the system effectively collects waste heat from the fuel cell and the main generator, and supplies the waste heat to a place demanding heat in the ship. According to the present invention, a ship can be operated in an eco-friendly manner with the application of the fuel cell system to the ship, and waste heat from a high-temperature fuel cell, desirably a fuel cell system composed of a MCFC and a SOFC, can be used to enhance the efficiency of an energy system in a ship.

Description

발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM FOR SHIP MOUNTED WITH GENERATOR AND FUEL CELL}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a waste heat recovery system for a ship equipped with a generator and a fuel cell,

본 발명은 발전기와 연료전지 시스템이 도입된 선박에 있어서, 선박 내 발생되는 폐열을 수집하여 재활용하는 폐열 회수 시스템에 관한 기술이다.The present invention relates to a waste heat recovery system for collecting and recycling waste heat generated in a ship in a ship to which a generator and a fuel cell system are introduced.

본 발명은 상선, 운반선, 여객선, 화물선, 해양구조물 등을 포함한 다양한 형태의 선박에 적용될 수 있으므로, 특정 선박 또는 해양 구조물로 한정되지 않을 수 있다.The present invention can be applied to various types of vessels including merchant ships, carrier ships, passenger ships, cargo ships, offshore structures, and the like, and thus may not be limited to specific vessels or offshore structures.

본 명세서에서 "선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 이뿐 아니라 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 LNG 생산설비(FLNG)와 같은 해양 구조물을 포함하는 것으로 사용될 수 있고, 나아가 연료전지 시스템을 도입하고 있는 지상 이동장치에 또한 적용될 수 있다.As used herein, the term "ship" is not to be construed as referring to a structure that navigates an aquifer, but may also be used to include an offshore structure such as a floating LNG production facility (FLNG) And can also be applied to a ground mobile device incorporating a fuel cell system.

선박을 비롯한 해상 부유체는 해상에서 부유하면서 엔진 등에서 발생되는 추진력에 의하여 추진된다. 엔진의 연료로는 HFO(Heavy Fuel Oil), 전기 등 다양한 종류가 사용되고 있으며 최근에는 연료로서 NG(Natural Gas)가 제안되어 사용되기 시작하였다.The maritime fluid including the ship floats on the sea and is propelled by the propulsive force generated by the engine. Various types of fuel such as HFO (Heavy Fuel Oil) and electricity are used as engine fuel. Recently, NG (Natural Gas) has been proposed and started to be used as fuel.

또한, 최근 화석 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지로서, 수소 에너지가 각광받고 있으며, 수소 에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.Recently, hydrogen energy has been attracting attention as a substitute energy for solving the problem of depletion of fossil energy, and research and development of a fuel cell, which is a utilization medium of hydrogen energy, has been actively carried out.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 이러한 연료전지는 동작 온도와 주 연료의 형태에 따라 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAGC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 등으로 구분된다.Fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy of hydrogen and oxygen into electrical energy. These fuel cells can be classified into three types depending on the operating temperature and the type of main fuel: alkali fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAGC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), polymer electrolyte membrane fuel cell PEMFC).

더욱 상세하게는, 알칼리 연료전지와 고분자 전해질막 연료전지의 경우 상온~100도 이하에서 가동되고, 인산형 연료전지는 약 150~200도 부근에서 가동된다. 그리고 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지는 고온형 연료전지로서 일반적으로 약 600~1000도의 고온에서 가동된다. 이러한 고온형 연료전지가 선박에서 가동되기 위해서는 고온 상태의 온도를 유지하거나 투입되는 연료를 예열하는 장치가 필수적이다.More specifically, in the case of an alkali fuel cell and a polymer electrolyte membrane fuel cell, the fuel cell operates at a temperature of about room temperature to 100 degrees Celsius, and the phosphoric acid fuel cell operates at about 150 to 200 degrees Celsius. Molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells are high temperature type fuel cells and generally operate at a high temperature of about 600 to 1000 degrees Celsius. In order for such a high-temperature type fuel cell to operate on a ship, it is necessary to maintain a high-temperature state or to preheat the input fuel.

연료전지가 선박에 탑재된 경우 선박으로부터 공급될 수 있는 잉여 에너지를 통하여 선박에 탑재된 연료전지시스템의 효율을 증대시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 통상적으로 MBOP(Mechanical Balnce of Plant), 연료전지 스택 및 EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함하는 연료전지 시스템의 성능은 연료전지 스택 자체의 성능뿐만 아니라, 연료전지의 주변장치 즉 BOP(Balance of Plant)의 효율적이 운전에 의해 향상될 수 있다.In the case where a fuel cell is mounted on a ship, researches for increasing the efficiency of a fuel cell system mounted on a ship through surplus energy that can be supplied from the ship have been actively conducted. Typically, the performance of a fuel cell system including a Mechanical Balance of Plant (MBOP), a fuel cell stack, and an Electrical Balance of Plant (EBOP) is determined not only by the performance of the fuel cell stack itself, ) Can be improved by the efficient operation.

연료전지의 작동원리에 대하여 설명하면, 수소는 양극(anode)을 통과하고 산소는 음극(cathode)을 통과하게 되는데, 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 생산된 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 전환되어 선박 내 전력 수요처에서 사용된다. 아울러 전자가 전해질을 통과하면서 열도 부수적으로 발생된다.The principle of operation of a fuel cell will be described. Hydrogen passes through an anode and oxygen passes through a cathode. Hydrogen and oxygen react with each other electrochemically to generate water to generate current in the electrode. The generated DC current is used as the power of the DC motor, or it is converted to the alternating current by the inverter and used in the power demand in the ship. In addition, electrons pass through the electrolyte and heat is generated incidentally.

이러한 연료전지를 선박의 동력 시스템 또는 전력 수요처 공급 시스템으로 활용하기 위하여 여러 시도가 있었다. 예컨대 본 출원인은 대한민국 등록특허공보 제10-0614299호에서 연료전지를 이용한 선박용 동력 시스템에 대하여 제시한 바 있다. 연료전지 시스템은 전술한 바와 같이 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 상이하지만, 도 1에 도시된 모식도와 같이 근본적으로는 동일한 원리에서 작동된다.There have been many attempts to utilize these fuel cells as a ship's power system or power supply system. For example, the present applicant has proposed a power system for a marine vessel using fuel cells in Korean Patent Registration No. 10-0614299. As described above, the fuel cell system operates on the same principle basically as in the schematic diagram shown in FIG. 1, although the type of fuel, the operating temperature, the catalyst, and the electrolyte are different from each other.

도 1에 도시된 바와 같이 통상적으로 연료전지 시스템은 탄화수소 계열의 연료를 공급하는 연료부(1)로부터 공급된 연료를 이용하여 개질기(2)에서 수소를 추추출하여 산소가 포함된 공기(3)와 함께 연료전지 스택(4)에 제공하면, 연료전지 스택(4)에서 수소와 산소를 반응시켜 직류 전원을 생산하게 되고, 생산된 전력은 필요에 따라 전력 변환기(5)를 통해 교류 전력으로 변환되어 선박 내 수요처에 공급된다.As shown in FIG. 1, the fuel cell system typically extracts hydrogen from the reformer 2 by using the fuel supplied from the fuel portion 1 that supplies the hydrocarbon-based fuel, To the fuel cell stack 4, the hydrogen and oxygen are reacted in the fuel cell stack 4 to produce a DC power source, and the produced power is converted into AC power through the power converter 5 And is supplied to the customer in the ship.

한편, 대표적인 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 운전 온도가 약 600~1000도에 육박하여, 연료전지의 정상 운전을 위하여 투입되는 원료 물질의 예열이 요구되므로, 이에 소비되는 열적 에너지량이 상당하다. 이에 반해 고온형 연료전지 자체로부터 발생되는 폐열이나, 배출되는 폐기 가스 속에 함유된 폐열을 회수하기 위한 별도의 기술이 개발되지 않아 전체적인 에너지 효율성이 떨어지는 문제가 있었다.On the other hand, the MCFC and the SOFC, which are typical high-temperature type fuel cells, have an operating temperature of about 600 to 1000 degrees Celsius, and the preheating of the raw materials for the normal operation of the fuel cell The amount of thermal energy consumed is considerable. On the contrary, a separate technology for recovering the waste heat generated from the high-temperature type fuel cell itself or the waste heat contained in the waste gas to be discharged has not been developed, resulting in a problem of low energy efficiency as a whole.

대한민국 등록특허공보 제10-0614299호("반응물탱크를 내장한 액체화학물저장탱크", 2006.08.11. 공개)Korean Patent Publication No. 10-0614299 ("Liquid Chemical Storage Tank with Reactor Tank ", published on Aug. 11, 2006)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 보조 전력을 생산하는 연료전지 시스템과 주 전력을 생산하는 메인 발전기가 병용되는 선박에서, 연료전지 및 메인 발전기에서 발생되는 폐열을 효과적으로 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급함으로써 친환경적이고 에너지 효율성이 향상된 선박의 폐열 회수 시스템을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell system for generating auxiliary power and a main generator for generating main power, To provide a waste heat recovery system for a ship that is environmentally friendly and has improved energy efficiency.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(11), 상기 연료 탱크(11)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(12) 및 기화 및 예열된 천연가스로부터 추출되어 생성된 수소를 공급받아 선박에 필요한 보조 전력을 생산하는 연료전지(13)를 포함하는 연료전지 시스템(10); 및 선박에 필요한 주 전력을 생산하는 메인 발전기(20);를 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 발생되는 폐열을 수집하여 열 교환을 통해 상기 연료 가열기(12)에 수집된 폐열을 공급하는 폐열 회수 장치(30)를 더 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a liquefied natural gas (LNG) storage tank for storing liquefied natural gas (LNG), a fuel tank for vaporizing and preheating liquefied natural gas supplied from the fuel tank, A fuel cell system (10) comprising a heater (12) and a fuel cell (13) supplied with hydrogen generated from the gasified and preheated natural gas to produce auxiliary power required for the ship; And a main generator (20) for generating main electric power required for the ship, the system comprising: a waste heat recovery system for a ship equipped with a generator and a fuel cell, the waste heat recovery system comprising: And a waste heat recovery device (30) for collecting the waste heat collected by the fuel heater (12) and supplying the waste heat collected in the fuel heater (12) through heat exchange.

상기 폐열 회수 장치(30)는, 열 매체에 의한 열 교환을 통해 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)로부터 전달받은 폐열을 상기 연료 가열기(12)에 공급하는 열 매체 회로(31)를 포함하거나, 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)를 추가 냉각하는 해수 순환 회로(32)를 포함하거나, 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 생산된 전력을 선박 내 전력 수요처에 분배하는 배전반(40)을 더 포함하는 것이 바람직하다.The waste heat recovery apparatus 30 includes a heating medium circuit 31 for supplying waste heat received from the fuel cell system 10 and the main generator 20 to the fuel heater 12 through heat exchange by a heating medium, Or a seawater circulation circuit (32) for further cooling the fuel cell system (10) and the main power generator (20), or the power generated by the fuel cell system (10) and the main power generator It is preferable to further include an electric distribution board 40 that distributes electric power to the electric power consumer.

이때 상기 연료전지(13)는 적어도 하나 이상의 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고체 산화물 연료전지(SOFC)인 것이 바람직하며, 상기 폐열 회수 장치(30)는, 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(33)를 포함할 수 있다.It is preferable that the fuel cell 13 is at least one MCFC or a solid oxide fuel cell (SOFC) And an economizer 33 for collecting waste heat from the waste gas discharged from the steam generator 20 to produce steam.

또한, 상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(10)로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(34)에서 혼합되어 상기 이코노마이저(33)에 공급될 수 있으며, 상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(51), 상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(34) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(51)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(52) 및 상기 메인 발전기(20)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(51)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(52)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(53)를 더 포함하는 것이 바람직하다.The waste gas discharged from the main generator 20 may be mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system 10 in the gas mixing unit 34 and supplied to the economizer 33, (SCR) 51 for reducing the nitrogen compound in the waste gas discharged from the main power generator 20 to nitrogen and water, a gas mixture mixing unit 34 for mixing the waste gas discharged from the main generator 20 and the selective A damper 52 for selectively supplying the gas to the catalytic reduction unit 51 and a flow path setting signal of the waste gas discharged from the main generator 20 and a setting signal for determining whether the selective catalytic reduction unit 51 is driven, It is preferable to further include a waste gas control unit 53 for controlling the operation of the damper 52.

한편, 상기 폐열 회수 장치(30)는 상기 이코노마이저(33)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(35)을 더 포함할 수 있으며, 본 발명은 다른 실시예에 따라 전술한 바와 같은 폐열 회수 시스템이 구비된 선박을 제공한다.The waste heat recovery apparatus 30 may further include a steam turbine 35 for generating additional electric power from the steam produced from the economizer 33. The present invention can be applied to a waste heat recovery apparatus And a ship provided with a collection system.

상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템은, 연료전지 시스템의 선박 적용으로 인하여 친환경 선박 운용이 가능하고, 고온형 연료전지, 바람직하게는 MCFC와 SOFC로 구성된 연료전지 시스템으로부터 발생되는 폐열을 효과적으로 활용하여 선박의 에너지 시스템의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The waste heat recovery system of a ship equipped with the fuel cell of the present invention as described above is capable of operating environmentally friendly vessels due to the application of the ship of the fuel cell system and is also applicable to a fuel cell system comprising a high temperature type fuel cell, The efficiency of the energy system of the ship can be further improved.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구동 원리를 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.1 is a schematic diagram illustrating a driving principle of a conventional fuel cell system.
2 is a process flow diagram of a waste heat recovery system for a ship equipped with a generator and a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a process flow diagram of a waste heat recovery system for a ship equipped with a generator and a fuel cell according to another preferred embodiment of the present invention.
4 is a process flow diagram of a waste heat recovery system for a ship equipped with a generator and a fuel cell according to another preferred embodiment of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Prior to the description, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical concept of the present invention.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, this includes not only when the member is in contact with another member, but also when there is another member between the two members.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Throughout this specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that it may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 액화천연가스가 저장된 연료 탱크(11), 연료 가열기(12) 및 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)를 포함하는 선박에 있어서, 폐열 회수 장치(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 1에 도시되어 있다.The present invention relates to a ship comprising a main generator 20 and a fuel cell system 10 including a fuel tank 11, a fuel heater 12 and a fuel cell, in which liquefied natural gas is stored according to a preferred embodiment, And a waste heat recovery device (30) for recovering the waste heat of the ship. A process flow diagram according to this embodiment is shown in Fig.

연료 탱크(11)는 연료를 저장 및 공급하기 위한 선박 내 저장 공간으로, 특히 일정 압력 하에서 액화천연가스(LNG)를 저장한다. 연료 탱크(11)는 연료전지 시스템(10), 메인 발전기(20) 또는 메인 엔진에 연료를 공급하는 역할을 수행한다.The fuel tank 11 stores the liquefied natural gas (LNG) under a certain pressure as a storage space in the ship for storing and supplying fuel. The fuel tank 11 serves to supply fuel to the fuel cell system 10, the main generator 20 or the main engine.

연료 가열기(12)는 연료 탱크(11)로부터 공급받은 액화천연가스에 열을 가하여 기화시키거나 예열하는 역할을 한다. 이때 일정한 양의 열이 필요하여 연료 가열기(12)는 선박 내 열 수요처가 되며, 본 발명에서는 추가적인 보일러나 가열기를 구비할 필요 없이 연료 전지나 메인 발전기로부터 발생된 폐열을 수집하여 연료 가열기(12)에 공급함으로써, 연료를 기화시키거나 일정 온도 이상의 연료 제공 환경이 요구되는 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지(이하, MCFC라 함) 또는 고체 산화물 연료전지(이하 SOFC라 함)를 위하여 연료를 예열하게 된다. 아울러, 연료 가열기(12)는 두 단계의 유닛으로 나뉘어 연료 기화와 연료 예열을 별도로 수행할 수 있으며, 구분 여부는 특별히 한정하지 않는다.The fuel heater 12 serves to vaporize or preheat the liquefied natural gas supplied from the fuel tank 11 by applying heat thereto. In the present invention, waste heat generated from the fuel cell or the main power generator is collected and supplied to the fuel heater 12 without the necessity of providing additional boilers or heaters. (Hereinafter referred to as an MCFC) or a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC), which is a high-temperature-type fuel cell in which a fuel providing environment of a certain temperature or higher is required do. In addition, the fuel heater 12 may be divided into two stages to separately perform the fuel vaporization and the fuel preheating, and the classification is not particularly limited.

또한 연료전지 시스템(10)에서 필요한 수소를 생산하기 위하여 스팀이 필요하므로, 이를 공급하기 위하여 급수 탱크 및 스팀 발생기가 더 구비될 수 있다. 급수 탱크는 선박 내 급수를 저장하기 위한 공간이며, 스팀 발생기는 급수 탱크로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시킨다. 스팀 발생기는 상기 연료 가열기(12)와 마찬가지로 선박 내 열 수요처가 되며, 추후 회수된 폐열을 공급하여 급수의 가열이 이루어질 수 있다.Also, since steam is required to produce hydrogen required in the fuel cell system 10, a water supply tank and a steam generator may be further provided to supply the hydrogen. The water supply tank is a space for storing the water in the ship, and the steam generator heats the water supplied from the water supply tank to generate steam. Like the fuel heater 12, the steam generator becomes a heat consumer in the ship, and the waste water can be heated by supplying waste heat collected later.

연료 가열기(12)로부터 가열된 액화천연가스를 공급받고, 스팀 발생기로부터 스팀을 공급받아, 수소를 생성하는 개질기를 연료전지 시스템(10)에 더 구비할 수 있다. 이때 개질기와 연료전지 시스템(10) 상호 간의 효과적인 운용 제어를 위하여 개질기에서 생산된 수소를 일정량 저장하기 위한 수소 탱크를 별도로 구비할 수도 있다.The fuel cell system 10 may further include a reformer that receives the liquefied natural gas heated from the fuel heater 12 and receives steam from the steam generator to generate hydrogen. At this time, in order to control the operation of the reformer and the fuel cell system 10 effectively, a hydrogen tank for storing a certain amount of hydrogen produced in the reformer may be separately provided.

개질기로부터 수소를 공급받아 연료전지(13)에서 전력을 생산하게 된다. 연료전지의 전력 생산 원리는 이미 언급한 바 있다.Hydrogen is supplied from the reformer and the fuel cell 13 produces electric power. The principle of power generation of fuel cells has already been mentioned.

한편 연료전지 시스템(10)은 친환경 에너지원이고 효율도 높아 선박의 차세대 에너지원 중 하나로 각광받고 있으나, 부하 추종성이 떨어지고 기동 및 정지시 소요 시간이 길어, 현재 개발된 연료전지 시스템으로는 단독으로 선박 내 수요 전력을 모두 충당하기에는 어려움이 있다.Meanwhile, although the fuel cell system 10 is an eco-friendly energy source and has high efficiency, it is regarded as one of the next generation energy sources of ships. However, since the load followability is low and the time required for starting and stopping is long, It is difficult to cover all of my demand power.

따라서 연료전지 시스템(10) 이외에 별도의 전력원으로써 본 발명은 선박에 필요한 주 전력을 생산하는 메인 발전기(20)를 두고 있다. 별도로 메인 발전기(20)를 두고 있으나 연료전지 시스템(10)과 각각 독립적으로 운용하는 것이 아니라 폐열 회수 장치(30)를 통해 유기적으로 운용함으로써 효율을 높이고 환경 규제에 적극적으로 대처할 수 있게 된다.Therefore, as a separate power source in addition to the fuel cell system 10, the present invention has a main generator 20 for producing main power required for a ship. The main generator 20 is separately provided. However, the fuel cell system 10 is not operated independently of the fuel cell system 10 but is operated organically through the waste heat recovery device 30, thereby improving efficiency and positively coping with environmental regulations.

폐열 회수 장치(30)는 연료전지(13)와 메인 발전기(20)에서 발생되는 폐열을 수집 혹은 흡수하여 선박 내 다양한 열 수요처, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템(10) 내 연료 가열기(12)에 수집된 폐열을 공급하는 기능을 발휘하기 위한 다양한 형태의 제반 설비들이 차용되어 사용될 수 있다.The waste heat recovering device 30 collects or absorbs the waste heat generated in the fuel cell 13 and the main power generator 20 so as to be supplied to various heat consumers in the ship and more specifically to the fuel heater 12 in the fuel cell system 10. [ Various types of facilities for exerting the function of supplying collected waste heat can be borrowed and used.

바람직한 실시예로서 본 발명은 열 매체를 통한 열 교환 방식으로 구성된 열 매체 회로(31)를 제시한다. 열 매체 회로(31)는 연료전지(13) 및 메인 발전기(20)의 장치 외부를 감싸는 형태로 구비될 수 있으며, 열 매체가 연료전지(13) 및 메인 발전기(20)에서 방출되는 열을 흡수하여 가열되면, 열 매체 회로(31)를 통해 선박 내를 순환하면서 선박 내 열 수요처에 이르러 다시 한번 열 교환을 통해 흡수한 열을 방출하게 된다. 상기 열 매체는 온도 범위에 따라 적합한 다양한 형태의 냉매 조성물이 차용될 수 있다.As a preferred embodiment, the present invention provides a thermal medium circuit 31 configured in a heat exchange manner via a thermal medium. The thermal medium circuit 31 may be provided to surround the outside of the apparatus of the fuel cell 13 and the main generator 20 so that the heat medium absorbs heat emitted from the fuel cell 13 and the main generator 20. [ The heat is circulated through the heating medium circuit 31 to the heat consumer in the ship, and the heat absorbed again through heat exchange is once again discharged. Various types of refrigerant compositions suitable for the temperature range of the thermal medium may be employed.

또한 폐열 회수 장치(30)는 해수 순환 회로(32)가 추가로 구비될 수 있다. 해수 순환 회로(32)는 열 매체 회로(31)를 통한 열 교환에 더하여 추가적으로 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에 냉각을 할 필요가 있는 경우에, 외부 해수를 순환시켜 이를 수행하기 위해 해수를 공급하는 장치이다.The waste heat recovery apparatus 30 may further include a seawater circulation circuit 32. The seawater circulation circuit 32 circulates the external seawater to perform the cooling in addition to the heat exchange through the heating medium circuit 31 and the fuel cell system 10 and the main power generator 20 It is a device for supplying seawater to.

또, 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 생산된 전력을 수집하여 선박 내 전력 수요처 곳곳에 분재하기 위한 배전반(40)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
Further, it is preferable to further include an electric switchboard 40 for collecting the electric power produced by the fuel cell system 10 and the main generator 20 and bouncing the electric power to the user's places.

한편, 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하는 폐열 회수 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 3에 도시되어 있다.Meanwhile, the present invention provides a waste heat recovery system for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system 10 and the main generator 20 according to another preferred embodiment. A process flow chart according to this embodiment is shown in Fig.

폐열 회수 장치(30)에는 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(33)가 포함될 수 있다.The waste heat recovery apparatus 30 may include an economizer 33 for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system 10 and the main generator 20 to produce steam.

이코노마이저(33)는 폐기 가스가 중심부를 관통하여 통과되면서 외주면에 형성되는 급수 라인을 가열하게 되면서 과열된 급수 또는 스팀을 생산하는 장치이다. 이코노마이저(33)를 통해 생성되는 과열 급수나 스팀은 선박 내에서 이를 필요로 하는 수요처에 공급되거나, 열 교환을 통해 선박 내 열 수요처에 공급될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 스팀 터빈(35)을 추가로 두어 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산할 수 있다.The economizer 33 is a device for producing a superheated water supply or steam while heating the water supply line formed on the outer circumferential surface of the waste gas passing through the center portion. The superheated water supply or steam generated through the economizer 33 may be supplied to a customer who needs it in the ship or may be supplied to a heat consumer in the ship through heat exchange and more preferably the steam turbine 35 is added It is possible to produce additional electric power by using steam produced by steam generator.

또한 선박에서는 주 전력을 얻기 위한 메인 발전기(20)가 구비되는데, 메인 발전기(20)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(10)으로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(34)에서 혼합되어 이코노마이저(33)에 공급되도록 구성할 수 있다. 이로써 폐기 가스 내 폐열 함유량이 증가되어 보다 효과적으로 폐열을 수집할 수 있게 된다.
In addition, a main generator 20 for obtaining main power is provided on the ship. The waste gas discharged from the main generator 20 is mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system 10 in the gas mixing portion 34 And is supplied to the economizer 33. As a result, the waste heat content in the waste gas is increased and the waste heat can be collected more effectively.

한편, 본 발명은 바람직한 또 다른 실시예에 따라 폐기 가스 내 오염 물질을 컨트롤하기 위하여 선택적 촉매환원장치(이하 SCR이라 함)가 포함된 제반 설비가 구비되는 선박 내 폐열 회수 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 4에 도시되어 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a system for recovering waste heat in a ship having a facility including a selective catalytic reduction device (hereinafter referred to as SCR) for controlling pollutants in waste gas. A process flow diagram according to this embodiment is shown in Fig.

SCR(51)은 메인 발전기(20)로부터 배출되는 폐기 가스 속에 함유된 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 역할을 수행한다. SCR(51)은 폐기 가스에 암모니아 수용액을 주입하여 촉매 상에서 폐기 가스의 질소 산화물과 선택적으로 반응시킴으로써, 질소산화물을 무해한 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치 또는 이와 관계된 제반 설비로 구성될 수 있다.The SCR 51 serves to reduce the nitrogen compound contained in the waste gas discharged from the main generator 20 to nitrogen and water. The SCR 51 may comprise a selective catalytic reduction device for reducing nitrogen oxides to harmless nitrogen and water by injecting an aqueous ammonia solution into the waste gas and selectively reacting with the nitrogen oxides of the waste gas on the catalyst, or related equipment.

댐퍼(52)는 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스의 유동 경로를 SCR(51)과 이코노마이저(33)으로 이어지는 가스 혼합부(34)의 사이에서 변경하도록 분기 구조의 배기라인에 설치되는 덕트형 몸체를 가질 수 있다. 즉, 댐퍼(52)는 메인 발전기(20)로부터 배출되는 폐기 가스의 배관 라인으로부터 SCR(51) 배기관과 이코노마이저(33) 배기관이 분기되는 분기 지점에 설치되고, 메인 발전기(20)의 폐기 가스를 SCR(51) 또는 이코노마이저(33)에 선택적으로 공급시키도록, SCR(51)측 배기관 또는 이코노마이저(33) 측 배기관 중 어느 하나를 개방시킬 때 다른 하나를 차폐시키는 역할을 담당할 수 있다.The damper 52 is installed in the exhaust line of the branched structure so as to change the flow path of the waste gas discharged from the main generator 20 between the SCR 51 and the gas mixing section 34 connected to the economizer 33 Shaped body. That is, the damper 52 is installed at a branching point where the exhaust pipe of the SCR 51 and the exhaust pipe of the economizer 33 are branched from the pipeline of the waste gas discharged from the main power generator 20, When the SCR 51 or the economizer 33 side exhaust pipe is opened to selectively supply the SCR 51 or the economizer 33 to the SCR 51 or the economizer 33,

상술한 바와 같은 댐퍼(52)에 의한 폐기 가스 유동 경로의 설정 신호를 비롯하여 SCR(51)의 구동 여부의 설정신호 등을 처리하여 댐퍼(52)의 작동을 제어하기 위한 폐기가스 제어부(53)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이로써 NOx 규제지역 내에서 운항 시 필요에 따라 본 시스템을 가동하여 메인 발전기(20)의 폐기 가스가 폐열 수집을 위한 시스템에 투입되지 않고 SCR(51)에 투입되어 규제를 만족하도록 하며, 규제 지역을 통과하게 되면 폐열 회수를 위하여 폐기 가스가 가스 혼합부(34)에서 연료전지로부터 발생되는 폐기 가스와 혼합되어 이코노마이저(33)에 투입되도록 함으로써 보다 효과적으로 폐열을 수집하도록 유도한다.
The waste gas control unit 53 for controlling the operation of the damper 52 by processing the setting signal of the waste gas flow path by the damper 52 as described above and the setting signal of whether to drive the SCR 51 or the like . As a result, when the system is operated in the NOx regulated area as required, the waste gas from the main generator 20 is supplied to the SCR 51 without being supplied to the system for collecting the waste heat to satisfy the regulations. The waste gas is mixed with the waste gas generated from the fuel cell in the gas mixing section 34 for waste heat recovery so as to be introduced into the economizer 33 to induce more efficient collection of waste heat.

한편 본 발명은 상술한 바와 같은 다양한 실시예에 따른 폐열 회수 시스템이 구비된 선박을 제공한다.
The present invention provides a ship equipped with a waste heat recovery system according to various embodiments as described above.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific embodiments and descriptions, and various modifications can be made to the present invention without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.

1 : 연료부
2 : 개질기
3 : 공기
4 : 연료전지 스택
5 : 전력 변환기
10 : 연료전지 시스템
11 : 연료 탱크
12 : 연료 가열기
13 : 연료전지
20 : 메인 발전기
30 : 폐열 회수 장치
31 : 열 매체 회로
32 : 해수 순환 회로
33 : 이코노마이저
34 : 가스 혼합부
35 : 스팀 터빈
40 : 배전반
51 : 선택적 촉매환원장치(SCR)
52 : 댐퍼 53 : 폐기가스 제어부1: fuel portion
2: reformer
3: air
4: Fuel cell stack
5: Power converter
10: Fuel cell system
11: Fuel tank
12: Fuel burner
13: Fuel cell
20: main generator
30: Waste Heat Recovery Unit
31: Thermal medium circuit
32: Seawater circulation circuit
33: Economizer
34: gas mixing section
35: Steam turbine
40: Switchboard
51: Selective Catalytic Reduction Device (SCR)
52: damper 53: waste gas control unit

Claims (10)

액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(11), 상기 연료 탱크(11)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(12) 및 기화 및 예열된 천연가스로부터 추출된 수소를 공급받아 선박에 필요한 보조 전력을 생산하는 연료전지(13)를 포함하는 연료전지 시스템(10); 및 선박에 필요한 주 전력을 생산하는 메인 발전기(20);를 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서,
상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 발생되는 폐열을 수집하여 열 교환을 통해 상기 연료 가열기(12)에 수집된 폐열을 공급하는 폐열 회수 장치(30);
를 더 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.A fuel tank 11 for storing liquefied natural gas (LNG), a fuel heater 12 for vaporizing and preheating the liquefied natural gas supplied from the fuel tank 11, and a hydrogen heater 12 for supplying hydrogen extracted from the vaporized and preheated natural gas A fuel cell system (10) comprising a fuel cell (13) for producing an auxiliary power required for a ship; And a main generator (20) for producing main electric power required for the ship, the system comprising:
A waste heat recovery device (30) collecting waste heat generated in the fuel cell system (10) and the main power generator (20) and supplying waste heat collected in the fuel heater (12) through heat exchange;
And a ship equipped with the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(30)는,
열 매체에 의한 열 교환을 통해 상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)로부터 전달받은 폐열을 상기 연료 가열기(12)에 공급하는 열 매체 회로(31);
를 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat recovery device (30)
A heating medium circuit (31) for supplying waste heat received from the fuel cell system (10) and the main generator (20) to the fuel heater (12) through heat exchange by a heating medium;
And a ship equipped with the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(30)는,
상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)를 추가 냉각하는 해수 순환 회로(32);
를 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat recovery device (30)
A seawater circulation circuit (32) for further cooling the fuel cell system (10) and the main generator (20);
And a ship equipped with the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 생산된 전력을 선박 내 전력 수요처에 분배하는 배전반(40);
을 더 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
An electric distribution board (40) for distributing electric power produced by the fuel cell system (10) and the main generator (20) to electric power consumers in the ship;
And a ship equipped with the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 연료전지(13)는 적어도 하나 이상의 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고체 산화물 연료전지(SOFC)인 것을 특징으로 하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the fuel cell (13) is at least one of a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC). 제1항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(30)는,
상기 연료전지 시스템(10)과 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(33);
를 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat recovery device (30)
An economizer (33) for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system (10) and the main generator (20) to produce steam;
And a ship equipped with the fuel cell. 제6항에 있어서,
상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(10)로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(34)에서 혼합되어 상기 이코노마이저(33)에 공급되는 것을 특징으로 하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the waste gas discharged from the main generator (20) is mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system (10) in the gas mixing unit (34) and supplied to the economizer (33) The ship 's waste heat recovery system. 제7항에 있어서,
상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(51);
상기 메인 발전기(20)에서 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(34) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(51)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(52); 및
상기 메인 발전기(20)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(51)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(52)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(53);
를 더 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.8. The method of claim 7,
A selective catalytic reduction unit (SCR) 51 for reducing the nitrogen compound in the waste gas discharged from the main generator 20 to nitrogen and water;
A damper (52) for selectively supplying the waste gas discharged from the main generator (20) to the gas mixing unit (34) or the selective catalytic reduction unit (51); And
A waste gas control unit (53) for controlling the operation of the damper (52) by processing a flow path setting signal of the waste gas discharged from the main generator (20) and a setting signal for determining whether the selective catalytic reduction device (51) is driven;
And a ship equipped with the fuel cell. 제7항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(30)는,
상기 이코노마이저(33)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(35);
을 더 포함하는 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.8. The method of claim 7,
The waste heat recovery device (30)
A steam turbine 35 for producing additional power from the steam produced from the economizer 33;
And a ship equipped with the fuel cell. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 발전기와 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템이 구비된 선박.A ship equipped with the generator according to any one of claims 1 to 9 and a waste heat recovery system for a ship equipped with the fuel cell.
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