KR20150112280A - Waste heat recycling system for ship mounted with fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a waste heat recycling system for a ship mounted with a fuel cell. More specifically, the system of the present invention effectively collects waste heat and supplies the same to a place demanding heat in a ship mounted with a fuel cell system in which a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are connected in parallel. According to the present invention, a ship can be operated in an eco-friendly manner due to the application of the fuel cell system to the ship, and waste heat from the MCFC and a main engine can be effectively used to enhance the efficiency of an energy system in the ship.

Description

연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM FOR SHIP MOUNTED WITH 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 fuel cell,

본 발명은 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 fuel cell system is 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)는 부하추종 능력, 즉 전력수급의 변화에 대응하여 각 시점의 부하에 따라 즉시 전력을 내는 운전 방식으로 구동할 수 있는 능력이 없기 때문에 종래 선박용으로 탑재하기엔 무리가 있었다. 다시 말해서 용융탄산염 연료전지는 한번 가동되면 스택의 수명이 다할 때까지 풀 로딩(full loading)으로 전력을 생산하기 때문이다.On the other hand, a molten carbonate fuel cell (MCFC), which is a typical high-temperature type fuel cell, does not have a capability of driving in accordance with a load following capability, that is, It was unfortunate to be able to mount it for ships. In other words, once a molten carbonate fuel cell is powered up, it produces electricity with full loading until the stack reaches its end of life.

이러한 점은 항해 중과 기항 중에서의 전력 소비량 차이가 큰 선박에서 특히 문제될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전력 소비량의 변동 차이가 큰 선박에는 배터리를 추가로 장착할 수 있지만, 고가인 배터리가 지나치게 많이 필요하게 되어 비경제적이며 무게와 부피가 증가하게 되는 문제가 발생한다.This may be particularly problematic for ships with large power consumption differences during navigation and service. In order to solve this problem, a battery having a large variation in power consumption can be mounted on an additional battery, but an expensive battery is required too much, resulting in an uneconomical increase in weight and volume.

이에 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064723호에서는 선박에 탑재되는 용융탄산염 연료전지(MCFC)에 수전해 시스템과 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)를 추가로 탑재하여, 선박 운항시 MCFC로 전력을 생산하고, 이때 발생되는 잉여 전력으로 수전해 시스템을 구동하여 수소를 생산 및 축적하며, 항해 중 MCFC에서 생산된 전력을 초과하여 추가 전력이 필요한 경우, PEMFC을 통한 부하추종과 수소를 이용한 전력 생산을 통해 필요 전력을 공급할 수 있는 연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 방법을 제시한 바 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0064723 discloses that a water electrolysis system and a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are additionally mounted on a molten carbonate fuel cell (MCFC) mounted on a ship, If hydrogen is produced and accumulated by driving the system with surplus power generated at that time, and additional power is required in excess of the power generated by the MCFC during navigation, the load follow-up through the PEMFC and the generation of electricity using hydrogen And a load tracking device and method for a fuel cell power generation system capable of supplying required power through the fuel cell system.

그러나 상기 제시된 방식으로는 MCFC의 부하추종을 위하여 잉여 전력을 저장하고, 추가 수요 전력을 생산하여 전력 운용상의 효율성을 향상시킬 수는 있지만, MCFC를 구동함에 따라 발생되는 폐열이나, 추가적으로 메인 엔진에서 배출되는 폐기 가스에 함유된 폐열 등을 효율적으로 회수할 수 없어 에너지 효율 면에서 보완이 요구되는 실정이다.However, in the above-described method, it is possible to store surplus power for tracking the load of the MCFC and to improve the efficiency of the power operation by producing additional demanded electric power. However, the waste heat generated by driving the MCFC, The waste heat contained in the waste gas to be recovered can not be efficiently recovered, and thus it is required to be supplemented in terms of energy efficiency.

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) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064723호("연료전지 발전시스템용 부하추종 장치 및 그 방법", 2011.06.15. 공개)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0064723 ("Load Follower and Method for Fuel Cell Power System ", published on June 15, 2011)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)가 병렬적으로 연결된 연료전지 시스템을 탑재한 선박에 있어서 효과적으로 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which a molten carbonate fuel cell (MCFC) and a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) are connected in parallel, And collecting the waste heat to supply it to the heat consumer in the ship. The present invention also provides a waste heat recovery system for a ship equipped with a fuel cell.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(10); 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(20); 급수를 저장하는 급수 탱크(30); 상기 급수 탱크로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시키는 스팀 발생기(40); 상기 연료 가열기(20) 및 스팀 발생기(40)로부터 공급받은 연료와 스팀을 이용하여 수소를 생성하는 개질기(50); 상기 개질기(50)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 시스템(60); 및 선박 내에서 발생되는 폐열을 수집하는 폐열 회수 장치(70);을 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서, 상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 개질기(50)로부터 공급받은 수소를 이용해 선박 내 수요 전력을 생산하며 상기 개질기(50)와 병렬적으로 연결된 용융탄산염 연료전지(MCFC)(61)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(62), 상기 용융탄산염 연료전지(61)로부터 생산된 잉여 전력을 저장하는 배터리(63) 및 생산된 전력을 선박 내 수요처에 분배시키는 배전반(64)을 포함하고, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 용융탄산염 연료전지(61)에서 발생되는 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel tank for storing liquefied natural gas (LNG). A fuel heater (20) for vaporizing and preheating the liquefied natural gas supplied from the fuel tank (10); A water supply tank (30) for storing water supply; A steam generator (40) for heating the water supplied from the water supply tank to generate steam; A reformer 50 for generating hydrogen using fuel and steam supplied from the fuel heater 20 and the steam generator 40; A fuel cell system 60 that receives hydrogen from the reformer 50 to produce electric power; And a waste heat recovery device (70) for collecting the waste heat generated in the ship, wherein the fuel cell system (60) is a waste heat recovery system for a ship equipped with a fuel cell, A molten carbonate fuel cell (MCFC) 61, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) 62, and the molten carbonate fuel cell 61 (hereinafter, referred to as " fuel cell ") connected in parallel with the reformer 50, A battery 63 for storing surplus electric power produced from the molten carbonate fuel cell 61 and an electric power distribution board 64 for distributing the produced electric power to a customer in the ship, The present invention provides a waste heat recovery system for a ship equipped with a fuel cell, which collects generated waste heat and supplies the collected waste heat to a heat consumer in the ship.

이때 상기 선박 내 열 수요처는 상기 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 용융탄산염 연료전지(61)의 발전량이 선박의 부하 전력량을 초과하는 경우 잉여 전력을 상기 배터리(63)에 저장하고, 상기 발전량이 상기 부하 전력량 미만인 경우 상기 고분자 전해질막 연료전지(62)가 가동되도록 제어하는 부하 추종부(65)를 더 포함하는 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the heat consumer in the ship is at least one or more selected from the group consisting of the fuel heater 20, the steam generator 40 and the reformer 50, When a power generation amount of the battery 61 exceeds the load power amount of the ship, surplus power is stored in the battery 63, and when the power generation amount is less than the load power amount, the load for controlling the operation of the polyelectrolyte membrane fuel cell 62 And further includes a follower 65.

또한 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 용융탄산염 연료전지(61)의 가동으로 인해 장치 내에서 발생되는 폐열을 수집하여 전달하는 열 교환기(71)를 더 포함할 수 있으며, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 열 매체에 의한 열 교환을 통해 상기 열 교환기(71)로부터 전달받은 폐열을 상기 선박 내 열 수요처에 공급하는 열 매체 회로(72)를 더 포함하는 것이 바람직하다.The waste heat recovery apparatus 70 may further include a heat exchanger 71 for collecting and delivering waste heat generated in the apparatus due to the operation of the molten carbonate fuel cell 61, 70 may further include a heat medium circuit 72 for supplying the waste heat received from the heat exchanger 71 to the heat consumer in the ship through heat exchange with the thermal medium.

또, 상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 연료전지 시스템(60)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(73)를 더 포함할 수 있으며, 선박의 추진력을 생산하는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(60)로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 상기 이코노마이저(73)에 공급되는 것이 바람직하다.The waste heat recovering device 70 may further include an economizer 73 for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system 60 to produce steam, It is preferable that the waste gas discharged from the engine 81 is mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system 60 in the gas mixing section 74 and supplied to the economizer 73.

이때 상기 메인 엔진(81)은, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되거나 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 연료로 하여 구동되는 것이 바람직하며, 선박에서 요구되는 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력과 상기 연료 탱크(10)에 저장된 액화천연가스 연료가 모두 상기 메인 엔진(81)에 공급되고, 상기 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하지 않으면서 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지면, 상기 액화천연가스 연료가 상기 메인 엔진(81)에 공급되며, 상기 추진력이 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력이 상기 메인 엔진(81)에 공급되도록 조절하는 엔진 제어부(82)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.The main engine 81 is preferably driven by power generated in the fuel cell system 60 or by using liquefied natural gas supplied from the fuel tank 10 as fuel, If the propulsive force has a value exceeding the driving force in accordance with the supply of the liquefied natural gas to the main engine 81, both the power generated in the fuel cell system 60 and the liquefied natural gas fuel stored in the fuel tank 10 Is supplied to the main engine (81), and the driving force by the electric power generated in the fuel cell system (60) does not exceed the driving force in accordance with the supply of the liquefied natural gas to the main engine (81) , The liquefied natural gas fuel is supplied to the main engine 81, and the driving force exceeds the driving force by the electric power generated in the fuel cell system 60 It has the value that is, it is more preferred to further include an engine controller 82 that controls such that the power generated by the fuel cell system 60 is supplied to the main engine (81).

상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(91), 상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(74) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(91)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(92) 및 상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(91)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(92)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(93)를 더 포함할 수 있다.A selective catalytic reduction unit (SCR) 91 for reducing the nitrogen compound in the waste gas discharged from the main engine 81 to nitrogen and water, a waste gas discharged from the main engine 81 to the gas mixing unit 74, A damper 92 for selectively supplying the selective catalytic reduction device 91 with a flow path setting signal of the waste gas discharged from the main engine 81 and a setting signal for determining whether the selective catalytic reduction device 91 is driven And controlling the operation of the damper 92 by processing the exhaust gas.

또한, 상기 폐열 회수 장치(70)는 상기 이코노마이저(73)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(75)을 더 포함하는 것이 바람직하다.The waste heat recovery device 70 may further include a steam turbine 75 for generating additional electric power from the steam produced from the economizer 73.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 전술한 바와 같은 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템이 구비된 선박을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a ship equipped with a waste heat recovery system for a ship equipped with a fuel cell as described above.

상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템은, 연료전지 시스템의 선박 적용으로 인하여 친환경 선박 운용이 가능하고, MCFC와 메인 엔진으로부터 발생되는 폐열을 효과적으로 활용하여 선박 전력 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 an eco-friendly vessel by application of a fuel cell system and effectively utilizing the waste heat generated from the MCFC and the main engine, The efficiency can be further improved.

도 1은 종래의 연료전지 시스템의 구동 원리를 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 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 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 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 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 연료 탱크(10), 연료 가열기(20), 급수 탱크(30), 스팀 발생기(40), 연료전지 시스템(50) 및 폐열 회수 장치(70)를 포함하는 폐열 회수 시스템을 제공한다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 2에 도시되어 있다.The present invention can be applied to a waste heat treatment system including a fuel tank 10, a fuel heater 20, a water supply tank 30, a steam generator 40, a fuel cell system 50 and a waste heat recovery device 70 according to a preferred embodiment. Recovery system. A process flow diagram according to this embodiment is shown in Fig.

연료 탱크(10)는 연료를 저장 및 공급하기 위한 선박 내 저장 공간으로, 특히 일정 압력 하에서 액화천연가스(LNG)를 저장한다. 연료 탱크(10)는 연료전지 시스템(60) 또는 메인 엔진(81)에 연료를 공급하는 역할을 수행한다.The fuel tank 10 stores liquefied natural gas (LNG) under a certain pressure, into a storage space in the ship for storing and supplying fuel. The fuel tank 10 serves to supply fuel to the fuel cell system 60 or the main engine 81.

연료 가열기(20)는 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스에 열을 가하여 기화시키거나 예열하는 역할을 한다. 이때 일정한 양의 열이 필요하여 연료 가열기(20)는 선박 내 열 수요처가 되며, 본 발명에서는 추가적인 보일러나 가열기를 구비할 필요 없이 연료 전지나 메인 엔진으로부터 발생된 폐열을 수집하여 연료 가열기(20)에 공급함으로써, 연료를 기화시키거나 일정 온도 이상의 연료 제공 환경이 요구되는 용융탄산염 연료전지(이하, MCFC라 함)(61)를 위하여 연료를 예열하게 된다. 아울러, 연료 가열기(20)는 두 단계의 유닛으로 나뉘어 연료 기화와 연료 예열을 별도로 수행할 수 있으며, 구분 여부는 특별히 한정하지 않는다.The fuel heater 20 serves to vaporize or preheat the liquefied natural gas supplied from the fuel tank 10 by applying heat thereto. In this case, the fuel heater 20 collects the waste heat generated from the fuel cell or the main engine and supplies the collected heat to the fuel heater 20 without needing to provide an additional boiler or heater. , The fuel is preheated for a molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as MCFC) 61 in which fuel is vaporized or a fuel supply environment of a certain temperature or higher is required. In addition, the fuel heater 20 may be divided into two stages to separately perform the fuel vaporization and the fuel preheating, and the classification is not particularly limited.

한편 연료전지 시스템(60)에서 필요한 수소를 생산하기 위하여 스팀이 필요하므로, 이를 공급하기 위하여 급수 탱크(30) 및 스팀 발생기(40)가 구비된다. 급수 탱크(30)는 선박 내 급수를 저장하기 위한 공간이며, 스팀 발생기(40)는 급수 탱크(30)로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시킨다. 스팀 발생기(40)는 상기 연료 가열기(20)와 마찬가지로 선박 내 열 수요처가 되며, 추후 회수된 폐열을 공급하여 급수의 가열이 이루어진다.On the other hand, since steam is required to produce hydrogen required in the fuel cell system 60, a water supply tank 30 and a steam generator 40 are provided to supply the steam. The water supply tank 30 is a space for storing water in the ship, and the steam generator 40 generates steam by heating the water supplied from the water supply tank 30. Like the fuel heater 20, the steam generator 40 serves as a heat consumer in the ship, and supplies the waste heat collected later to heat the water supply.

연료 가열기(20)로부터 가열된 액화천연가스를 공급받고, 스팀 발생기(40)로부터 스팀을 공급받아, 개질기(50)에서 수소를 생성하게 된다. 이때 개질기(50)와 연료전지 시스템(60) 상호 간의 효과적인 운용 제어를 위하여 개질기(50)에서 생산된 수소를 일정량 저장하기 위한 수소 탱크를 별도로 구비할 수도 있다.The liquefied natural gas heated by the fuel heater 20 is supplied and the steam is supplied from the steam generator 40 to generate hydrogen in the reformer 50. At this time, in order to control the operation of the reformer 50 and the fuel cell system 60 effectively, a hydrogen tank for storing a certain amount of hydrogen produced in the reformer 50 may be separately provided.

개질기(50)로부터 수소를 공급받아 연료 전지 시스템(60)에서 전력을 생산하게 된다. 연료전지의 전력 생산 원리는 이미 언급한 바 있다.Hydrogen is supplied from the reformer 50 to the fuel cell system 60 to produce electric power. The principle of power generation of fuel cells has already been mentioned.

본 발명의 연료전지 시스템(60)은 크게 MCFC(61), 고분자 전해질막 연료전지(이하, PEMFC라 함)(62), 배터리(63) 및 배전반(64)을 포함한다. 전술한 바와 같이, PEMFC(62)와 MCFC(61)를 병렬적으로 연결하여 연료전지 시스템(60)의 부하추종 능력을 향상시키고, 배터리(63)의 용량 및 크기를 줄일 수 있다. 한편 배전반(64)은 연료전지로부터 생산된 전력을 선박 내 전력 수요처에 분배시키는 역할을 수행한다.The fuel cell system 60 of the present invention mainly includes an MCFC 61, a polymer electrolyte membrane fuel cell (hereinafter referred to as a PEMFC) 62, a battery 63 and an electric switchboard 64. As described above, the PEMFC 62 and the MCFC 61 are connected in parallel to improve the load follow-up capability of the fuel cell system 60, and the capacity and size of the battery 63 can be reduced. On the other hand, the switchboard 64 plays a role of distributing the electric power generated from the fuel cell to the power consumers in the ship.

한편, 본 발명의 폐열 회수 장치(70)는 기본적으로 MCFC(61)에서 발생되는 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 한다. MCFC(61)는 고온형 연료전지의 하나로, 운전 온도가 약 600~1000도 정도이다. 따라서 MCFC(61) 자체 내에서 발생되는 폐열이나 MCFC(61)로부터 발생되는 폐기 가스 내 함유된 폐열이 상당하다. 따라서 이러한 폐열을 효과적으로 수집하여 효율적으로 선박 내 연료전지 시스템을 운용할 수 있다.Meanwhile, the waste heat recovering device 70 of the present invention basically collects waste heat generated in the MCFC 61 and supplies it to a heat consumer in the ship. The MCFC 61 is one type of high temperature type fuel cell, and its operating temperature is about 600 to 1000 degrees. Therefore, the waste heat generated in the MCFC 61 itself or the waste heat contained in the waste gas generated from the MCFC 61 is significant. Therefore, it is possible to effectively collect the waste heat and efficiently operate the fuel cell system in the ship.

전술한 바와 같이 선박 내 열 수요처는 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)가 있을 수 있으며, 이 외에도 난방이나 추가 시설을 위한 곳에 수집되 폐열을 공급할 수 있다.As described above, the heat consumer in the ship may include the fuel heater 20, the steam generator 40, and the reformer 50, and may also collect waste heat collected for heating or additional facilities.

연료전지 시스템(60)을 구성하는 MCFC(61)와 PEMFC(62) 및 배터리(63)간의 상호관계에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 본 연료전지 시스템(60)의 주된 전력 생산은 MCFC(61)에 의해 이루어지게 되며 이때 MCFC(61)의 발전량이 선박의 부하 전력랑을 초과하게 되면 잉여 전력을 우선 배터리(63)에 저장하게 된다. 한편 발전량이 부하 전력량 미만인 경우에는 추가 전력량이 필요하게 되므로 PEMFC(62)가 비로소 가동된다. 이러한 일련의 제어 과정이 부하 추종부(65)에 의해 제어된다.The main power generation of the present fuel cell system 60 is performed by the MCFC 61 and the PFC 62 and the battery 63, At this time, when the power generation amount of the MCFC 61 exceeds the load power of the ship, the surplus power is stored in the battery 63 first. On the other hand, when the power generation amount is less than the load power amount, additional power amount is required, so that the PEMFC 62 is started. This series of control processes is controlled by the load follower 65. [

한편, 폐열 회수 장치(70)는 MCFC(61)의 가동으로 인해 장치 내에서 발생되는 폐열을 수집하여 전달하기 위해 열 교환기(71)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 열 교환기(71)를 통해 600~1000도의 MCFC(61) 가동으로 인해 연료전지 외부로 방출되는 폐열을 흡수하고, 선박 내 열 수요처에서 흡수한 폐열을 방출함으로써 선박의 전체적인 열 순환을 수행한다.The waste heat recovery device 70 may further include a heat exchanger 71 for collecting and transferring waste heat generated in the apparatus due to the operation of the MCFC 61. The heat exchanger 71 absorbs the waste heat discharged to the outside of the fuel cell due to the operation of the MCFC 61 of 600 to 1000 degrees and discharges the waste heat absorbed in the heat consumer in the ship to perform the overall thermal circulation of the ship.

상술한 열 교환기(71)의 기능을 발휘하기 위하여 다양한 형태의 열 교환기가 차용될 수 있으나, 바람직하게는 열 매체에 의한 열 교환을 통해 열 교환기(71)로부터 전달받은 폐열을 선박 내 열 수요처에 공급하는 열 매체 회로(72)를 구성할 수 있다.Various types of heat exchangers may be used to exert the function of the heat exchanger 71. Preferably, the heat exchanger 71 receives heat from the heat exchanger 71 through heat exchange with the heat medium, It is possible to constitute a heat medium circuit 72 for supplying the heat medium.

열 매체 회로(72)는 MCFC(61) 연료전지의 장치 외부를 감싸는 형태로 구비될 수 있으며, 열 매체가 MCFC(61)에서 방출되는 열을 흡수하여 가열되면, 열 매체 회로(72)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.
The heat medium circuit 72 may be provided to surround the outside of the device of the MCFC 61. When the heat medium absorbs the heat emitted from the MCFC 61 and is heated, Circulating within the ship, arriving at the heat consumer in the ship and once again releasing heat absorbed through heat exchange. Various types of refrigerant compositions suitable for the temperature range of the thermal medium may be employed.

한편 본 발명의 다른 실시예에 따라 폐열 회수 장치(70)는 연료 전지 시스템(60)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하기 위한 이코노마이저(73)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 대한 공정 흐름도가 도 3에 도시되어 있다.According to another embodiment of the present invention, the waste heat recovery apparatus 70 may include an economizer 73 for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system 60 to produce steam. A process flow chart for this embodiment is shown in FIG.

이코노마이저(73)는 폐기 가스가 중심부를 관통하여 통과되면서 외주면에 형성되는 급수 라인을 가열하게 되면서 과열된 급수 또는 스팀을 생산하는 장치이다. 이코노마이저(73)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(75)을 추가로 두어 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산할 수 있다.The economizer 73 is a device for producing a superheated water supply or steam while heating the water supply line formed on the outer peripheral surface of the waste gas passing through the center portion. The superheated water supply or steam generated through the economizer 73 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 75 is added It is possible to produce additional electric power by using steam produced by steam generator.

또한 선박에서는 추진력을 얻기 위한 메인 엔진(81)이 구비되는데, 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료 전지 시스템(60)으로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 이코노마이저(73)에 공급되도록 구성할 수 있다. 이로써 폐기 가스 내 폐열 함유량이 증가되어 보다 효과적으로 폐열을 수집할 수 있게 된다.In addition, the ship is provided with a main engine 81 for obtaining propulsive power. The waste gas discharged from the main engine 81 is mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system 60 and the gas mixer 74, (73). As a result, the waste heat content in the waste gas is increased and the waste heat can be collected more effectively.

메인 엔진(81)은 선박의 발전기용 엔진 또는 선박 추진력을 발생시키는 내연기관을 의미하며, 바람직하게는 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되는 전동기의 형태이거나, 연료 탱크(10)로부터 공급받은 천연가스를 연료로 하여 구동되는 디젤기관 등의 형태일 수 있다.The main engine 81 is an engine for a generator of a ship or an internal combustion engine that generates a propulsion force of a ship and is preferably in the form of a motor driven by electric power generated in the fuel cell system 60, And a diesel engine driven using natural gas supplied from the engine as fuel.

이때 메인 엔진(81)에 공급되는 에너지원을 구성하는데 있어서, 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력 혹은 연료 탱크(10)에서 공급된 천연가스의 메인 엔진(81)으로의 투입을 제어하기 위한 엔진 제어부(82)가 더 포함될 수 있다.At this time, in order to constitute the energy source to be supplied to the main engine 81, the power generated in the fuel cell system 60 or the power supplied to the main engine 81 from the fuel tank 10 An engine control unit 82 may be further included.

첫째로, 선박에서 요구되는 추진력이 천연가스 공급에 따른 메인 엔진(81)의 구동력을 초과하는 값을 가지게 되면, 연료전지에서 생성된 전력과 연료 탱크(10)에서 공급되는 천연가스 연료가 모두 메인 엔진(81)에 공급된다. 선박 추진력을 최대한으로 이끌어 내도록 하기 위함이다.First, when the propulsive force required by the ship has a value exceeding the driving force of the main engine 81 according to the natural gas supply, both the power generated in the fuel cell and the natural gas fuel supplied from the fuel tank 10 And is supplied to the engine 81. This is to maximize the propulsion power of the ship.

둘째로, 선박에서 요구되는 추진력이 천연가스 공급에 따른 메인 엔진(81)의 구동력을 초과하지는 않지만 연료전지에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지는 경우에는 천연가스 연료가 메인 엔진(81)에 공급된다. 연료전지에서 생성되는 전력만으로는 선박의 추진력을 포괄할 수 없으므로 안정적으로 추진력을 메인 엔진(81)에 공급하기 위함이다.Secondly, when the driving force required by the ship does not exceed the driving force of the main engine 81 according to the natural gas supply but the driving force by the power generated by the fuel cell has a value exceeding the natural gas fuel, . The power generated by the fuel cell alone can not cover the propulsion force of the ship, so that the propulsion force is stably supplied to the main engine 81. [

셋째로, 선박에서 요구되는 추진력이 연료전지에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지는 경우에는 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력만이 메인 엔진(81)에 공급되도록 한다. 오염 물질을 배출하지 않는 친환경적 에너지원인 연료전지 시스템(60)의 사용을 장려하기 위함이다.Thirdly, when the propulsive force required in the ship has a value not exceeding the driving force by the electric power generated in the fuel cell, only the electric power generated in the fuel cell system 60 is supplied to the main engine 81. To encourage the use of a fuel cell system 60 that is an environmentally friendly energy source that does not emit pollutants.

이러한 형태의 메커니즘을 엔진 제어부(82)를 통해 구현함으로써, 안정적인 엔진 구동을 보장함과 동시에 친환경적인 선박의 운항을 도모할 수 있어, 최근 규제가 강화된 해양에서의 오염물질 배출량을 현저히 줄여서 적법한 항해를 실현할 수 있다.
By implementing this type of mechanism through the engine control unit 82, it is possible to ensure stable engine operation and to operate an eco-friendly vessel, thereby significantly reducing pollutant emissions in the recently enriched ocean, Can be realized.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 메인 엔진(81)으로부터 발생되는 폐기 가스 내의 오염 물질을 컨트롤하기 위하여 선택적 촉매환원장치(이하 SCR이라 함)(91), 댐퍼(92) 및 폐기가스 제어부(93)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 공정 흐름도가 도 4에 도시되어 있다.In order to control pollutants in the waste gas generated from the main engine 81 according to another embodiment of the present invention, a selective catalytic reduction device (hereinafter referred to as SCR) 91, a damper 92, (93). A process flow diagram according to this embodiment is shown in Fig.

SCR(91)은 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 속에 함유된 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 역할을 수행한다. SCR(91)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 91 serves to reduce the nitrogen compound contained in the waste gas discharged from the main engine 81 to nitrogen and water. The SCR 91 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 facilities.

댐퍼(92)는 메인 엔진(81)에서 배출되는 폐기 가스의 유동 경로를 SCR(91)과 이코노마이저(73)으로 이어지는 가스 혼합부(74)의 사이에서 변경하도록 분기 구조의 배기라인에 설치되는 덕트형 몸체를 가질 수 있다. 즉, 댐퍼(92)는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 배관 라인으로부터 SCR(91) 배기관과 이코노마이저(73) 배기관이 분기되는 분기 지점에 설치되고, 메인 엔진(81)의 폐기 가스를 SCR(91) 또는 이코노마이저(73)에 선택적으로 공급시키도록, SCR(91)측 배기관 또는 이코노마이저(73) 측 배기관 중 어느 하나를 개방시킬 때 다른 하나를 차폐시키는 역할을 담당할 수 있다.The damper 92 is disposed between the SCR 91 and the economizer 73 so as to change the flow path of the waste gas discharged from the main engine 81 between the gas mixing section 74 and the duct installed in the exhaust line of the branched structure. Shaped body. That is, the damper 92 is installed at a branching point where the SCR 91 exhaust pipe and the economizer 73 exhaust pipe branch off from the pipeline of the waste gas discharged from the main engine 81, and the waste gas of the main engine 81 When the exhaust pipe on the side of the SCR 91 or the exhaust pipe on the side of the economizer 73 is opened to selectively supply the exhaust gas to the SCR 91 or the economizer 73,

상술한 바와 같은 댐퍼(92)에 의한 폐기 가스 유동 경로의 설정 신호를 비롯하여 SCR(91)의 구동 여부의 설정신호 등을 처리하여 댐퍼(92)의 작동을 제어하기 위한 폐기가스 제어부(93)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이로써 NOx 규제지역 내에서 운항 시 필요에 따라 본 시스템을 가동하여 메인 엔진(81)의 폐기 가스가 폐열 수집을 위한 시스템에 투입되지 않고 SCR(91)에 투입되어 규제를 만족하도록 하며, 규제 지역을 통과하게 되면 폐열 회수를 위하여 폐기 가스가 가스 혼합부(74)에서 연료전지로부터 발생되는 폐기 가스와 혼합되어 이코노마이저(73)에 투입되도록 함으로써 보다 효과적으로 폐열을 수집하도록 유도한다.The waste gas control unit 93 for controlling the operation of the damper 92 by processing the setting signal of the waste gas flow path by the damper 92 as described above and the setting signal of whether to drive the SCR 91 or the like . As a result, when operating the system in the NOx regulated area as required, the waste gas from the main engine 81 is supplied to the SCR 91 without being put into 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 74 to be supplied to the economizer 73 in order to recover the waste heat, thereby inducing the waste heat to be collected more effectively.

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 : 연료 탱크
20 : 연료 가열기
30 : 급수 탱크
40 : 스팀 발생기
50 : 개질기
60 : 연료전지 시스템
61 : 용융탄산염 연료전지(MCFC)
62 : 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)
63 : 배터리
64 : 배전반
65 : 부하 추종부
70 : 폐열 회수 장치
71 : 열 교환기
72 : 열 매체 회로
73 : 이코노마이저
74 : 가스 혼합부
75 : 가스 터빈
81 : 메인 엔진
82 : 엔진 제어부
91 : 선택적 촉매환원장치(SCR)
92 : 댐퍼
93 : 폐기가스 제어부1: fuel portion
2: reformer
3: air
4: Fuel cell stack
5: Power converter
10: Fuel tank
20: fuel heater
30: Water tank
40: Steam generator
50: Reformer
60: Fuel cell system
61: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
62: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
63: Battery
64: Switchboard
65: load follower
70: Waste Heat Recovery Unit
71: Heat exchanger
72: Thermal medium circuit
73: Economizer
74: gas mixing section
75: Gas Turbine
81: main engine
82: engine control unit
91: Selective Catalytic Reduction Device (SCR)
92: Damper
93: waste gas control section

Claims (12)

액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 탱크(10); 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 기화 및 예열하는 연료 가열기(20); 급수를 저장하는 급수 탱크(30); 상기 급수 탱크로부터 공급받은 급수를 가열하여 스팀을 발생시키는 스팀 발생기(40); 상기 연료 가열기(20) 및 스팀 발생기(40)로부터 공급받은 연료와 스팀을 이용하여 수소를 생성하는 개질기(50); 상기 개질기(50)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지 시스템(60); 및 선박 내에서 발생되는 폐열을 수집하는 폐열 회수 장치(70);을 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서,
상기 연료전지 시스템(60)은, 상기 개질기(50)로부터 공급받은 수소를 이용해 선박 내 수요 전력을 생산하며 상기 개질기(50)와 병렬적으로 연결된 용융탄산염 연료전지(MCFC)(61)와 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)(62), 상기 용융탄산염 연료전지(61)로부터 생산된 잉여 전력을 저장하는 배터리(63) 및 생산된 전력을 선박 내 수요처에 분배시키는 배전반(64)을 포함하고,
상기 폐열 회수 장치(70)는, 상기 용융탄산염 연료전지(61)에서 발생되는 폐열을 수집하여 선박 내 열 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.A fuel tank (10) for storing liquefied natural gas (LNG); A fuel heater (20) for vaporizing and preheating the liquefied natural gas supplied from the fuel tank (10); A water supply tank (30) for storing water supply; A steam generator (40) for heating the water supplied from the water supply tank to generate steam; A reformer 50 for generating hydrogen using fuel and steam supplied from the fuel heater 20 and the steam generator 40; A fuel cell system 60 that receives hydrogen from the reformer 50 to produce electric power; And a waste heat recovery device (70) for collecting waste heat generated in the ship, the waste heat recovery system comprising:
The fuel cell system 60 includes a molten carbonate fuel cell (MCFC) 61 connected to the reformer 50 for producing demand electric power in a ship using hydrogen supplied from the reformer 50, and a polymer electrolyte A battery 63 storing a surplus electric power produced from the molten carbonate fuel cell 61 and an electric distribution board 64 distributing the produced electric power to a customer in the ship,
Wherein the waste heat recovering device (70) collects waste heat generated in the molten carbonate fuel cell (61) and supplies the collected waste heat to a heat consumer in the ship. 제1항에 있어서,
상기 선박 내 열 수요처는 상기 연료 가열기(20), 스팀 발생기(40) 및 개질기(50)로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat consumer in the ship is at least one selected from the group consisting of the fuel heater (20), the steam generator (40), and the reformer (50). 제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템(60)은,
상기 용융탄산염 연료전지(61)의 발전량이 선박의 부하 전력량을 초과하는 경우 잉여 전력을 상기 배터리(63)에 저장하고, 상기 발전량이 상기 부하 전력량 미만인 경우 상기 고분자 전해질막 연료전지(62)가 가동되도록 제어하는 부하 추종부(65);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell system (60)
When the power generation amount of the molten carbonate fuel cell (61) exceeds the load power amount of the ship, surplus power is stored in the battery (63), and when the power generation amount is less than the load power amount, the polymer electrolyte membrane fuel cell A load follower 65 for controlling the load to be controlled;
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(70)는,
상기 용융탄산염 연료전지(61)의 가동으로 인해 장치 내에서 발생되는 폐열을 수집하여 전달하는 열 교환기(71);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat recovery device (70)
A heat exchanger (71) for collecting and transferring waste heat generated in the apparatus due to the operation of the molten carbonate fuel cell (61);
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제4항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(70)는,
열 매체에 의한 열 교환을 통해 상기 열 교환기(71)로부터 전달받은 폐열을 상기 선박 내 열 수요처에 공급하는 열 매체 회로(72);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.5. The method of claim 4,
The waste heat recovery device (70)
A heat medium circuit (72) for supplying waste heat received from the heat exchanger (71) to a heat consumer in the ship through heat exchange by a thermal medium;
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(70)는,
상기 연료전지 시스템(60)에서 배출되는 폐기 가스로부터 폐열을 수집하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(73);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 1,
The waste heat recovery device (70)
An economizer (73) for collecting waste heat from the waste gas discharged from the fuel cell system (60) to produce steam;
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제6항에 있어서,
선박의 추진력을 생산하는 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스가 상기 연료전지 시스템(60)로부터 배출되는 폐기 가스와 가스 혼합부(74)에서 혼합되어 상기 이코노마이저(73)에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 6,
The waste gas discharged from the main engine 81 producing the propulsion force of the ship is mixed with the waste gas discharged from the fuel cell system 60 in the gas mixing section 74 and supplied to the economizer 73 A waste heat recovery system of a ship equipped with a fuel cell. 제7항에 있어서,
상기 메인 엔진(81)은, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의해 구동되거나 상기 연료 탱크(10)로부터 공급받은 액화천연가스를 연료로 하여 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.8. The method of claim 7,
Characterized in that the main engine (81) is driven by power generated in the fuel cell system (60) or by using liquefied natural gas supplied from the fuel tank (10) as fuel Ship waste heat recovery system. 제8항에 있어서,
선박에서 요구되는 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력과 상기 연료 탱크(10)에 저장된 액화천연가스 연료가 모두 상기 메인 엔진(81)에 공급되고,
상기 추진력이 상기 메인 엔진(81)으로의 액화천연가스 공급에 따른 구동력을 초과하지 않으면서 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력은 초과하는 값을 가지면, 상기 액화천연가스 연료가 상기 메인 엔진(81)에 공급되며,
상기 추진력이 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력에 의한 구동력을 초과하지 않는 값을 가지면, 상기 연료전지 시스템(60)에서 생성된 전력이 상기 메인 엔진(81)에 공급되도록 조절하는 엔진 제어부(82);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.9. The method of claim 8,
When the propulsive force required by the ship has a value exceeding the driving force according to the supply of the liquefied natural gas to the main engine 81, the power generated in the fuel cell system 60 and the liquefied natural gas stored in the fuel tank 10 All of the gaseous fuel is supplied to the main engine 81,
If the driving force by the electric power generated in the fuel cell system 60 does not exceed the driving force in accordance with the supply of the liquefied natural gas to the main engine 81, Is supplied to the main engine 81,
The engine control unit controls the power generated by the fuel cell system (60) to be supplied to the main engine (81) when the thrust has a value not exceeding the driving force by the electric power generated by the fuel cell system (60) (82);
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제7항에 있어서,
상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스 내 질소화합물을 질소와 물로 환원시키는 선택적 촉매환원장치(SCR)(91);
상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스를 상기 가스 혼합부(74) 또는 상기 선택적 촉매환원장치(91)에 선택적으로 공급하는 댐퍼(92); 및
상기 메인 엔진(81)으로부터 배출되는 폐기 가스의 유동 경로 설정 신호 및 상기 선택적 촉매환원장치(91)의 구동 여부 설정 신호를 처리하여 상기 댐퍼(92)의 작동을 제어하는 폐기가스 제어부(93);
를 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.8. The method of claim 7,
A selective catalytic reduction unit (SCR) 91 for reducing the nitrogen compound in the waste gas discharged from the main engine 81 to nitrogen and water;
A damper (92) for selectively supplying the waste gas discharged from the main engine (81) to the gas mixing unit (74) or the selective catalytic reduction unit (91); And
A waste gas control unit 93 for controlling the operation of the damper 92 by processing a flow path setting signal of the waste gas discharged from the main engine 81 and a setting signal for determining whether the selective catalytic reduction apparatus 91 is driven;
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제6항에 있어서,
상기 폐열 회수 장치(70)는,
상기 이코노마이저(73)로부터 생산되는 스팀으로 추가 전력을 생산하는 스팀 터빈(75);
을 더 포함하는 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템.The method according to claim 6,
The waste heat recovery device (70)
A steam turbine (75) for producing additional power from the steam produced from the economizer (73);
Further comprising a fuel cell for supplying the fuel to the fuel cell. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 연료전지를 탑재한 선박의 폐열 회수 시스템이 구비된 선박.A ship equipped with the waste heat recovery system of a ship equipped with the fuel cell according to any one of claims 1 to 11.
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