KR20170015812A - Fuel cell system and ship having the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system and a vessel comprising the same. In an attempt to produce fuel containing hydrogen used in a first fuel cell of a first fuel cell system, exhaust gas supplied from a cathode or an anode in a second fuel cell of a second fuel cell system is harnessed as a heat source of a first modifier in the first fuel cell system, thereby enabling omission of a combustor in the first fuel cell system (510). Thus, costs required for an operation and construction of facilities for the fuel cell system are reduced.

Description

연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박{FUEL CELL SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 환경 친화적인 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.The present invention relates to an environmentally friendly power generation system, and more particularly, to a fuel cell system and a ship having the fuel cell system.

일반적으로 전체 에너지의 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그런데 화석연료의 매장량은 제한되어 있고, 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등 환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 환경 친화적인 발전시스템이 개발되고 있다. In general, most of the total energy comes from fossil fuels. However, the reserves of fossil fuels are limited, and the use of fossil fuels has serious effects on the environment such as air pollution, acid rain, and global warming. Environmentally friendly power generation systems have been developed to solve the problems associated with the use of such fossil fuels.

환경 친화적인 발전시스템에는 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전시스템이 있다. 또한, 환경 친화적인 발전시스템에는 화석연료를 변환하거나 수소와 산소 등의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지를 포함하는 연료전지 시스템이 있다. Environmentally friendly power generation systems include power generation systems that produce electricity by converting renewable energy, including sunlight, water, geothermal, precipitation, and bio-organisms. In addition, an environmentally friendly power generation system includes a fuel cell system that includes a fuel cell that converts fossil fuel or generates electricity through a chemical reaction such as hydrogen and oxygen.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 운전온도, 전해질, 발전효율, 발전성능이 서로 다르다. Alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (MCFC), and solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), and a direct methanol fuel cell (DMFC). Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but the operating temperature, electrolyte, power generation efficiency, and power generation performance are different.

종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 가정이나 소형 구조물인 전기자동차 등에 적용되고 있다. 그러나, 대형 구조물에 적용하기 위해서는 모듈화된 연료전지를 많이 사용하거나 연료전지 모듈의 발전출력이 상대적으로 커져야 하기 때문에 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 문제점이 발생한다.The fuel cell system according to the prior art is applied to a home or an electric vehicle, which is a small structure. However, in order to apply to a large structure, the fuel cell system according to the prior art has the following problems because the modularized fuel cell is used in a large amount or the power generation output of the fuel cell module is relatively large.

첫째, 연료전지가 많아지거나 요구되는 발전출력이 커지면 그에 따라 사용되는 연료의 양도 많아지게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 운영 비용이 상승하게 되는 문제가 있다. First, when the number of fuel cells increases or the required power generation output increases, the amount of fuel used increases accordingly. Therefore, there is a problem that the operating cost of the fuel cell system according to the related art is increased.

둘째, 연료전지가 많아지거나 요구되는 발전출력이 커지면 종래의 탄화수소발전 기술보다는 적지만 연료전지에서 배출되는 미반응 잔여물질과 물과 같은 반응생성물이 많아지게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 잔여물질과 반응생성물의 증가로 인해 태양광 등의 재생에너지보다는 환경오염을 심화시키는 문제가 있다. Second, as the number of fuel cells increases or the required power generation increases, the amount of reaction products such as unreacted residual materials and water discharged from the fuel cell is reduced, which is less than the conventional hydrocarbon power generation technology. Therefore, the fuel cell system according to the prior art has a problem of increasing environmental pollution rather than renewable energy such as sunlight due to an increase in residual materials and reaction products.

셋째, 사용되는 연료전지가 많아지게 되면, 그에 따라 장치 설치 비용이 상승하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 설비 구축비용과 운영비용이 상승하게 되는 문제가 있다. Thirdly, when the number of fuel cells used increases, the installation cost of the device increases accordingly. Therefore, the fuel cell system according to the related art has a problem that the facility construction cost and the operating cost are increased.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 사용되는 연료량 대비 전기 생산량을 높일 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a ship having the fuel cell system capable of increasing the amount of electricity produced relative to the amount of fuel used.

본 발명은 설비 구축비용과 운영비용을 줄일 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a fuel cell system and a ship having the fuel cell system, which can reduce facility construction cost and operational cost.

본 발명은 연료전지에서 발생하는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 줄일 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a fuel cell system and a ship having the fuel cell system capable of reducing unreacted residual materials and reaction products generated in a fuel cell.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problems, the present invention can include the following configuration.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제1 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제1 공기극(cathode), 및 상기 제1 연료극(anode)과 상기 제1 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제1 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제1 연료전지; 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제2 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제2 공기극(cathode), 및 상기 제2 연료극(anode)과 상기 제2 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제2 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제2 연료전지; 상기 제1 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위해, 상기 제2 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 공급되는 배기가스를 열원으로 사용하는 제1 개질기를 포함하는 제1 수소생성부; 및 상기 제2 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하는 제2 개질기, 및 상기 제2 개질기를 가열하는 연소기를 포함하는 제2 수소생성부를 포함한다. A fuel cell system according to the present invention includes a first anode (anode) into which fuel containing hydrogen flows and which discharges exhaust gas, a first cathode through which air, which is an oxidant required for a fuel cell reaction, is introduced, 1. A fuel cell comprising: a first fuel cell including an anode and a first electrolyte serving to transfer ions generated from the first cathode; A second fuel electrode (anode) through which fuel containing hydrogen flows and discharges the exhaust gas, a second air electrode through which air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction, flows, and a second fuel electrode A second fuel cell for generating electricity including a second electrolyte serving as a transferring of ions generated at the cathode; And a first reformer that uses an exhaust gas supplied from an anode or a cathode of the second fuel cell as a heat source to generate fuel containing hydrogen used in the first fuel cell, 1 hydrogen generator; And a second reformer for generating fuel including hydrogen used in the second fuel cell, and a second hydrogen generator including a combustor for heating the second reformer.

본 발명에 따른 선박은 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제1 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제1 공기극(cathode), 및 상기 제1 연료극(anode)과 상기 제1 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제1 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제1 연료전지; 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제2 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제2 공기극(cathode), 및 상기 제2 연료극(anode)과 상기 제2 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제2 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제2 연료전지; 상기 제1 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위해, 상기 제2 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 공급되는 배기가스를 열원으로 사용하는 제1 개질기를 포함하는 제1 수소생성부; 상기 제2 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하는 제2 개질기, 및 상기 제2 개질기를 가열하는 연소기를 포함하는 제2 수소생성부; 상기 제1 수소생성부와 제2 수소생성부에 원료를 공급하는 원료 공급부; 상기 제1 수소생성부와 제2 수소생성부에 원료수를 공급하는 원료수 공급부; 상기 제1 수소생성부, 제2 수소생성부, 및 상기 제1, 제2 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 제1, 제2 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. A ship according to the present invention comprises a first fuel electrode (anode) through which fuel containing hydrogen flows and discharges exhaust gas, a first cathode through which air, which is an oxidant required for a fuel cell reaction, flows, 1. A fuel cell comprising: a first fuel cell for generating electricity, the first fuel cell including a first anode and a first electrolyte serving to transfer ions generated in the first cathode; A second fuel electrode (anode) through which fuel containing hydrogen flows and discharges the exhaust gas, a second air electrode through which air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction, flows, and a second fuel electrode A second fuel cell for generating electricity including a second electrolyte serving as a transferring of ions generated at the cathode; And a first reformer that uses an exhaust gas supplied from an anode or a cathode of the second fuel cell as a heat source to generate fuel containing hydrogen used in the first fuel cell, 1 hydrogen generator; A second reforming unit for generating a fuel containing hydrogen used in the second fuel cell, and a combustor for heating the second reforming unit; A raw material supply unit for supplying a raw material to the first hydrogen generating unit and the second hydrogen generating unit; A raw water supply unit for supplying raw water to the first hydrogen generator and the second hydrogen generator; An air supply unit for supplying air to the first hydrogen generator, the second hydrogen generator, and the first and second fuel cells; And a power converter for converting a direct current (DC) output from the first and second fuel cells into an alternating current (AC).

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention, the following effects can be achieved.

본 발명은 제1 연료전지 시스템과 제2 연료전지 시스템을 포함하여 구현됨으로써, 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 포함하는 발전시스템에서 필요로 하는 전기 생산량을 충분히 얻을 수 있다. The present invention can be realized by including the first fuel cell system and the second fuel cell system, thereby achieving a sufficient amount of electricity production required in a power generation system including the fuel cell system according to the present invention.

본 발명은 제1 연료전지 시스템의 제1 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위해 제2 연료전지 시스템의 제2 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 공급되는 배기가스를 제1 연료전지 시스템의 제1 개질기의 열원으로 사용하도록 구현됨으로써, 상기 제1 연료전지 시스템(510)에서 연소기를 생략할 수 있으므로 연료전지 시스템의 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention relates to a method for producing a fuel including hydrogen used in a first fuel cell of a first fuel cell system, comprising the steps of: discharging an exhaust gas supplied from an anode or a cathode of a second fuel cell of a second fuel cell system Can be used as the heat source of the first reformer of the first fuel cell system, thereby omitting the combustor in the first fuel cell system 510, thereby contributing to the reduction of facility construction cost and operating cost of the fuel cell system.

본 발명은 제2 연료전지 시스템의 연소기가 제1 연료전지 시스템의 제1 연료전지의 공기극(cathode)에서 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 연소물질로 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템에서 필요한 열을 공급하기 위한 연소용 공기에 대한 외부공급량 감소와 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention is implemented such that the combustor of the second fuel cell system uses unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the first fuel cell of the first fuel cell system as the combustion material, It can contribute to reducing the external supply to the combustion air for supplying heat and the environmental pollution due to the increase in the air emission of the unreacted residual material of the fuel cell and the reaction product.

도 1은 본 발명에 따른 전체 시스템의 개념적인 구성도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 3a, 도 3b는 본 발명에 사용되는 연료전지의 동작을 설명하기 위한 예시도로서, 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도
도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소생성부를 설명하기 위한 예시도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 6은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1 실시예에 따른 구성도
도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2 실시예에 따른 구성도
도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3 실시예에 따른 구성도
도 9는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도1 is a conceptual diagram of an overall system according to the present invention;
2 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the operation of the fuel cell used in the present invention. FIG. 3A is a conceptual diagram of a solid oxide fuel cell (SOFC)
3B is a conceptual diagram of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC)
4 is an exemplary diagram for explaining a hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
Fig. 6 is a configuration diagram of the fuel cell system of Fig. 5 according to the first embodiment; Fig.
Fig. 7 is a schematic view of the fuel cell system of Fig. 5 according to the second embodiment
Fig. 8 is a schematic view of the fuel cell system of Fig. 5 according to the third embodiment
9 is a schematic view showing an example of a ship according to the present invention

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 발전시스템(100)에 적용되어 전기를 생산하는 기능을 담당한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 설명하기에 앞서, 상기 발전시스템(100)을 먼저 살펴보면, 다음과 같다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system 200 according to the present invention is applied to a power generation system 100 to perform a function of generating electricity. Before describing the fuel cell system 200 according to the present invention, the power generation system 100 will be described first.

상기 발전시스템(100)은 원료 공급부(110), 원료수 공급부(120), 공기 공급부(130), 전력변환부(140), 및 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 포함한다.The power generation system 100 includes a raw material supply unit 110, a raw water supply unit 120, an air supply unit 130, a power conversion unit 140, and a fuel cell system 200 according to the present invention.

상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크를 포함하며 상기 원료 저장탱크에 저장된 원료를 공급한다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소 등일 수 있다. The raw material supply unit 110 includes a raw material storage tank and supplies raw materials stored in the raw material storage tank. For example, the raw material is a material of a hydrocarbon series, LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), petrol, dimethyl ether, methane, Hydrogen purification off-gas, pure hydrogen, or the like.

일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 원료 저장탱크와 상기 원료 저장탱크에 저장된 원료를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현된다. 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 LNG 운반선에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 LNG 저장탱크로부터 LNG(액화천연가스)를 공급한다. 또 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 디젤엔진 선박에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 디젤연료 저장탱크와 상기 디젤연료 저장탱크로부터 디젤연료를 공급하는 장치를 포함하여 구현된다. For example, when the power generation system 100 is applied to an automobile, the raw material supply unit 110 is implemented including a raw material storage tank and a device (for example, a pump) for supplying raw materials stored in the raw material storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to an LNG carrier, the raw material supply unit 110 supplies LNG (liquefied natural gas) from the LNG storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to a diesel engine ship, the raw material supply unit 110 is implemented including a diesel fuel storage tank and an apparatus for supplying diesel fuel from the diesel fuel storage tank.

상기 원료수 공급부(120)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크에 저장된 원료수를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현될 수 있다. 원료수는 예를 들어, 상수(上水), 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물의 제거 처리나 이온제거 처리된 물일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. The raw water supply part 120 may include a raw water storage tank and a device (for example, a pump) for supplying the raw water stored in the raw water storage tank. The raw water may be, for example, water (constant water), fresh water, or seawater. As another example, the raw water may be impurity-treated water or ion-removed water in fresh water or seawater. As another example, the raw water may be water in the state where impurities are removed from fresh water or seawater.

상기 공기 공급부(130)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급한다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소를 제거한 기체, 또는 산소 이외의 모든 기체를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. The air supply unit 130 supplies air to the fuel cell system 200 according to the present invention. Normally, air means a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide and the like, but also includes the case where nitrogen or carbon dioxide is removed from air or all gases other than oxygen are removed. The air supply unit 130 may include an air storage tank and a device (for example, a blower) for supplying air from the air storage tank. As another example, the air supply unit 130 may be configured to supply external air and compress the high-pressure air, or supply the compressed high-pressure air at normal pressure.

상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력 변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC??DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC??AC 인버터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(140)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.The power conversion unit 140 converts the direct current (DC) output from the fuel cell system 200 according to the present invention into an alternating current (AC). The power conversion unit 140 includes a DC to DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 according to the present invention and a DC to DC converter for converting the DC current to an AC current. ? AC inverter and so on. The power conversion unit 140 discharges the electric power supplied from the fuel cell system 200 according to the present invention to the electric power load. The electric power load may be, for example, in-ship electrical equipment such as a ship's basic electrical equipment and cargo-system electrical equipment in the case of a ship. Although not shown, the power conversion unit 140 may be implemented to transmit and store electricity to an energy storage device, for example, a battery.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료, 물(H2O), 및 공기를 이용하여 전기를 생산한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 가정이나 자동차와 같은 소형 구조물에 사용될 수 있고, 선박 등과 같이 대형 구조물에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클(Rankine Cycle)과 연동하도록 구현될 수도 있다. The fuel cell system 200 according to the present invention produces electricity using fuel, water (H 2 O), and air. The fuel cell system 200 according to the present invention can be used in a small structure such as a home or an automobile, and can be used in a large structure such as a ship. The fuel cell system 200 according to the present invention may be implemented to operate in conjunction with a diesel engine, a gas engine, a steam turbine, a gas turbine, or a Rankine Cycle that uses the combustion energy of the fuel.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system 100 according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 및 수소생성부(400)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. 본 명세서에서는 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수로 정의하고, 수소생성부(400)에서 생성되어 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다.Referring to FIG. 2, the fuel cell system 200 according to the first embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, and a hydrogen generation unit 400. The fuel cell system 200 according to the present invention may be implemented by including a controller 250 for controlling all operations including the fuel cell 210, the hydrogen generator 400, and the like. In this specification, what is introduced into the hydrogen generator 400 is defined as the raw material and the raw water, and the fuel that is generated in the hydrogen generator 400 and introduced into the fuel cell 210 is defined as fuel.

상기 연료전지(210)는 연료전지 스택(stack)을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 공기극(cathode)과 연료극(anode) 사이에 전해질(electrolyte)층이 형성되고, 연료극(anode)과 공기극(cathode)에는 수소공급 및 공기공급, 열회수를 위한 분리판(separator)이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다. The fuel cell 210 is implemented including a fuel cell stack. The fuel cell stack has an electrolyte layer formed between a cathode and an anode and a separator for supplying hydrogen and supplying air and recovering heat to the anode and the cathode And the unit cell modules are connected in series by the required number of units.

상기 연료전지(210)는 온도센서와 온도 유지용 기기, 즉 히터나 공기극 팬과 연료극 팬, 냉각판 등을 포함할 수 있다. 상기 온도센서는 연료전지 스택의 온도, 공기극(cathode)의 온도, 연료극(anode)의 온도를 센싱한다. 상기 히터에 의해 연료전지를 가열하여 운전에 필요한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 상기 공기극 팬은 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 연료극 팬은 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 발열한 열을 방열시킨다. 상기 공기극 팬 및 연료극 팬은 연료전지 스택에 사용되는 열교환기의 일부 구성으로 구현될 수 있다.The fuel cell 210 may include a temperature sensor and a device for maintaining temperature, that is, a heater, a cathode fan, a fuel electrode fan, a cooling plate, and the like. The temperature sensor senses the temperature of the fuel cell stack, the temperature of the cathode, and the temperature of the anode. The heater can heat the fuel cell to maintain the temperature required for the operation. The air cathode fan dissipates heat generated at the cathode of the fuel cell stack. The fuel electrode fan dissipates the heat generated from the anode of the fuel cell stack. The air cathode fan and the anode cathode fan may be implemented as a part of a heat exchanger used in a fuel cell stack.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 히터나 공기극 팬과 연료극 팬을 제어하여 상기 연료전지(210)의 운전온도를 적절하게 유지한다. 예를 들어, 제어부(250)는 인산형 연료전지(PAFC)의 경우 운전온도를 190∼210℃로 유지하며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)의 경우 운전온도를 550∼650℃로 유지하며, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 운전온도를 650∼1000℃로 유지하며, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 운전온도를 30∼80℃로 유지하도록 한다. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes the control unit 250, the control unit 250 controls the heater, the cathode fan, and the anode electrode fan using the signal output from the temperature sensor, ) Is appropriately maintained. For example, the control unit 250 maintains the operating temperature of the phosphoric acid fuel cell (PAFC) at 190 to 210 ° C, maintains the operating temperature of the MCFC at 550 to 650 ° C, In the case of oxide fuel cells (SOFC), the operating temperature is maintained at 650 to 1000 ° C. For polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), the operating temperature is maintained at 30 to 80 ° C.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 구비되는 연료전지(210)의 동작을 도 3a, 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다. 도 3a는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개념적인 구성도이고, 도 3b는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 개념적인 구성도이다. Hereinafter, the operation of the fuel cell 210 included in the fuel cell system 200 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a conceptual configuration diagram of a solid oxide fuel cell (SOFC), and FIG. 3B is a conceptual configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC).

먼저, 도 3a를 참조하면 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 공기극(cathode)(311)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한다. 연료극(anode)(313)에서는 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(312)을 통해 연료극(anode)(313)으로 이동한 산소이온(O2??)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응하여 물(H2O)과 전자(e??)가 생성된다. 공기극(cathode)(311)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(311)과 연료극(anode)(313)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.3A, a solid oxide fuel cell (SOFC) 310 includes a cathode 311, an anode 313, and a cathode 313. The anode 313 is connected to the anode 312 through an electrolyte 312, . Fuel containing hydrogen (H 2 ) flows in the anode 313 and oxygen ions (O 2 ?? ) and hydrogen (H 2 ? ) Which have migrated to the anode 313 through the electrolyte 312 ) are generated in response to the electrochemical water (H 2 O) and e (?? e). Since electrons are consumed in the cathode 311, electricity flows when the cathode 311 and the anode 313 are connected to each other.

고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 연료극(anode)(313)에 공급된 연료 중 포함될 수 있는 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 배출한다. 또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 공기극(cathode)(311)에서는 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다. The solid oxide fuel cell (SOFC) (310) is a fuel electrode (anode) (313) unreacted and electrochemical unreacted material as a the fuel carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2) that may be included in the feed to hydrogen (H 2 ) And the water (liquid or gaseous H 2 O) as the reaction product. In addition, unreacted oxygen and nitrogen are discharged from the cathode 311 of the solid oxide fuel cell (SOFC) 310.

도 3b를 참조하면 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)에서 수소(H2)가 수소이온(H+)과 전자(e??)로 생성된다. 수소이온(H+)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)(323)을 통해 공기극(cathode)(324)으로 이동한다. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 스팀(H2O)을 생산한다. 연료극(anode)(321)에 형성된 촉매층(322)과 공기극(cathode)(324)에 형성된 촉매층(325)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다. Referring to Figure 3b a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), (320) is a fuel electrode (anode) (321), the catalyst layer 322, the hydrogen (H 2) is a hydrogen ion (H +) and electrons (e ??) formed in the . The hydrogen ions H + move to the cathode 324 through the polymer electrolyte membrane 323. The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 reacts with hydrogen ions (H + ) and oxygen (O 2 ) in the catalyst layer 325 formed on the cathode 324 to produce steam (H 2 O). When the catalyst layer 322 formed on the anode 321 and the catalyst layer 325 formed on the cathode 324 are connected to each other, electricity flows.

고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)의 촉매층(322)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에서 미반응 산소와 물(H2O)을 배출한다.The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 discharges residual material such as unreacted hydrogen (H 2 ) from the catalyst layer 322 of the anode 321. In addition, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 discharges unreacted oxygen and water (H 2 O) from the cathode 324.

그 외에 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 연료극(anode)에서 수소(H2)와 탄산이온(CO3 2??)이 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2), 전자(e??)가 생성된다. 생성된 이산화탄소(CO2)는 공기극(cathode)으로 보내지게 되고, 공기극(cathode)에서 이산화탄소(CO2)와 산소(O2)가 반응하여 탄산이온(CO3 2??)을 생산한다. 탄산이온(CO3 2??)은 전해질을 통해 연료극(anode)으로 이동한다. 용융탄산염 연료전지(MCFC)에서는 전기를 생성하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 외부로 배출하지 않고 연료전지 내부에서 순환되도록 구현될 수 있다. Other molten carbonate fuel cell (MCFC) is a fuel electrode (anode) and hydrogen (H 2) and carbonate ions (CO 3 2 ??) The reaction of the water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2), E (e? ? ) Is generated. The generated carbon dioxide (CO 2 ) is sent to the cathode and carbon dioxide (CO 2 ) and oxygen (O 2 ) react with each other at the cathode to produce carbonate ion (CO 3 2 ?? ). Carbonate ions (CO 3 2 ) migrate through the electrolyte to the anode. In a molten carbonate fuel cell (MCFC), carbon dioxide (CO 2 ) generated in the process of generating electricity can be implemented to be circulated in the fuel cell without being discharged to the outside.

도 2 및 도 4를 참고하면, 상기 수소생성부(400)는 원료를 이용하여 연료전지(210)의 연료극(anode)에 필요한 연료, 즉 수소(H2) 가스를 생성하는 장치를 포함한다. 본 명세서에서는 상기 수소생성부(400)에 유입되는 것을 원료 및 원료수로 정의하고, 상기 수소생성부(400)에서 생성되어 상기 연료전지(210)로 유입되는 것을 연료로 정의한다. 2 and 4, the hydrogen generator 400 includes an apparatus for generating a fuel, that is, hydrogen (H 2 ) gas, necessary for the anode of the fuel cell 210 using the raw material. In the present specification, the fuel that is generated in the hydrogen generator 400 and introduced into the fuel cell 210 is defined as the fuel that is introduced into the hydrogen generator 400 as raw material and raw water.

상기 수소생성부(400)는 연료전지(210)의 종류에 따라 또는 전기 생성 효율 향상을 위해 그 구조가 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 연료전지(210)가 용융탄산염 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우, 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지(210)가 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 상기 수소생성부(400)는 개질기(Reformer)와 연소기 외에도 수성가스화반응기(Water Gas Shift reactor, WGS)를 더 포함하여 구현될 수 있다. The hydrogen generator 400 may be designed to have various structures depending on the type of the fuel cell 210 or to improve electricity generation efficiency. For example, when the fuel cell 210 is a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC), the hydrogen generator 400 may include a reformer and a combustor . In another example, when the fuel cell 210 is a PAFC or a PEMFC, the hydrogen generator 400 may be a water gas shift reactor , ≪ / RTI > WGS).

상기 수성가스화반응기(WGS)는 고온 수성가스화반응기(HTS, High??Temperature Shift reactor), 중온 수성가스화반응기(MTS, Mid??Temperature Shift reactor), 저온 수성가스화반응기(LTS, Low??Temperature Shift reactor), 또는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 상기 일산화탄소 제거기는 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. The water gasification reactor (WGS) may be a high temperature gas shift reactor (HTS), a mid temperature shift reactor (MTS), a low temperature water gasification reactor (LTS) reactor, or a carbon monoxide remover. The carbon monoxide remover may include a selective oxidation reactor (PROX) for burning and removing only carbon monoxide (CO), or a methanation reactor for reducing carbon monoxide (CO) to hydrogen (H 2 ) .

도 4를 참고하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 수소생성부(400)의 일례를 살펴보면, 다음과 같다. Referring to FIG. 4, an example of the hydrogen generator 400 in the fuel cell system 200 according to the present invention will be described as follows.

상기 수소생성부(400)는 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(Reformer)(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. The hydrogen generator 400 may include a raw material processing unit 410, a raw material water processing unit 420, a reformer 430, and a combustor 440.

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 예를 들어, 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크로부터 공급되는 액화천연가스를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하여 구현될 수 있다. 원료가 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy fuel oil, HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료인 경우, 상기 원료 처리부(410)는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 또는 일반 중유(HFO)에 열을 가하는 히터와 상기 가열된 원료를 촉매 반응하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료 처리부(410)는 원료에 포함된 불순물을 제거하는 필터나 황화물을 제거하는 탈황기를 포함하여 구현될 수 있다. The raw material processing unit 410 preprocesses the raw material supplied from the raw material supply unit including the raw material storage tank. For example, the raw material treatment unit 410 may include an LNG evaporator for evaporating the liquefied natural gas supplied from the LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator. When the raw material is a liquid raw material having a relatively high molecular weight such as Marine Gas Oil (MGO), Marine Diesel Oil (MDO), Heavy Fuel Oil (HFO), etc., 410 includes a heater that applies heat to marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), or general heavy oil (HFO), and a methanizer that generates methane (CH4) by catalyzing the heated raw material . The raw material treatment unit 410 may include a filter for removing impurities contained in the raw material, and a desulfurizer for removing sulfide.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 개질기(Reformer)로 공급한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 연소기(440)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 원료수를 가열하는 열교환기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 연료전지 시스템의 배기가스나 증기 내에 포함된 수분(물방울)을 분리하는 기수분리기(steam separator)를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료수 처리부(420)는 원료수를 연료전지 시스템에서 요구하는 순도를 유지하기 위해 활성탄, 이온제거용 수지 등을 이용할 수도 있으며, 이를 측정하는 센서 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 다른 예로, 원료수 처리부(420)에 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다. The raw water treatment unit 420 prepares the raw water supplied from the raw water supply unit including the raw water storage tank. The raw water treatment unit 420 generates steam (H 2 O) by heating the raw water, and supplies the steam (H 2 O) to a reformer. The raw water water treatment unit 420 may include a heat exchanger for heating the raw water to the waste heat of the exhaust gas generated in the combustor 440, for example. The raw water water treatment unit 420 may include a steam separator for separating moisture (water droplets) contained in the exhaust gas or steam of the fuel cell system. In addition, the raw water treatment unit 420 may use activated carbon, ion removal resin, or the like to maintain the purity required for the raw material water in the fuel cell system, and may include a sensor and a control system for measuring the same. As another example, the system may include an external water supply line and system for maintaining a certain level of water in the water supply unit 420.

상기 개질기(Reformer)(430)는 상기 원료 처리부(410)로부터 공급되는 전처리된 원료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급되는 스팀(H2O)의 개질반응을 진행하여 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 발생시킨다. 이러한 개질반응을 진행함에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연소기(440)에서 제공되는 열 에너지를 이용할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 상기 개질기(330)에서 나오는 개질가스를 연료로 정의한다.The reformer 430 reforms the pre-treated raw material supplied from the raw material treatment unit 410 and the steam (H 2 O) supplied from the raw water treatment unit 420 to supply hydrogen (H 2 ) Thereby generating a reforming gas. In the reforming reaction, the reformer 330 may use thermal energy provided by the combustor 440. Hereinafter, the reformed gas from the reformer 330 is defined as a fuel.

상기 개질기(Reformer)(430)는 개질반응을 촉발시키는 개질촉매층을 포함하여 구현된다. 개질촉매층은 개질촉매가 담체에 담지된 촉매를 충전한 구조로 이루어진다. 개질촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 세라믹, 내열성금속 등, 예컨대 알루미나(Al2O3)나 티타니아(TiO2) 등이 될 수 있다.The reformer 430 is implemented with a reforming catalyst layer that triggers a reforming reaction. The reforming catalyst layer has a structure in which the reforming catalyst is packed with a catalyst supported on the carrier. The reforming catalyst is composed of nickel (Ni), ruthenium (Ru), platinum (Pt) or the like. The shape of the carrier carrying the catalyst may be, for example, granular, pellet or honeycomb, Resistant metal such as alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), or the like.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연료전지(210)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 외부 개질형으로 구현된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 개질기(330)는 상기 연료전지(210)의 내부에 개질촉매층의 형태로 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 연료전지(210)는 내부 개질형으로 구현된다.In the fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention, the reformer 330 may be installed outside the fuel cell 210. In this case, the fuel cell 210 is implemented as an external reforming type. In the fuel cell system 200 according to the present invention, the reformer 330 may be installed inside the fuel cell 210 in the form of a reforming catalyst layer. In this case, the fuel cell 210 is implemented as an internal reforming type.

상기 연소기(440)는 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응이 원활하게 진행되도록 열을 제공한다. 상기 연소기(440)에 의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(430)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(430) 내에 발생한다. 상기 연소기(440)의 가열온도가 높은 경우 상기 개질기(Reformer)(430)의 개질촉매층의 촉매활성이 저하될 수 있다. The combustor 440 provides heat to the reformer 430 to smoothly perform the reforming reaction. When the reformer heating temperature by the combustor 440 is low, the reforming reaction by the endothermic reaction of the reformer 430 does not progress well and moisture (water droplets) is generated in the reformer 430 . If the heating temperature of the combustor 440 is high, the catalytic activity of the reforming catalyst layer of the reformer 430 may be lowered.

상기 연소기(440)는 시스템 전체의 효율을 향상시키기 위해, 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료, 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 연료극(anode)에서 배출되는 배기가스, 또는 그 둘을 혼합한 것을 원료로 사용할 수 있다. 상기 연소기(440)는 공기 공급부(130, 도 1에 도시됨)에서 공급되는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 상기 연소기(440)는 추가로 상기 연료전지(210)의 연료전지 스택의 공기극(cathode)에서 배출되는 공기를 사용할 수 있다.The combustor 440 is connected to the raw material pretreated in the raw material treatment section 410, the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell stack of the fuel cell 210, Can be used as a raw material. The combustor 440 may use air supplied from the air supply unit 130 (shown in FIG. 1). In the fuel cell system 200 according to the present invention, the combustor 440 may further use air discharged from the cathode of the fuel cell stack of the fuel cell 210.

도시하지 않았지만, 상기 수소생성부(400)는 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있다 상기 온도센서는 개질기(Reformer)(430)의 온도를 검출한다. 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도는 상기 개질기(Reformer)(430)의 구성 및 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료와 스팀(H2O)과의 혼합비율 등의 조건에 의해서 최적 온도 범위가 변화한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 상기 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 연소기(440)의 원료 연소량을 증감시켜 상기 개질기(Reformer)(430)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(250)는 최적 온도 범위에 대하여 ㅁ20℃ 정도의 범위 내로 제어하도록 구현될 수 있다. Although not shown, the hydrogen generator 400 may further include at least one temperature sensor. The temperature sensor detects the temperature of the reformer 430. The temperature of the reformer 430 may be adjusted according to the configuration of the reformer 430 and the mixing ratio of the raw material pretreated in the raw material processing unit 410 and steam (H 2 O) The range changes. 2), the control unit 250 controls the amount of combustion of the combustor 440 based on the signal output from the temperature sensor, And the temperature of the reformer 430 is controlled. For example, the controller 250 may be configured to control the temperature within a range of about 20 ° C to an optimum temperature range.

여기서, 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응을 통해 발생하는 가스에는 수소(H2)뿐 아니라 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된다. 상기 연료전지(210)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(210)의 수명을 단축시킨다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 10∼20ppm 이하로 줄이기 위해, 상기 수소생성부(400)는 수성가스화반응기(WGS)(450)를 더 포함할 수 있다. Here, the gas generated through the reforming reaction in the reformer 430 includes not only hydrogen (H 2 ) but also carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and the like. When the fuel cell 210 is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), carbon monoxide (CO) poisons the electrode catalyst of the fuel cell stack of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) to shorten the life of the fuel cell 210. In order to reduce the concentration of carbon monoxide (CO) to 10 to 20 ppm or less, the hydrogen generating unit 400 may further include a water gasification reactor (WGS) 450.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산할 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 도 4에 도시한 바와 같이 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다. The water gasification reactor (WGS) 450 can produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) by reacting carbon monoxide (CO) with steam (H 2 O). The water gasification reactor (WGS) 450 may be implemented with a high temperature aqueous gasification reactor (HTS) and a low temperature aqueous gasification reactor (LTS) as shown in FIG.

상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류에 따라 다르고, 제어온도의 평형에 의해서 배출되는 가스의 조성이 결정된다. 도 4에 도시하지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)는 300∼430℃ 범위 내에서 제어되고, 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)는 200∼250℃ 범위 내에서 제어된다. The optimum temperature of the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) and the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) varies depending on the type of the catalyst used and the composition of the gas discharged by the equilibrium of the control temperature is determined. Although not shown in FIG. 4, a cooler and a temperature sensor may be installed in the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) and the low temperature aqueous gasification reactor (LTS), respectively. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes the controller 250 (shown in FIG. 2), the controller 250 controls the cooler using the signal output from the temperature sensor, (HTS) and the temperature of the low temperature aqueous gasification reactor (LTS). For example, the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) is controlled within a range of 300 to 430 ° C, and the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) is controlled within a range of 200 to 250 ° C.

도시되지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일산화탄소 제거기를 포함할 수 있다. 일산화탄소 제거기는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 완전히 처리되지 않고 남은 극소량의 일산화탄소(CO)를 제거한다. 상기 일산화탄소 제거기는 공기공급부로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 공급되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. Although not shown, the water gasification reactor (WGS) 450 may include a carbon monoxide remover. The carbon monoxide remover removes a very small amount of carbon monoxide (CO) that is not completely treated in the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) at the end of the low temperature water gasification reactor (LTS). The carbon monoxide remover includes a selective oxidation unit (PROX) for supplying air from an air supply unit and burning only CO in the gas supplied from the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) H 2 ) to reduce the concentration thereof.

상기 선택적산화반응기(PROX)는 냉각기와 온도센서가 설치된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)이 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하는 경우, 상기 제어부(250)는 온도센서에서 출력되는 신호를 이용하여 냉각기를 제어함으로써 선택적산화반응기(PROX)의 온도를 제어한다. 예를 들어, 상기 선택적산화반응기(PROX)는 120∼160℃ 범위 내에서 제어된다. 그러나, 상기 선택적산화반응기(PROX)의 최적 온도는 사용하는 촉매의 종류 및 사용방법 등의 조건에 따라 다르게 설정된다. The selective oxidation reactor (PROX) is equipped with a cooler and a temperature sensor. When the fuel cell system 200 according to the present invention includes the control unit 250 (shown in FIG. 2), the control unit 250 controls the cooler using the signal output from the temperature sensor, ). For example, the selective oxidation reactor (PROX) is controlled within the range of 120 to 160 占 폚. However, the optimal temperature of the selective oxidation reactor (PROX) is set differently depending on conditions such as the type of catalyst used and the method of use.

상기 선택적산화반응기(PROX)의 촉매층은 선택적산화촉매를 담지하는 담체가 충전된 구조로 이루어진다. 선택적산화촉매는 백금(Pt) 등으로 이루어지며, 촉매를 담지하는 담체의 형상은, 예컨대 입상, 펠릿형상 및 허니컴형상 등이 될 수 있고, 담체를 구성하는 재료는 예컨대 알루미나(Al2O3), 산화마그네슘(MgO) 등이 될 수 있다.The catalyst layer of the selective oxidation reactor (PROX) comprises a structure filled with a carrier for supporting a selective oxidation catalyst. The selective oxidation catalyst is made of platinum (Pt) or the like, and the shape of the support carrying the catalyst may be, for example, a granular shape, a pellet shape, a honeycomb shape, etc. The material constituting the support may be alumina (Al 2 O 3 ) , Magnesium oxide (MgO), and the like.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.5 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. 1 to 4, the same reference numerals are used.

도 5를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 제1 연료전지 시스템(510), 및 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)은 제1 수소생성부와 제1 연료전지를, 상기 제2 연료전지 시스템(520)은 제2 수소생성부와 제2 연료전지를 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)에서 생산되는 전기는 전력변환부(140)로 전송된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하여 구현될 수도 있다.Referring to FIG. 5, a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention is implemented including a first fuel cell system 510, and a second fuel cell system 520. The first fuel cell system 510 includes a first hydrogen generator and a first fuel cell, and the second fuel cell system 520 includes a second hydrogen generator and a second fuel cell. The electricity generated in the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 is transmitted to the power conversion unit 140. The fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 (shown in FIG. 2) for controlling the operation of all the configurations including the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 May be implemented.

상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)에 사용되는 제1, 제2 연료전지는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 또는 직접매탄올 연료전지(DMFC) 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The first and second fuel cells used in the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 may be an alkali fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 수소생성부는 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지의 공기극(cathode) 또는 연료극(anode)으로부터 공급되는 배기가스를 개질기의 열원으로 사용하도록 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 수소생성부는 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 연료전지의 공기극(cathode) 또는 연료극(anode)으로부터 공급되는 배기가스를 개질기의 열원으로 사용하도록 구현될 수 있다.The first hydrogen generator of the first fuel cell system 510 uses the exhaust gas supplied from the cathode or the anode of the second fuel cell of the second fuel cell system 520 as a heat source of the reformer . ≪ / RTI > The second hydrogen generator of the second fuel cell system 520 may supply the exhaust gas supplied from the cathode or the anode of the first fuel cell of the first fuel cell system 510 to the reformer It can be implemented for use as a heat source.

상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 수소생성부는 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 잔여물질 또는 반응생성물을 연소기의 연소물질로 사용하도록 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 수소생성부는 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 잔여물질 또는 반응생성물을 연소기의 연소물질로 사용하도록 구현될 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. The first hydrogen generator of the first fuel cell system 510 may use the remaining material or reaction product supplied from the cathode of the second fuel cell of the second fuel cell system 520 as a combustion material of the combustor Can be implemented. Alternatively, the second hydrogen generator of the second fuel cell system 520 may supply the residual material or reaction product supplied from the cathode of the first fuel cell of the first fuel cell system 510 to the combustion material As shown in FIG. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 제1 연료전지 시스템(510)과 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현됨으로써, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)을 포함하는 발전시스템(100, 도 1에 도시됨)에서 필요로 하는 전기 생산량을 얻을 수 있다. First, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is realized by including the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520, (Shown in FIG. 1) including the power generation system 100 (see FIG. 1).

둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 연료전지의 공기극(cathode) 또는 연료극(anode)으로부터 공급되는 배기가스를 제2 연료전지 시스템(520)의 개질기의 열원으로 사용하도록 구현되거나, 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지의 공기극(cathode) 또는 연료극(anode)으로부터 공급되는 배기가스를 제1 연료전지 시스템(510)의 개질기의 열원으로 사용하도록 구현됨으로써, 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 제2 연료전지 시스템(520) 중 어느 하나는 종래 수소생성부에 설치되었던 연소기를 생략할 수 있으므로 연료전지 시스템의 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.Secondly, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured such that the exhaust gas supplied from the cathode or the anode of the first fuel cell of the first fuel cell system 510, Or the exhaust gas supplied from the cathode or the anode of the second fuel cell of the second fuel cell system 520 may be used as the heat source of the reformer of the battery system 520, 510 can be used as a heat source of the reformer, any one of the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 can omit the combustor installed in the conventional hydrogen generator, Which can contribute to reducing the installation cost and operating cost of the system.

셋째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 수소생성부가 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지의 공기극(cathode)에서 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 연소기의 연소물질로 사용하도록 구현되거나 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 수소생성부가 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 연료전지의 공기극(cathode)에서 공급되는 잔여물질 또는 반응생성물을 연소기의 연소물질로 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템에서 필요한 열을 공급하기 위한 연소용 공기에 대한 외부공급량 감소와 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.Third, in the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention, the first hydrogen generating unit of the first fuel cell system 510 is connected to the cathode of the second fuel cell of the second fuel cell system 520 cathode of the first fuel cell system 510 or a reaction product of the unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the second fuel cell system 520 as a combustion material of the combustor, And the residual material or reaction product supplied from the cathode of the battery is used as the combustion material of the combustor, it is possible to reduce the external supply amount to the combustion air for supplying the heat required in the fuel cell system, And to reduce environmental pollution due to increased air emissions of reaction products.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 구성도를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a configuration diagram of a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 6은 도 5의 연료전지 시스템(200)에 대한 제1 실시예에 따른 구성도이다. FIG. 6 is a configuration diagram of the fuel cell system 200 of FIG. 5 according to the first embodiment.

도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 제1 연료전지 시스템(510), 및 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)은 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 제1 개질기(430), 수성가스화반응기(WGS)(450), 및 제1 연료전지(320)를 포함하여 구현된다. 상기 제2 연료전지 시스템(520)은 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 제2 개질기(430), 연소기(440), 및 제2 연료전지(310)를 포함하여 구현된다. 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다. Referring to FIG. 6, the fuel cell system 200 according to the present invention is implemented including a first fuel cell system 510, and a second fuel cell system 520. The first fuel cell system 510 includes a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a first reformer 430, a water gasification reactor (WGS) 450, and a first fuel cell 320 . The second fuel cell system 520 includes a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a second reformer 430, a combustor 440, and a second fuel cell 310. 4, the same reference numerals are used.

도 6에서, 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 개질기(430)는 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지(310)의 공기극(cathode)(324)으로부터 공급되는 배기가스를 열원으로 사용하도록 구현된다. 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 연소기(440)는 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 연료전지(320)의 연료극(anode)(321) 및 공기극(cathode)(324)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 연소물질로 사용하도록 구현된다. 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 연소기(440)는 제1 개질기(430)에 열을 공급하고 배출되는 배기가스를 연소물질로 사용하도록 구현될 수 있다.6, the first reformer 430 of the first fuel cell system 510 is connected to the exhaust gas supplied from the cathode 324 of the second fuel cell 310 of the second fuel cell system 520, Gas is used as a heat source. The combustor 440 of the second fuel cell system 520 is supplied from the anode 321 and the cathode 324 of the first fuel cell 320 of the first fuel cell system 510, Or a reaction product of the unreacted residual material or combustion product. The combustor 440 of the second fuel cell system 520 may be configured to supply heat to the first reformer 430 and use the exhaust gas as a combustion material.

상기 제1 연료전지(320)는 저온형 연료전지이다. 도 6에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 예시하였지만, 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC)로 구현될 수 있다. 상기 저온형 연료전지는 연료극(anode)(321)의 촉매층에서 반응하지 않은 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 상기 저온형 연료전지는 공기극(cathode)(324)에서 미반응 잔여물질로 산소(O2)와 반응생성물로 스팀(H2O)을 포함하는 배기가스를 배출한다. The first fuel cell 320 is a low temperature type fuel cell. 6 illustrates a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), it may be implemented as an alkali fuel cell (AFC) or a phosphoric acid fuel cell (PAFC). The low temperature type fuel cell discharges unreacted residual materials such as hydrogen (H 2 ) in the catalyst layer of the anode 321. The low temperature type fuel cell discharges exhaust gas containing oxygen (O 2) and reaction product (H 2 O) from the cathode 324 as unreacted residual material.

상기 제2 연료전지(310)는 고온형 연료전지이다. 도 6에서는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 예시하였지만, 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등으로 구현될 수도 있다. 상기 고온형 연료전지의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 미반응 잔여물질과 반응생성물인 스팀(H2O)은 연소기(440)로 공급될 수 있다. 또한, 상기 고온형 연료전지의 공기극(cathode)(311)에서 배출되는 미반응 산소를 포함한 배기가스는 연소기(440)로 공급될 수 있다. The second fuel cell 310 is a high temperature type fuel cell. Although a solid oxide fuel cell (SOFC) is illustrated in FIG. 6, it may be implemented as a molten carbonate fuel cell (MCFC) or the like. Unreacted residual substances such as carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) discharged from the anode 313 of the high temperature type fuel cell and steam (H 2 O) which is a reaction product are supplied to the combustor 440 . The exhaust gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode 311 of the high temperature type fuel cell may be supplied to the combustor 440.

상기 제1 연료전지 시스템(510)의 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질기(430)로부터 공급되는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 도시하지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)의 후단에는 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집기가 설치될 수 있다. The water gasification reactor (WGS) 450 of the first fuel cell system 510 reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the reformed gas supplied from the reformer 430, 2 ) and hydrogen (H 2 ). Although not shown, a carbon dioxide collector for collecting carbon dioxide (CO 2 ) may be installed at the rear end of the water gasification reactor (WGS) 450.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일례로, 고온 수성가스화반응기(HTS)로 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 다른 예로, 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 고온 수성가스화반응기(HTS) 또는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 일산화탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거기가 더 설치될 수 있다. 상기 일산화탄소 제거기는 공기공급부로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)에서 배출되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. The water gasification reactor (WGS) 450 may be embodied as a high temperature aqueous gasification reactor (HTS), for example. The water gasification reactor (WGS) 450 may, for example, be implemented with a hot water gasification reactor (HTS) and a low temperature aqueous gasification reactor (LTS). The water gasification reactor (WGS) 450 may further include a carbon monoxide remover for removing carbon monoxide (CO) at the downstream of the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) or the low temperature aqueous gasification reactor (LTS). The carbon monoxide remover includes a selective oxidation unit (PROX), which receives air from an air supply unit and burns only the carbon monoxide (CO) in the gas discharged from the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) H 2 ) to reduce the concentration thereof.

도 7은 도 5의 연료전지 시스템(200)에 대한 제2 실시예에 따른 구성도이다. FIG. 7 is a configuration diagram of the fuel cell system 200 of FIG. 5 according to the second embodiment.

도 7를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 제1 연료전지 시스템(510), 및 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)은 제1 개질기(430), 수성가스화반응기(WGS)(450), 및 제1 연료전지(320)를 포함하여 구현된다. 상기 제2 연료전지 시스템(520)은 제2 개질기(430), 연소기(440), 및 제2 연료전지(310)를 포함하여 구현된다. 도 6과 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다. 7, the fuel cell system 200 according to the present invention includes a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a first fuel cell system 510, and a second fuel cell system 520 . The first fuel cell system 510 includes a first reformer 430, a water gasification reactor (WGS) 450, and a first fuel cell 320. The second fuel cell system 520 includes a second reformer 430, a combustor 440, and a second fuel cell 310. 6, the same reference numerals are used.

도 7에서, 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리하고, 전치리한 원료를 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 개질기(430) 및 연소기(440)로 공급한다. 원료가 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy fuel oil, HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료인 경우, 상기 원료 처리부(410)는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 또는 일반 중유(HFO)에 열을 가하는 히터와 상기 가열된 원료를 촉매 반응하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 원료 처리부(410)는 원료에 포함된 불순물을 제거하는 필터나 황화물을 제거하는 탈황기를 포함하여 구현될 수 있다. 7, the raw material processing unit 410 preprocesses the raw materials supplied from the raw material supply unit including the raw material storage tank, and transfers the raw raw materials to the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520, The reformer 430 and the combustor 440 of FIG. When the raw material is a liquid raw material having a relatively high molecular weight such as Marine Gas Oil (MGO), Marine Diesel Oil (MDO), Heavy Fuel Oil (HFO), etc., 410 includes a heater that applies heat to marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), or general heavy oil (HFO), and a methanizer that generates methane (CH4) by catalyzing the heated raw material . The raw material treatment unit 410 may include a filter for removing impurities contained in the raw material, and a desulfurizer for removing sulfide.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 개질기(430)로 공급한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 상기 연소기(440)에서 발생하는 배기가스의 폐열로 원료수를 가열하는 열교환기를 포함하여 구현될 수 있다. 또한, 원료수 처리부(420)는 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다. The raw water water treatment unit 420 prepares raw water supplied from the raw water supply unit 120 including the raw water storage tank. The raw water treatment unit 420 heats the raw water to generate steam H 2 O and supplies the steam H 2 O to the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520, To the reformer 430 of FIG. The raw water water treatment unit 420 may include a heat exchanger for heating the raw water to the waste heat of the exhaust gas generated in the combustor 440, for example. In addition, the raw water treatment unit 420 may include an external water supply line and a system for maintaining a predetermined level of water.

도 8은 도 5의 연료전지 시스템(200)에 대한 제3 실시예에 따른 구성도이다.FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell system 200 of FIG. 5 according to the third embodiment.

도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 제1 연료전지 시스템(510), 및 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)은 제1 개질기(430), 수성가스화반응기(WGS)(450), 및 제1 연료전지(320)를 포함하여 구현된다. 상기 제2 연료전지 시스템(520)은 제2 개질기(430), 연소기(440), 및 제2 연료전지(310)를 포함하여 구현된다. 여기서, 도 6 및 도 7과 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다. 8, the fuel cell system 200 according to the present invention includes a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a first fuel cell system 510, and a second fuel cell system 520 . The first fuel cell system 510 includes a first reformer 430, a water gasification reactor (WGS) 450, and a first fuel cell 320. The second fuel cell system 520 includes a second reformer 430, a combustor 440, and a second fuel cell 310. 6 and 7, the same reference numerals are used.

상기 원료 처리부(410)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 예를 들어, 상기 원료 처리부(410)는 원료 공급부(110)에서 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 LNG 증발기는 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열에 의해 발열하는 기화기(411)를 포함하여 구현될 수 있다. The raw material treatment unit 410 prepares the raw water supplied from the raw water supply unit 120 including the raw water storage tank. For example, the raw material processing unit 410 may include an LNG evaporator that evaporates LNG (liquefied natural gas) supplied from the raw material supply unit 110. The LNG evaporator may include a vaporizer 411 that generates heat by the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 상기 기화기(411)와 연결되는 열교환기와 상기 열교환기와 연결되는 응축기를 포함하여 구현될 수 있다. The raw water water treatment unit 420 prepares raw water supplied from the raw water supply unit 120 including the raw water storage tank. The raw water water treatment unit 420 may include a heat exchanger connected to the vaporizer 411 and a condenser connected to the heat exchanger.

상기 열교환기는 상기 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수와 상기 기화기(411)로부터 공급되는 연소기(440)의 배기가스의 폐열을 열교환시킨다. 상기 열교환기에서 냉각된 배기가스는 응축기로 유입되어, 응축하여 발생한 수분(물방울)은 원료수 공급부(120)의 원료수 저장탱크로 공급되고, 응축 후의 잔류 가스는 외부로 배출된다. 한편, 상기 열교환기를 통과하면서 가열된 물은 상기 수소생성부의 제1 및 제2 개질기(430)로 공급된다.The heat exchanger exchanges heat between the raw water supplied from the raw water supply unit 120 and the waste heat of the exhaust gas of the combustor 440 supplied from the vaporizer 411. The exhaust gas cooled in the heat exchanger flows into the condenser, and moisture (water droplets) generated by condensation is supplied to the raw water storage tank of the raw water supply part 120, and the residual gas after condensation is discharged to the outside. Meanwhile, the heated water passing through the heat exchanger is supplied to the first and second reformers 430 of the hydrogen generating unit.

이하에서는 본 발명에 따른 선박의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of a ship according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 9는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.9 is a schematic view showing an example of a ship according to the present invention.

도 1 내지 도 9을 참고하면, 본 발명에 따른 선박(900)은 선체(910)에 발전시스템(100)이 설치된다. 상기 발전시스템(100)은 연료전지 시스템(200)을 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 제1 연료전지 시스템(510), 및 제2 연료전지 시스템(520)을 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)은 제1 수소생성부(610)와 제1 연료전지(320)를, 상기 제2 연료전지 시스템(520)은 제2 수소생성부(620)와 제2 연료전지(310)를 포함하여 구현된다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)에서 생산되는 전기는 전력변환부(140, 도 5에 도시됨)에 전송된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하여 구현될 수도 있다.Referring to FIGS. 1 to 9, a ship 900 according to the present invention is provided with a power generation system 100 on a ship 910. The power generation system 100 includes a fuel cell system 200. The fuel cell system 200 is implemented including a first fuel cell system 510, and a second fuel cell system 520. The first fuel cell system 510 includes a first hydrogen generator 610 and a first fuel cell 320 and the second fuel cell system 520 includes a second hydrogen generator 620 and a second fuel And a battery 310 as shown in FIG. The electricity generated in the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 is transmitted to the power conversion unit 140 (shown in FIG. 5). The fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 (shown in FIG. 2) for controlling the operation of all the configurations including the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 May be implemented.

상기 제1 연료전지 시스템(510)과 상기 제2 연료전지 시스템(520)에 사용되는 제1, 제2 연료전지는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The first and second fuel cells used in the first fuel cell system 510 and the second fuel cell system 520 may be an alkali fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 수소생성부(610)는 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지(310)의 공기극(cathode) 또는 연료극(anode)로부터 공급되는 배기가스를 개질기의 열원으로 사용하도록 구현될 수 있다. 상기 제1 연료전지 시스템(510)의 제1 수소생성부(610)는 상기 제2 연료전지 시스템(520)의 제2 연료전지(310)의 공기극(cathode)로부터 공급되는 잔여물질 또는 반응생성물을 연소기의 연소물질로 사용하도록 구현될 수 있다. The first hydrogen generator 610 of the first fuel cell system 510 is connected to the cathode of the second fuel cell 310 of the second fuel cell system 520, And may be implemented using gas as the heat source of the reformer. The first hydrogen generating unit 610 of the first fuel cell system 510 may supply the residual material or reaction product supplied from the cathode of the second fuel cell 310 of the second fuel cell system 520 It can be implemented as a combustion material of a combustor.

도 1 내지 도 9을 참고하면, 상기 선체(910)는 본 발명에 따른 선박(900)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 선체(910)에는 선체(910)를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진과 상기 엔진에 원료를 공급하는 원료 공급부가 설치된다. 예를 들어, 원료는 탄화수소 계열의 물질로, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르, 메탄가스, 수소정제 오프가스, 순수소, 및 해상 가스유(Marine Gas Oil, MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO), 일반 중유(Heavy fuel oil, HFO)와 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다. 1 to 9, the hull 910 constitutes the overall appearance of the ship 900 according to the present invention. The hull 910 is provided with an engine for generating propulsive force for moving the hull 910 and a raw material supply unit for supplying the raw material to the engine. For example, the raw material is a material of a hydrocarbon series, LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), petrol, dimethyl ether, methane, A liquid raw material having a relatively high molecular weight such as hydrogen purification off gas, pure water, and marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy fuel oil (HFO) And so on.

상기 선체(910)에는 원료수를 저장하는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 원료수 공급부(120)가 설치된다. 상기 원료수는 예를 들어, 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. The hull 910 is provided with a raw water storage tank for storing raw water and a raw water supply unit 120 for supplying the raw water from the raw water storage tank. The raw water may be, for example, fresh water or seawater. As another example, the raw water may be water in the state where impurities are removed from fresh water or seawater.

상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에 공기를 공급하는 공기 공급부(130)가 설치된다. 통상적으로 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등을 포함하는 기체를 의미하지만, 본 명세서에서는 공기에서 질소 또는 이산화탄소, 또는 두 기체 모두를 제거한 경우도 포함한다. 상기 공기 공급부(130)는 공기 저장탱크와 상기 공기 저장탱크로부터 공기를 공급하는 장치(예컨대, 블로워)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 공기 공급부(130)는 외부공기를 공급받아 압축한 후 압축된 고압의 공기를 공급하거나 외부공기의 불순물 제거 후 상압으로 공급하도록 구현될 수 있다. The hull 910 is provided with an air supply unit 130 for supplying air to the fuel cell system 200. Normally, air means a gas including nitrogen, oxygen, carbon dioxide and the like, but also includes the case where nitrogen or carbon dioxide or both gases are removed from the air. The air supply unit 130 may include an air storage tank and a device (for example, a blower) for supplying air from the air storage tank. As another example, the air supply unit 130 may be configured to supply the compressed high-pressure air after the external air is supplied, compress the high-pressure air, or to remove the foreign air and supply the compressed air at a normal pressure.

상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC??DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC??AC 인버터 등으로 구성된 전력변환부가 설치된다. 상기 전력변환부는 상기 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 공급하도록 구현될 수도 있다. The hull 910 is provided with a DC? DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 and a DC? AC inverter for converting the DC current DC into an AC current. And a power conversion unit configured. The power conversion unit discharges electricity supplied from the fuel cell system 200 to a power load. The electric power load may be, for example, in-ship electrical equipment such as a ship's basic electrical equipment and cargo-system electrical equipment in the case of a ship. Although not shown, the power conversion unit may be implemented to supply electricity to an energy storage device, for example, a battery.

본 명세서에서,"선박"이라는 용어는 수상을 항해하는 구조물을 의미하는 것으로 한정되지 않으며, 수상을 항해하는 구조물뿐만 아니라, 수상에서 부유하며 작업을 수행하는 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO) 등과 같은 해상 구조물을 포함한다.In this specification, the term "ship" is not limited to a structure for navigating a watercraft, and includes not only a structure for navigating a watercraft, but also a floating oil production storage and unloading facility (FPSO) It includes the same sea structure.

지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined only by the appended claims.

100: 발전시스템
110: 원료 공급부 120: 원료수 공급부
130: 공기 공급부 140: 전력변환부
200: 연료전지 시스템
510: 제1 연료전지 시스템 520: 제2 연료전지 시스템
610: 제1 수소생성부 620: 제2 수소생성부100: Power generation system
110: raw material supply part 120: raw material water supply part
130: air supply unit 140: power conversion unit
200: Fuel cell system
510: first fuel cell system 520: second fuel cell system
610: first hydrogen generator 620: second hydrogen generator

Claims (8)

수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제1 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제1 공기극(cathode), 및 상기 제1 연료극(anode)과 상기 제1 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제1 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제1 연료전지;
수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 제2 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 제2 공기극(cathode), 및 상기 제2 연료극(anode)과 상기 제2 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 제2 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 제2 연료전지;
상기 제1 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하기 위해, 상기 제2 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 공급되는 배기가스를 열원으로 사용하는 제1 개질기를 포함하는 제1 수소생성부; 및
상기 제2 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하는 제2 개질기, 및 상기 제2 개질기를 가열하는 연소기를 포함하는 제2 수소생성부를 포함하는 연료전지 시스템.1. A fuel cell system, comprising: a first anode (anode) through which fuel containing hydrogen flows and discharges exhaust gas; a first cathode through which air, which is an oxidant required for a fuel cell reaction, 1. A fuel cell comprising: a first fuel cell including a first electrolyte serving as a transferring of ions generated at a cathode to produce electricity;
A second fuel electrode (anode) through which fuel containing hydrogen flows and discharges the exhaust gas, a second air electrode through which air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction, flows, and a second fuel electrode A second fuel cell for generating electricity including a second electrolyte serving as a transferring of ions generated at the cathode;
And a first reformer that uses an exhaust gas supplied from an anode or a cathode of the second fuel cell as a heat source to generate fuel containing hydrogen used in the first fuel cell, 1 hydrogen generator; And
A second reformer for generating a fuel containing hydrogen used in the second fuel cell, and a second hydrogen generator including a combustor for heating the second reformer. 제1항에 있어서,
상기 제1 수소생성부는, 상기 제1 개질기로부터 공급되는 연료에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이는 수성가스화반응기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first hydrogen generating unit further comprises an aqueous gasification reactor for reducing the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the fuel supplied from the first reformer. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
원료를 전처리하고, 상기 전치리된 원료를 상기 제1 연료전지 시스템의 제1 개질기와 상기 제2 연료전지 시스템의 제2 개질기로 공급하는 원료 처리부; 및 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 상기 제1 연료전지 시스템의 제1 개질기와 상기 제2 연료전지 시스템의 제2 개질기 및 연소기로 공급하는 원료수 처리부를 포함하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1,
The fuel cell system includes:
A raw material treatment unit for pre-treating a raw material, supplying the pre-treated raw material to a first reformer of the first fuel cell system and a second reformer of the second fuel cell system; And to heat the raw material to generate steam (H 2 O) and supplying the steam (H 2 O) to a second reformer and a combustor of the first reformer and the second fuel cell system of the first fuel cell system And a raw water water treatment unit. 제3항에 있어서,
상기 원료 처리부는, LNG 저장탱크에서 공급되는 원료를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하되,
상기 기화기는 상기 제2 수소생성부의 연소기에서 공급되는 배기가스의 폐열로 발열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method of claim 3,
The raw material processing unit includes an LNG evaporator for evaporating the raw material supplied from the LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator,
Wherein the vaporizer generates heat to waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor of the second hydrogen generating unit. 제4항에 있어서,
상기 원료수 처리부는, 원료수와 상기 기화기를 통과한 폐열을 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기를 통과하면서 냉각된 배기가스 중 물을 응축하는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. 5. The method of claim 4,
Wherein the raw water water treatment section includes a heat exchanger for exchanging heat between the raw water and the waste heat passing through the vaporizer and a condenser for condensing water in the exhaust gas cooled while passing through the heat exchanger. 제1항에 있어서,
상기 제2 수소생성부의 연소기는, 상기 제1 연료전지의 공기극(cathode)에서 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받아 연소반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the combustor of the second hydrogen generating unit is used for a combustion reaction by receiving an exhaust gas containing an unreacted residual material and a reaction product discharged from the cathode of the first fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 제2 수소생성부의 연소기는, 상기 제1 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 연소반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the combustor of the second hydrogen generating unit is supplied with exhaust gas discharged from an anode of the first fuel cell and is used for a combustion reaction. 선체에 발전시스템이 설치되는 선박으로서,
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 연료전지 시스템과;
상기 연료전지 시스템에 원료를 공급하는 원료 공급부와;
상기 연료전지 시스템에 원료수를 공급하는 원료수 공급부와;
상기 연료전지 시스템에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 감압 또는 승압하거나 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하는 선박.As a ship on which a power generation system is installed on the hull,
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 7;
A raw material supply unit for supplying a raw material to the fuel cell system;
A raw water supply unit for supplying raw water to the fuel cell system;
An air supply unit for supplying air to the fuel cell system; And
And a power conversion section for converting the direct current (DC) output from the fuel cell system into a reduced pressure, a boosted voltage, or an alternating current (AC).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130129515A (en) * 2012-05-21 2013-11-29 대우조선해양 주식회사 Heat circulation system of ship loaded fuel cell

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