KR20170015822A - 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 ship having the same. The fuel cell system stores a fuel overproduced in a hydrogen producing unit into an emergency fuel storage tank, stores a part of air supplied from an air supplying unit in an emergency air storage tank, and can stably produce electricity by supplying the fuel stored in the emergency fuel storage tank or the air stored in the emergency air storage tank to a fuel cell, in an emergency situation where fuel supply or air supply is not smooth.

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, 요구되는 발전출력이 커지면 수소생성부가 수소를 포함하는 연료를 생성하는 과정에서 연료를 과잉 생산하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료를 낭비하게 되어 운영비용이 상승하게 되는 문제가 있다. First, when the required power generation output is increased, the hydrogen generator produces excess fuel in the process of generating fuel including hydrogen. Therefore, the fuel cell system according to the related art has a problem that the fuel is wasted and the operating cost is increased.

둘째, 발전 중에 장비 중 일부가 고장이 날 수 있다. 특히 원료 공급 또는 공기 공급이 원활하게 이루어지지 않는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 고장에 따른 비상상태 발생시 안전한 전기 공급이 어려운 문제가 있다.Second, some of the equipment may fail during power generation. Particularly, it may happen that the raw material supply or the air supply is not performed smoothly. Therefore, in the fuel cell system according to the related art, there is a problem that it is difficult to supply the safe electricity when an emergency state occurs due to a failure.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 연료의 과잉 생산에 따른 연료 낭비를 막아 운영비용을 줄일 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-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a ship having the fuel cell system, which can reduce operational expenses by preventing fuel waste due to overproduction of fuel.

본 발명은 고장에 따른 비상상태 발생시 안전하게 전기를 공급할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a fuel cell system capable of safely supplying electricity when an emergency state occurs due to a failure, and a ship having the fuel cell system.

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 연료전지에서 사용되는 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부; 상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 상기 수소생성부로부터 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되는 연료 중 일부를 저장하는 비상연료 저장탱크와 상기 비상연료 저장탱크에 저장된 연료를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급하는 비상 연료 공급부; 및 비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 연료를 공급하도록 상기 비상 연료 공급부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. A fuel cell system according to the present invention includes: a hydrogen generator for generating a fuel including hydrogen used in a fuel cell; An anode for supplying fuel containing hydrogen from the hydrogen generating unit and discharging the exhaust gas; a cathode for supplying air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction; and an anode, A fuel cell for generating electricity including an electrolyte acting as a transferring of ions generated in the fuel cell; An emergency fuel storage tank for storing a portion of the fuel supplied from the hydrogen generator to the anode of the fuel cell, and an emergency fuel supply unit for supplying the fuel stored in the emergency fuel storage tank to the anode of the fuel cell. ; And a control unit for controlling the emergency fuel supply unit to supply fuel to an anode of the fuel cell when an emergency occurs.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기 중 일부를 저장하는 비상공기 저장탱크, 및 상기 비상공기 저장탱크에 저장된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급하는 비상 공기 공급부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하도록 상기 비상 공기 공급부를 제어하는 것을 특징으로 한다. The fuel cell system according to the present invention may further comprise an emergency air storage tank for storing a part of the air supplied to the cathode of the fuel cell and a cathode for storing the air stored in the emergency air storage tank, The emergency air supply unit may control the emergency air supply unit to supply air to the cathode of the fuel cell when an emergency occurs.

본 발명에 따른 선박은 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 상기 수소생성부로부터 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되는 연료 중 일부를 저장하는 비상연료 저장탱크와 상기 비상연료 저장탱크에 저장된 연료를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급하는 비상 연료 공급부; 및 비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 연료를 공급하도록 하는 상기 비상 연료 공급부 및 공기극(cathode)로 공기를 공급하도록 하는 비상 공기 공급부를 제어하는 제어부; 상기 수소생성부에 원료를 공급하는 원료 공급부; 상기 수소생성부에 원료수를 공급하는 원료수 공급부; 상기 수소생성부에 공기를 공급하는 공기 공급부; 비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하도록 하는 비상 공기 공급부; 및 상기 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 승압 또는 감압하거나 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. A ship according to the present invention includes an anode for supplying fuel containing hydrogen from a hydrogen generating unit and discharging exhaust gas, a cathode for supplying air, which is an oxidant required for a fuel cell reaction, And an electrolyte that serves to transfer ions generated in the cathode to generate electricity. An emergency fuel storage tank for storing a portion of the fuel supplied from the hydrogen generator to the anode of the fuel cell, and an emergency fuel supply unit for supplying the fuel stored in the emergency fuel storage tank to the anode of the fuel cell. ; And a control unit for controlling the emergency fuel supply unit to supply fuel to the anode of the fuel cell and the emergency air supply unit to supply air to the cathode when an emergency occurs. A raw material supply unit for supplying a raw material to the hydrogen generating unit; A raw water supply unit for supplying raw water to the hydrogen generating unit; An air supply unit for supplying air to the hydrogen generating unit; An emergency air supply unit for supplying air to the cathode of the fuel cell when an emergency occurs; And a power conversion unit for boosting or reducing the direct current (DC) output from the fuel cell or converting it 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 수소생성부에서 과잉 생산되는 연료를 비상연료 저장탱크에 저장하고, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 일부를 비상공기 저장탱크에 저장할 수 있도록 구현됨으로써, 연료와 공기의 낭비를 줄일 수 있다. The present invention can reduce the waste of fuel and air by storing the fuel that is overproduced in the hydrogen generator in the emergency fuel storage tank and storing a part of the air supplied from the air supplier in the emergency air storage tank.

본 발명은 수소생성부에서 과잉 생산되는 연료를 비상연료 저장탱크에 저장하고, 공기공급부에서 공급되는 공기 중 일부를 비상공기 저장탱크에 저장한 후, 연료 공급 또는 공기 공급이 원활하지 않은 비상 상황 시 비상연료 저장탱크에 저장된 연료와 또는 비상공기 저장탱크에 저장된 공기를 연료전지에 공급함으로써, 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system that stores fuel that is overproduced in a hydrogen producing unit in an emergency fuel storage tank and stores a part of the air supplied from an air supplying unit in an emergency air storage tank, A fuel cell system capable of stably generating electricity by supplying the fuel stored in the emergency fuel storage tank and the air stored in the emergency air storage tank to the fuel cell, and a ship having the fuel cell system.

본 발명은 연료전지에서 생산되는 전기를 저장하는 전기 저장부를 포함하여 구현됨으로써, 비상 상황 발생 시 비상 연료 공급부 또는 비상 공기 공급부에 필요한 전기를 제공할 수 있다.The present invention is embodied by including an electric storage unit for storing electricity produced in a fuel cell, thereby providing electricity necessary for the emergency fuel supply unit or the emergency air supply unit in the event of an emergency.

본 발명은 비상 연료 공급부에서 연료전지의 연료극(anode)으로 연료를 공급하고, 상기 비상 공기 공급부에서 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하도록 구현됨으로써, 수소생성부가 고장이 나거나 원료 또는 공기가 상기 수소생성부에 원활하게 공급되지 않는 비상 상황이 발생하더라도, 연료전지에서 안정적으로 전기를 생산할 수 있다. The present invention is embodied to supply fuel from the emergency fuel supply unit to the anode of the fuel cell and supply air from the emergency air supply unit to the cathode of the fuel cell so that the hydrogen generator fails or the raw material or air It is possible to stably generate electricity in the fuel cell even if an emergency situation occurs in which the hydrogen generator is not smoothly supplied.

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 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 6은 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다른 구성도
도 7a, 도 7b는 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제1 실시예에 따른 구성도
도 8은 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제2 실시예에 따른 구성도
도 9는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도
1 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
6 is a diagram showing another configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention
Figs. 7A and 7B are diagrams showing the configuration of the fuel cell system of Fig. 6 according to the first embodiment
Fig. 8 is a schematic view of the fuel cell system of Fig. 6 according to the second 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 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 includes a DC-DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 according to the present invention, and a DC-AC converter for converting a direct current (DC) An inverter or the like. 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 moved to the anode 313 through the electrolyte 312 are introduced into the anode 313, (H 2 O) and electrons (e-) are generated by electrochemical reaction. 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 FIG. 3B, the PEMFC 320 includes a catalyst layer 322 formed on the anode 321, and hydrogen (H 2 ) is generated as hydrogen ions (H + ) and electrons (e-) do. 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. In the MCFC, hydrogen (H 2 ) and carbonic acid ions (CO 3 2- ) react with each other in the anode to form water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ) 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- ) move 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 shift reactor (HTS), a mid-temperature shift reactor (MTS), a low-temperature shift reactor (LTS) 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 있으며, 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, which 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 제2 실시예에 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 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다. 여기서, 도 1 및 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 and 4, the same reference numerals are used.

도 5를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 비상 연료 공급부(510), 및 비상 공기 공급부(520)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 비상 연료 공급부(510), 및 상기 비상 공기 공급부(520) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. 5, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a hydrogen generator 400, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520 . The fuel cell system 200 according to the present invention can perform all the operations including the fuel cell 210, the hydrogen generator 400, the emergency fuel supply unit 510, and the emergency air supply unit 520 And a control unit 250 for controlling the control unit 250.

상기 비상 연료 공급부(510)는 상기 수소생성부(400)로부터 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로 공급되는 연료 중 일부를 저장하는 비상연료 저장탱크와 상기 비상연료 저장탱크로부터 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로 공급되는 연료의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하여 구현될 수 있다. 일례로, 상기 수소생성부(400)와 상기 연료전지(210)의 연료극(anode) 사이에는 상기 수소생성부(400)로부터 공급되는 연료를 상기 비상 연료 공급부(510)로 분기하는 분기부가 설치될 수 있다.The emergency fuel supply unit 510 includes an emergency fuel storage tank for storing a portion of the fuel supplied from the hydrogen generator 400 to the anode of the fuel cell 210, And a flow control valve for regulating a flow rate of fuel supplied to the anode of the fuel cell 210. A branching portion for branching the fuel supplied from the hydrogen generating portion 400 to the emergency fuel supply portion 510 may be installed between the hydrogen generating portion 400 and the anode of the fuel cell 210 .

상기 비상 공기 공급부(520)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기 중 일부를 저장하는 비상공기 저장탱크와 상기 비상공기 저장탱크로부터 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하여 구현될 수 있다. 일례로, 공기 공급부(130)와 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode) 사이에는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기를 상기 비상 공기 공급부(520)로 분기하는 분기부가 설치될 수 있다.The emergency air supply unit 520 includes an emergency air storage tank for storing a portion of the air supplied to the cathode of the fuel cell 210 and a cathode of the fuel cell 210 from the emergency air storage tank. And a flow rate control valve for controlling the flow rate of air supplied to the reaction chamber. A branching portion for branching the air supplied to the cathode of the fuel cell 210 to the emergency air supply portion 520 is provided between the air supply portion 130 and the cathode of the fuel cell 210, Can be installed.

상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 공급되는 연료와 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 또한 상기 연료전지(210)는 상기 비상 연료 공급부(510)로부터 공급되는 연료와 상기 비상 공기 공급부(520)로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. The fuel cell 210 may generate electricity using the fuel supplied from the hydrogen generator 400 and the air supplied from the air supplier 130. The fuel cell 210 may generate electricity using fuel supplied from the emergency fuel supply unit 510 and air supplied from the emergency air supply unit 520.

상기 연료전지(210)에서 생산되는 전기는 전기 저장부(150)에 저장될 수 있다. 상기 전기 저장부(150)는 배터리로 구현될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250)는 공기 공급 또는 연료 공급이 원활하지 않은 경우, 상기 비상 연료 공급부(510) 또는 상기 비상 공기 공급부(520)를 작동시킨다. 연료전지 시스템(200)의 제어부와 상기 비상 연료 공급부(510) 또는 상기 비상 공기 공급부(520)에 필요한 전기는 상기 전기 저장부(150)에 저장된 전기를 사용할 수 있다. The electricity generated by the fuel cell 210 may be stored in the electricity storage unit 150. The electricity storage unit 150 may be implemented as a battery. The control unit 250 of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention operates the emergency fuel supply unit 510 or the emergency air supply unit 520 when air supply or fuel supply is not smooth . The control unit of the fuel cell system 200 and the electricity required for the emergency fuel supply unit 510 or the emergency air supply unit 520 may use the electricity stored in the electricity storage unit 150.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250)는 전력부하에서의 전기 사용량을 모니터링 하고 그 결과를 기초로 상기 수소생성부(400)에서 수소를 포함하는 연료가 과도하게 생성되고 있는지를 판단한다. 판단결과, 긍정인 경우 연료전지 시스템(200)의 제어부(250)는 상기 수소생성부(400)에서 배출되는 연료 중 일부를 상기 비상 연료 공급부(510)의 비상연료 저장탱크로 분기하도록 분기부(도시하지 않음)를 제어하도록 구현될 수 있다. 또한, 연료전지 시스템(200)의 제어부(250)는 공기공급부(130)로부터 공급되는 공기 중 일부를 상기 비상 공기 공급부(520)의 비상공기 저장탱크로 분기하도록 분기부(도시하지 않음)를 제어할 수 있다.The control unit 250 of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention monitors the amount of electricity used in the power load and, based on the result of the monitoring, Is generated. The control unit 250 of the fuel cell system 200 controls the branching unit 250 to branch some of the fuel discharged from the hydrogen generator 400 to the emergency fuel storage tank of the emergency fuel supply unit 510 (Not shown). The control unit 250 of the fuel cell system 200 controls the branching unit (not shown) to branch some of the air supplied from the air supply unit 130 to the emergency air storage tank of the emergency air supply unit 520 can do.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 수소생성부(400)에서 수소를 포함하는 연료가 과도하게 많이 생성되는 경우 연료 중 일부를 상기 비상 연료 공급부(510)의 비상연료 저장탱크에 저장하고, 공기공급부(130)로부터 연료전지(210)의 공기극으로 공급되는 공기 중 일부를 상기 비상 공기 공급부(520)의 비상공기 저장탱크에 저장함으로써, 연료와 공기의 낭비를 줄일 수 있다. First, when excess hydrogen fuel is generated in the hydrogen generator 400, some of the fuel is stored in the emergency fuel storage tank of the emergency fuel supplier 510, and the air fuel is supplied from the air supplier 130 to the fuel cell 210 are stored in the emergency air storage tank of the emergency air supply unit 520, waste of fuel and air can be reduced.

둘째, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 비상 연료 공급부(510)로부터 연료전지(210)의 연료극(anode)으로 연료를 공급하고, 상기 비상 공기 공급부(520)로부터 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하도록 구현됨으로써, 수소생성부(400)가 고장이 나거나 원료 또는 공기가 상기 수소생성부(400)에 원활하게 공급되지 않는 비상 상황이 발생하더라도, 연료전지(210)에서 안정적으로 전기를 생산할 수 있다.The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention supplies fuel from the emergency fuel supply unit 510 to the anode of the fuel cell 210 and supplies the fuel from the emergency air supply unit 520 The air is supplied to the cathode of the fuel cell 210 so that even if an emergency occurs in which the hydrogen generator 400 fails or the raw material or air is not supplied smoothly to the hydrogen generator 400 , The fuel cell 210 can stably generate electricity.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다른 구성도이다. 여기서, 도 1 및 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.6 is another configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. 1 and 5, the same reference numerals are used.

도 6을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 비상 연료 공급부(510), 및 비상 공기 공급부(520)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 비상 연료 공급부(510), 및 상기 비상 공기 공급부(520) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다. 6, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a hydrogen generator 400, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520 May be implemented. The fuel cell system 200 according to the present invention can be applied to all operations including the fuel cell 210, the hydrogen generator 400, the emergency fuel supply unit 510, and the emergency air supply unit 520 And a control unit 250 for controlling the control unit 250.

도 6을 참고하면, 상기 비상 공기 공급부(520)의 비상공기 저장탱크는 공기 공급부(130)로부터 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기 중 일부를 저장할 수 있다. 또한 상기 비상 공기 공급부(520)의 비상공기 저장탱크는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)에서 배출되는 미반응 잔여물질(예컨대, 산소나 공기)을 공급받아 저장할 수 있다.6, the emergency air storage tank of the emergency air supply unit 520 may store a part of the air supplied from the air supply unit 130 to the cathode of the fuel cell 210. Also, the emergency air storage tank of the emergency air supply unit 520 may receive and store unreacted residual substances (for example, oxygen or air) discharged from the cathode of the fuel cell 210.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 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 7a, 도 7b는 도 6의 연료전지 시스템(200)에 따른 구성도이다. 7A and 7B are block diagrams according to the fuel cell system 200 of FIG.

먼저, 도 7a를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 고체산화물 연료전지(SOFC)(310), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 비상 연료 공급부(510), 비상 공기 공급부(520)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 1, 도 6과 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.7A, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 310, a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a reformer 430, a combustor 440, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520. 1 and 6, the same reference numerals are used.

상기 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 연료극(anode)(313)에서 전기화학적 반응에 참여하지 않은 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 미반응 잔여물질과 반응생성물인 스팀(H2O)을 배출하여 상기 연소기(440)로 공급한다. 또한, 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)는 공기극(cathode)(311)에서 미반응 산소를 포함하는 배기가스를 연소기(440)로 공급한다. The solid oxide fuel cell (SOFC) 310 includes an unreacted residual material such as carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) that are not involved in the electrochemical reaction at the anode 313, and steam And supplies it to the combustor 440. In addition, the SOFC 310 supplies exhaust gas containing unreacted oxygen to the combustor 440 at a cathode 311.

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료는 개질기(430)에 공급된다. 상기 개질기(430)는 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료와 스팀(H20)을 개질반응시켜 수소를 포함하는 연료를 생산한다. 상기 개질기(430)에서 공급되는 연료는 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 연료극(anode) 또는 상기 비상 연료 공급부(510)의 비상연료 저장탱크로 공급된다. 상기 비상 연료 공급부(510)는 상기 개질기(430)로부터 공급되는 연료를 저장하고, 비상 상황 시 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 연료극(anode)으로 연료를 공급한다.The raw material processing unit 410 preprocesses the raw material supplied from the raw material supply unit including the raw material storage tank. The raw material pretreated in the raw material treatment section 410 is supplied to the reformer 430. The reformer 430 reforms the raw material pretreated in the raw material treatment section 410 with steam (H 2 O) to produce fuel containing hydrogen. The fuel supplied from the reformer 430 is supplied to the anode of the solid oxide fuel cell (SOFC) 310 or the emergency fuel storage tank of the emergency fuel supply unit 510. The emergency fuel supply unit 510 stores the fuel supplied from the reformer 430 and supplies fuel to the anode of the SOFC 310 in an emergency.

도 7a을 참고하면, 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기 중 일부는 제2 공기라인(62)을 통해 연소기(440)로 공급된다. 상기 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250)는 상기 제1 공기라인(61) 및 상기 제2 공기라인(62)에 각각 장착된 유량조절밸브(61a, 62a)의 개폐량을 제어할 수 있다. Referring to FIG. 7A, a part of the air supplied from the air supply unit 130 is supplied to the combustor 440 through the second air line 62. The control unit 250 of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes flow control valves 61a and 62a mounted on the first air line 61 and the second air line 62, Can be controlled.

상기 고체산화물 연료전지(SOFC)(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 산소 중 일부는 제3 공기라인(63)을 통해 상기 비상 공기 공급부(520)의 비상공기 저장탱크로 공급되어 저장될 수 있다. 상기 비상 공기 공급부(520)는 제4 공기라인(64)을 통해 비상공기 저장탱크에 저장된 공기를 상기 연소기(440)로 공급할 수 있다.A part of oxygen discharged from the cathode 311 of the solid oxide fuel cell 310 is supplied to the emergency air storage tank of the emergency air supply unit 520 through the third air line 63 Lt; / RTI > The emergency air supply unit 520 may supply the air stored in the emergency air storage tank to the combustor 440 through the fourth air line 64.

이하, 도 7b를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 고체산화물 연료전지(SOFC)(310), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 비상 연료 공급부(510), 비상 공기 공급부(520)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 1, 도 7a와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.Referring to FIG. 7B, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 310, a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a reformer 430, a combustor 440, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520. Here, the same reference numerals are used for the same components as those in FIG. 1 and FIG. 7A.

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 상기 원료 처리부(410)는 예를 들어, LNG 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 LNG(액화천연가스)를 증발시키는 LNG 증발기를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 LNG 증발기는 상기 연소기(440)에서 배출되는 배기가스의 폐열에 의해 발열하는 기화기(411)를 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. The raw material processing unit 410 may be implemented, for example, by including an LNG evaporator that evaporates LNG (liquefied natural gas) supplied from a raw material supply unit including an LNG storage tank. The LNG evaporator may include a vaporizer 411 that generates heat by the waste heat of the exhaust gas discharged 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 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수와 상기 기화기(411)로부터 배출되는 연소기(440)의 배기가스의 폐열을 열교환시킨다. 상기 열교환기에서 냉각된 상기 연소기(440)의 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 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)로 공급된다.The heat exchanger exchanges heat between the raw water supplied from the raw water supply unit 120 including the raw water storage tank and the waste heat of the exhaust gas of the combustor 440 discharged from the vaporizer 411. The exhaust gas of the combustor 440 cooled by the heat exchanger flows into the condenser, and water (water droplets) generated by condensation is supplied to the raw water storage tank of the raw water supply part 120, . Meanwhile, steam (H2O) heated while passing through the heat exchanger is supplied to the reformer (430).

도 8은 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제2 실시예에 따른 구성도이다.FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 6 according to the second embodiment.

도 8를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320) 등의 저온형 연료전지(320), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 수성가스화반응기(WGS)(450), 비상 연료 공급부(510), 비상 공기 공급부(520)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 1, 도 7a와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.8, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a low temperature type fuel cell 320 such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320, a raw material treatment unit 410, A reforming unit 430, a combustor 440, a water gasification reactor (WGS) 450, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520. Here, the same reference numerals are used for the same components as those in FIG. 1 and FIG. 7A.

상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 연료극(anode)(321)의 촉매층에서 반응하지 않은 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)는 공기극(cathode)(324)에서 미반응 산소(O2)와 스팀(H2O)을 포함하는 배기가스를 배출한다. The polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) 320 discharges residual materials such as unreacted hydrogen (H2) in the catalyst layer of the anode 321. The PEMFC 320 discharges exhaust gas containing unreacted oxygen O 2 and steam H 2 O at the cathode 324. The PEMFC 320 may be a fuel cell,

상기 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 상기 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료는 개질기(430)에 공급된다. 상기 개질기(430)는 원료 처리부(410)에서 전처리된 원료와 스팀(H20)을 개질반응시켜 수소를 포함하는 연료를 생산한다. The raw material processing unit 410 preprocesses the raw material supplied from the raw material supply unit including the raw material storage tank. The raw material pretreated in the raw material treatment section 410 is supplied to the reformer 430. The reformer 430 reforms the raw material pretreated in the raw material treatment section 410 with steam (H 2 O) to produce fuel containing hydrogen.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질기(430)로부터 공급되는 연료에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 저감시킨다. 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 일산화탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거기를 포함할 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 reduces the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the fuel supplied from the reformer 430. 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 include a carbon monoxide remover that removes carbon monoxide (CO). 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) H2) to reduce the concentration thereof.

상기 수성가스화반응기(450)에서 배출되는 연료는 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)의 연료극(anode) 또는 상기 비상 연료 공급부(510)로 공급된다. 상기 비상 연료 공급부(510)의 비상연료 저장탱크는 상기 수성가스화반응기(450)에서 배출되는 연료를 저장하고, 상기 비상 연료 공급부(510)는 비상 상황 시 상기 비상연료 저장탱크에 저장된 연료를 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)(320)의 연료극(anode)으로 공급한다.The fuel discharged from the water gasification reactor 450 is supplied to the anode of the PEMFC 320 or the emergency fuel supply unit 510. The emergency fuel storage tank of the emergency fuel supply unit 510 stores fuel discharged from the water gasification reactor 450. The emergency fuel supply unit 510 supplies the fuel stored in the emergency fuel storage tank to the high- (PEMFC) 320 to the anode of the electrolytic fuel cell (PEMFC)

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 발전시스템이 설치된다. 상기 발전시스템은 연료전지 시스템(200)을 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 수소생성부(400), 비상 연료 공급부(510), 및 비상 공기 공급부(520)를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 수소생성부(400), 상기 비상 연료 공급부(510), 및 상기 비상 공기 공급부(520) 등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)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 on a ship 910. The power generation system includes a fuel cell system (200). The fuel cell system 200 includes a fuel cell 210, a hydrogen generator 400, an emergency fuel supply unit 510, and an emergency air supply unit 520. The fuel cell system 200 according to the present invention can be applied to all operations including the fuel cell 210, the hydrogen generator 400, the emergency fuel supply unit 510, and the emergency air supply unit 520 And a control unit 250 for controlling the control unit 250.

상기 비상 연료 공급부(510)는 상기 수소생성부(400)로부터 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로 공급되는 연료 중 일부를 저장하는 비상연료 저장탱크와 상기 비상연료 저장탱크로부터 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로 공급되는 연료의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하여 구현될 수 있다. 일례로, 상기 수소생성부(400)와 상기 연료전지(210)의 연료극(anode) 사이에는 상기 수소생성부(400)로부터 배출되는 연료를 상기 비상 연료 공급부(510)로 분기하는 분기부가 설치될 수 있다.The emergency fuel supply unit 510 includes an emergency fuel storage tank for storing a portion of the fuel supplied from the hydrogen generator 400 to the anode of the fuel cell 210, And a flow control valve for regulating a flow rate of fuel supplied to the anode of the fuel cell 210. For example, a branch is provided between the hydrogen generator 400 and the anode of the fuel cell 210 to branch the fuel discharged from the hydrogen generator 400 to the emergency fuel supply unit 510 .

상기 비상 공기 공급부(520)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기 중 일부를 저장하는 비상용 공기 저장탱크와 상기 비상용 공기 저장탱크로부터 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하여 구현될 수 있다. The emergency air supply unit 520 includes an emergency air storage tank for storing a portion of the air supplied to the cathode of the fuel cell 210 and a cathode of the fuel cell 210 from the emergency air storage tank. And a flow rate control valve for controlling the flow rate of air supplied to the reaction chamber.

상기 연료전지(210)는 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 fuel cell 210 may be an alkaline 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) And may be a fuel cell selected from batteries (DMFC).

상기 연료전지(210)는 상기 수소생성부(400)로부터 공급되는 연료와 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 또한 상기 연료전지(210)는 상기 비상 연료 공급부(510)로부터 공급되는 연료와 상기 비상 공기 공급부(520)로부터 공급되는 공기를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)에서 배출되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물은 연소기(440) 또는 비상 공기 공급부(520)로 공급될 수 있다.The fuel cell 210 may generate electricity using the fuel supplied from the hydrogen generator 400 and the air supplied from the air supplier 130. The fuel cell 210 may generate electricity using fuel supplied from the emergency fuel supply unit 510 and air supplied from the emergency air supply unit 520. The unreacted residual material or reaction product discharged from the cathode of the fuel cell 210 may be supplied to the combustor 440 or the emergency air supply unit 520.

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 hydrocarbon-based material, and it is an LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, And liquid raw materials having a relatively high molecular weight such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy fuel oil (HFO).

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 전력변환부(140)가 설치된다. 상기 전력변환부(140)는 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. 상기 전력변환부(140)는 전기 저장부(150)로 전기를 공급하도록 구현될 수도 있다.A DC-DC converter for boosting or reducing the output voltage from the fuel cell system 200 and a DC-AC inverter for converting a direct current (DC) to an alternating current (AC) A conversion unit 140 is provided. The power conversion unit 140 discharges the electric power supplied from the fuel cell system 200 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. The power conversion unit 140 may be configured to supply electricity to the electricity storage unit 150. [

상기 전기 저장부(150)는 배터리로 구현될 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부는 공기 공급 또는 연료 공급이 원활하지 않은 경우, 상기 비상 연료 공급부(510) 또는 상기 비상 공기 공급부(520)를 작동시킨다. 연료전지 시스템(200)의 제어부와 상기 비상 연료 공급부(510) 또는 상기 비상 공기 공급부(520)에 필요한 전기는 상기 전기 저장부(150)에 저장된 전기를 사용한다. The electricity storage unit 150 may be implemented as a battery. The control unit of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention operates the emergency fuel supply unit 510 or the emergency air supply unit 520 when air supply or fuel supply is not smooth. The control unit of the fuel cell system 200 and the electricity required for the emergency fuel supply unit 510 or the emergency air supply unit 520 use electricity stored in the electricity storage unit 150.

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
150: 전기 저장부
200: 연료전지 시스템
210: 연료전지
250: 제어부
400: 수소생성부
510: 비상 연료 공급부 520: 비상 공기 공급부
100: Power generation system
110: raw material supply part 120: raw material water supply part
130: air supply unit 140: power conversion unit
150: electric storage unit
200: Fuel cell system
210: Fuel cell
250:
400: hydrogen generation unit
510: Emergency fuel supply unit 520: Emergency air supply unit

Claims (6)

수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지;
상기 수소생성부로부터 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되는 연료 중 일부를 저장하는 비상연료 저장탱크와 상기 비상연료 저장탱크에 저장된 연료를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급하는 비상 연료 공급부; 및
비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 연료를 공급하도록 상기 비상 연료 공급부를 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.
A hydrogen generator for generating a fuel containing hydrogen;
An anode for supplying fuel containing hydrogen from the hydrogen generating unit and discharging the exhaust gas; a cathode for supplying air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction; and an anode, A fuel cell for generating electricity including an electrolyte acting as a transferring of ions generated in the fuel cell;
An emergency fuel storage tank for storing a portion of the fuel supplied from the hydrogen generator to the anode of the fuel cell, and an emergency fuel supply unit for supplying the fuel stored in the emergency fuel storage tank to the anode of the fuel cell. ; And
And a control unit for controlling the emergency fuel supply unit to supply fuel to an anode of the fuel cell when an emergency occurs.
제1항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은,
상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급되는 공기 중 일부를 저장하는 비상공기 저장탱크, 및 상기 비상공기 저장탱크에 저장된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급하는 비상 공기 공급부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 비상 상황 발생 시, 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하도록 상기 비상 공기 공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The fuel cell system according to claim 1,
An emergency air storage tank for storing a part of the air supplied to the cathode of the fuel cell and an emergency air supply unit for supplying the air stored in the emergency air storage tank to the cathode of the fuel cell, ,
Wherein the control unit controls the emergency air supply unit to supply air to the cathode of the fuel cell when an emergency occurs.
제2항에 있어서,
상기 비상 공기 공급부는, 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 배출되는 공기를 공급받아 상기 비상공기 저장탱크에 저장하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the emergency air supply unit receives air discharged from a cathode of the fuel cell and stores the air in the emergency air storage tank.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은,
상기 연료전지에서 생산되는 전기를 저장하는 전기 저장부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
3. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 2,
Further comprising an electricity storage unit for storing electricity produced in the fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되는 연료를 상기 비상 연료 공급부로 분기하는 분기부와,
상기 공기극에서 배출되는 미반응 공기를 수소생성부로 공급하는 분기부와,
상기 연료극에서 배출되는 미반응 연료를 수소생성부로 공급하는 분기부를 더 포함하며,
상기 제어부는,
전력부하에서의 전기 사용량을 모니터링 하고 그 결과를 기초로 상기 수소생성부에서 수소를 포함하는 연료가 과도하게 생성되고 있는지를 판단하며, 판단결과 긍정인 경우 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되는 연료를 상기 비상 연료 공급부로 분기하도록 상기 분기부를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method according to claim 1,
The fuel cell system includes:
A branching unit for branching the fuel supplied to the anode of the fuel cell to the emergency fuel supply unit;
A branched section for supplying unreacted air discharged from the air electrode to a hydrogen producing section,
And a branching unit for supplying the unreacted fuel discharged from the fuel electrode to the hydrogen generating unit,
Wherein,
It is determined whether or not the fuel containing hydrogen is excessively generated in the hydrogen generating unit based on the result of monitoring the electric power consumption in the electric power load. If the result is affirmative, the fuel is supplied to the anode of the fuel cell And controls the branching unit to branch the fuel to the emergency fuel supply unit.
선체에 발전시스템이 설치되는 선박으로서,
제1항 내지 제5항 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 승압 또는 감압하거나교류전류(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 5;
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 unit for boosting or reducing the direct current (DC) output from the fuel cell system or converting it into an alternating current (AC).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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