KR20170015823A - 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 can omit a separate device for cooling or heating a housing of an NaS battery, by using exhaust gas to control the internal temperature of the housing of the NaS battery, wherein the exhaust gas comprises unreacted residual materials or reaction products discharged from a cathode of the fuel cell, thereby being able to reduce installation cost and operation cost of the fuel cell system.

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, 사용되는 연료전지가 많아지게 되면, 그에 따라 장치 설치 비용이 상승하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 설비 구축비용과 운영비용이 상승하게 되는 문제가 있다.First, 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.

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, 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 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 개질기와 연소기를 포함하며 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부; 상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되며 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 배출하는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및 상기 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 승압 또는 감압하거나 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부로부터 교류전류(AC) 또는 직류전류(DC)를 공급받아 충전하며, 비상 상황 발생 시 전력부하로 전기를 공급하는 NaS 배터리를 포함한다. A fuel cell system according to the present invention includes a hydrogen generator including a reformer and a combustor and generating a fuel containing hydrogen; An anode for supplying a fuel containing hydrogen from the hydrogen generating unit and discharging the exhaust gas, an air supply unit for supplying air, which is an oxidant necessary for the fuel cell reaction, a fuel cell that generates electricity by including an electrolyte that serves as a cathode and a cathode that transfers ions generated from the anode and the cathode; And an alternating current (AC) or a direct current (DC) supplied from a power conversion unit that boosts or reduces the direct current (DC) output from the fuel cell or converts it into an alternating current (AC) And a NaS battery that supplies electricity to the power load.

본 발명에 따른 선박은 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되며 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 배출하는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및 상기 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 승압 또는 감압하거나 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부로부터 교류전류(AC) 또는 직류전류(DC)를 공급받아 충전하며, 비상 상황 발생 시 전력부하로 전기를 공급하는 NaS 배터리; 상기 수소생성부에 원료를 공급하는 원료 공급부; 상기 수소생성부에 원료수를 공급하는 원료수 공급부; 상기 수소생성부에, 및 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 상기 전력변환부를 포함할 수 있다. A ship according to the present invention comprises an anode for supplying a fuel containing hydrogen from a hydrogen producing unit and discharging exhaust gas, an exhaust gas supply unit for supplying air, which is an oxidizing agent necessary for a fuel cell reaction, A fuel cell that generates electricity by including an air cathode for discharging gas and an electrolyte for transferring ions generated from the anode and the cathode; And an alternating current (AC) or a direct current (DC) supplied from a power conversion unit that boosts or reduces the direct current (DC) output from the fuel cell or converts it into an alternating current (AC) A NaS battery that supplies electricity to a power load; 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 generator and to the fuel cell; And the power conversion unit converting the direct current (DC) output from the fuel cell 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 연료전지에서 생산되는 전기 중 일부를 NaS 배터리에 저장하여 비상상황 발생 시 사용할 수 있도록 구현됨으로써, 사용되는 연료량 대비 전기 생산량을 높일 수 있다.In the present invention, some of the electricity generated in the fuel cell is stored in the NaS battery so that it can be used in the event of an emergency, thereby increasing the amount of electricity produced relative to the amount of fuel used.

본 발명은 연료전지에서 생산되는 전기 중 일부를 NaS 배터리에 저장할 수 있도록 구현됨으로써, 전력부하에서 필요한 전기보다 연료전지에서 생산되는 전기가 많은 경우, 발생되는 잉여전력을 NaS 배터리에 저장하여 비상 시 사용할 수 있으므로 운영비용을 줄일 수 있다. In the present invention, a part of the electricity generated in the fuel cell is stored in the NaS battery. Therefore, when there is more electricity generated in the fuel cell than electricity required in the power load, the surplus power generated is stored in the NaS battery, This can reduce operating costs.

본 발명은 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 NaS 배터리의 하우징 내부 온도를 조절하는데 이용하도록 구현됨으로써, NaS 배터리의 하우징을 냉각 또는 가열하기 위한 별도의 장치를 생략할 수 있으므로 연료전지 시스템의 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention is embodied to use the exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the fuel cell to regulate the internal temperature of the housing of the NaS battery so as to cool or heat the housing of the NaS battery It is possible to omit a separate device, thereby contributing to a reduction in facility construction cost and operating cost of the fuel cell system.

본 발명은 연료전지의 연료극(anode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 수소생성부의 연소기의 연소연료로 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템에서 필요한 열을 공급하기 위한 연소용 연료에 대한 외부공급량 감소와 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다. The present invention is embodied to use exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the anode of a fuel cell as a combustion fuel of a combustor of a hydrogen producing section, Can contribute to the reduction of the external supply to the fuel and the environmental pollution due to the increase of the unreacted residual substances and the atmospheric emissions of the reaction products.

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 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.
7 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 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 연료전지(210), 전기 저장부(220), 혼합기(230), 및 수소생성부(400)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 연료전지(210)에서 생산되는 전기는 전력변환부(140)로 전송된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 전기 저장부(220), 혼합기(230), 및 수소생성부(400)를 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하여 구현될 수도 있다.5, a fuel cell system 200 according to a second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, an electricity storage unit 220, a mixer 230, and a hydrogen generation unit 400 Can be implemented. The electricity generated by the fuel cell 210 is transmitted to the power conversion unit 140. The fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 for controlling the operation of all the configurations including the fuel cell 210, the electricity storage unit 220, the mixer 230, and the hydrogen generation unit 400, 2). ≪ / RTI >

상기 연료전지(210)는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 고온형 연료전지 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The fuel cell 210 may be a fuel cell selected from a high temperature type fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and the like.

상기 전력변환부(140)는 상기 연료전지(210)로부터 공급된 전기를 전력부하로 공급한다. 상기 전력변환부(140)는 상기 연료전지(210)로부터 출력되는 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 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. The power converter 140 supplies the power supplied from the fuel cell 210 to the power load. The power conversion unit 140 includes a DC-DC converter for boosting or reducing an output voltage output from the fuel cell 210, a DC-AC inverter for converting a direct current (DC) to an alternating current (AC) Lt; / RTI > The power conversion unit 140 discharges electricity 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.

상기 전기 저장부(220)는 상기 연료전지(210)에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 상기 전력변환부(140)로부터 교류전류(AC)를 공급받아 충전한다. 상기 전기 저장부(220)는 예를 들어 나트륨유황 배터리(이하 NaS 배터리)로 구현될 수 있다. NaS 배터리는 대용량 전력저장용 배터리로서, 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기방전이 없으며 15년 이상의 긴 수명을 가지고 불규칙한 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성을 갖는다.The electric storage unit 220 receives and charges the alternating current AC from the power conversion unit 140 that converts the direct current (DC) output from the fuel cell 210 to the alternating current AC. The electricity storage unit 220 may be implemented with, for example, a sodium sulfur battery (hereinafter referred to as a NaS battery). The NaS battery is a large-capacity power storage battery. It has high energy density, high charge / discharge efficiency, no self-discharge, and has a long service life of more than 15 years.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고장이 나서 가동이 되지 않거나, 수소생성부(400)가 고장이 나서 상기 연료전지(210)에 연료를 원활하게 공급할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 비상 상황 시, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 NaS 배터리에 저장된 전기를 전력부하로 공급할 수 있다. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention may be configured such that the fuel cell 210 fails to operate or the hydrogen generator 400 fails to supply fuel to the fuel cell 210 It may happen that it can not be supplied smoothly. In this emergency situation, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention can supply electricity stored in the NaS battery to the power load.

상기 전기 저장부(220)의 하우징은 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 전기 저장부(220)의 하우징은 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받을 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250, 도 2에 도시됨)는 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부 온도 검출 신호에 따라 상기 공기 공급부(130)로부터 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부로 공급되는 공기와 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부로 공급되는 배기가스를 이용하여 상기 하우징의 내부 온도를 일정하게 조절할 수 있다.The housing of the electric storage unit 220 may receive air from the air supply unit 130. The housing of the electric storage unit 220 may receive an unreacted residual material or an exhaust gas containing a reaction product from the cathode of the fuel cell 210. 2) of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is connected to the air supply unit 130 in accordance with the temperature detection signal of the inside of the housing of the electric storage unit 220, The internal temperature of the housing is measured using the air supplied to the inside of the housing of the electric storage unit 220 and the exhaust gas supplied from the cathode of the fuel cell 210 into the housing of the electric storage unit 220, Can be adjusted constantly.

상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 상기 전기 저장부(220)의 하우징으로부터 유체를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스와 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스, 상기 전기 저장부(220)의 하우징으로부터 공급되는 유체와 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 수소생성부(400)의 연소기로 공급한다. The mixer 230 may receive an unreacted residual material or an exhaust gas containing a reaction product from the cathode of the fuel cell 210. The mixer 230 may receive fluid from the housing of the electric storage unit 220. The mixer 230 may receive air from the air supply unit 130. The mixer 230 mixes the exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the fuel cell 210 and the unreacted residual gas discharged from the anode of the fuel cell 210 An exhaust gas containing a substance or a reaction product, a fluid supplied from the housing of the electric storage unit 220, and air supplied from the air supply unit 130 are mixed and supplied to the combustor of the hydrogen generation unit 400.

본 발명의 제2실시예에 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, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210)에서 생산되는 전기 중 일부를 전기 저장부(220)에 저장할 수 있도록 구현됨으로써, 전력부하에서 필요한 전기보다 상기 연료전지(210)에서 생산되는 전기가 많은 경우, 발생되는 잉여전력을 상기 전기 저장부(220)에 저장하여 비상 시 사용할 수 있으므로 운영비용을 줄일 수 있다. First, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured to store a part of the electricity generated by the fuel cell 210 in the electricity storage unit 220, When the electricity generated by the fuel cell 210 is large, the surplus power generated can be stored in the electricity storage unit 220 and used in an emergency, thereby reducing the operating cost.

둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 전기 저장부(220)의 하우징 내부 온도를 조절하는데 이용하도록 구현됨으로써, 상기 전기 저장부(220)의 하우징을 냉각 또는 가열하기 위한 별도의 장치를 생략할 수 있으므로 연료전지 시스템의 설비 구축비용 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.Second, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes an unillustrated residual material supplied from the cathode of the fuel cell 210, or an exhaust gas containing a reaction product, It is possible to omit a separate device for cooling or heating the housing of the electric storage part 220. This can contribute to the reduction of facility construction cost and operating cost of the fuel cell system have.

셋째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 상기 수소생성부의 연소기의 연소연료로 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지 시스템에서 필요한 열을 공급하기 위한 연소용 연료에 대한 외부공급량 감소와 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.Thirdly, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured such that the exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the anode of the fuel cell 210 is supplied to the combustor The present invention can contribute to reducing the external supply amount to the fuel for combustion for supplying the heat required in the fuel cell system and to reduce environmental pollution due to an increase in the air emission of the fuel cell unreacted residual material and the reaction product .

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 시스템은 NaS 배터리(220), 혼합기(230), 연료전지(310), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 및 제1 열교환기(450)를 포함하여 구현된다. 도 3a 및 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다. 6, the fuel cell system according to the present invention includes a NaS battery 220, a mixer 230, a fuel cell 310, a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a reformer 430, (440), and a first heat exchanger (450). The same reference numerals as those in Figs. 3A and 5 denote the same components.

도 6에서, 상기 NaS 배터리(220)는 하우징(221)과 온도센서(222)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)은 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)은 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받을 수 있다. In FIG. 6, the NaS battery 220 may include a housing 221 and a temperature sensor 222. The housing 221 of the NaS battery 220 may receive air from the air supply unit 130. The housing 221 of the NaS battery 220 may receive an unreacted residual material or an exhaust gas containing a reaction product from the cathode of the fuel cell 310.

도 6에서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 공기 공급부(130)와 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부를 연결하는 공기라인에 제1 개폐밸브(A)가 설치되고, 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)과 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부를 연결하는 배기가스라인에 제2 개폐밸브(B)가 설치되고, 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부와 상기 혼합기(230)를 연결하는 유체라인에 제3 개폐밸브(C)가 설치된다. 6, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a first opening / closing valve A (not shown) connected to an air line connecting the air supply unit 130 and the inside of the housing 221 of the NaS battery 220, A second opening and closing valve B is installed in an exhaust gas line connecting the cathode 311 of the fuel cell 310 and the inside of the housing 221 of the NaS battery 220, A third open / close valve C is installed in a fluid line connecting the inside of the housing 221 of the NaS battery 220 and the mixer 230.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250, 도 2에 도시됨)는 상기 온도센서(222)에서 검출된 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부 온도를 기초로, 상기 제1 개폐밸브(A)와 상기 제2 개폐밸브(B)와 상기 제3 개폐밸브(C)를 제어하여 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)의 내부 온도를 일정하게 조절할 수 있다. The controller 250 of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention controls the internal temperature of the housing 221 of the NaS battery 220 detected by the temperature sensor 222 The internal temperature of the housing 221 of the NaS battery 220 is controlled by controlling the first opening / closing valve A, the second opening / closing valve B, and the third opening / closing valve C .

예를 들어, 상기 NaS 배터리(220)는 전기 충전 시에 흡열이므로, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부는 상기 제1 개폐밸브(A)를 닫고(close) 상기 제2 개폐밸브(B)와 상기 제3 개방밸브(C)를 개방(open)함으로써, 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스가 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부로 공급되도록 한다. 이후, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부는 상기 제3 개방밸브(C)를 열었다 닫았다 하면서 상기 NaS 배터리(220)의 하우징 내부의 온도를 조절한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부는 상기 NaS 배터리(220)의 하우징 내부의 온도가 적정온도로 유지되면 상기 제2 개폐밸브(B)와 상기 제3 개방밸브(C)를 닫는다(close).For example, since the NaS battery 220 absorbs heat during electric charging, the controller of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention closes the first opening / closing valve A, The exhaust gas containing the unreacted residual material or the reaction product from the cathode 311 of the fuel cell 310 is opened by opening the second opening / closing valve B and the third opening valve C, To the inside of the housing 221 of the NaS battery 220. Then, the control unit of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention adjusts the temperature inside the housing of the NaS battery 220 while opening and closing the third opening valve C. [ The controller of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention controls the temperature of the inside of the housing of the NaS battery 220 to be lower than the temperature of the second open / close valve B and the third open valve C) close.

다른 예로, 상기 NaS 배터리(220)는 방전 시에 발열이므로, 상기 제2 개폐밸브(B)를 닫고(close) 상기 제1 개폐밸브(A)와 상기 제3 개폐밸브(C)를 개방(open)함으로써, 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기가 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부로 유입되도록 하여 하우징 내부의 온도를 낮추고, 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221) 내부에 존재하는 유체는 제3 개폐밸브(C)와 연결된 유체라인을 통해 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)으로부터 상기 혼합기(230)로 공급된다.As another example, since the NaS battery 220 generates heat at the time of discharging, when the second on-off valve B is closed and the first on-off valve A and the third on- The air supplied from the air supply unit 130 flows into the housing 221 of the NaS battery 220 to lower the temperature of the inside of the housing and the inside of the housing 221 of the NaS battery 220 Existing fluid is supplied from the housing 221 of the NaS battery 220 to the mixer 230 through a fluid line connected to the third opening / closing valve C. [

상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로부터 배기가스를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)으로부터 유체를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스와 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)으로부터 공급되는 배기가스와 상기 NaS 배터리(220)의 하우징(221)으로부터 공급되는 유체와 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 연소기(440)로 공급할 수 있다. The mixer 230 may receive an unreacted residual material or an exhaust gas containing a reaction product from the cathode of the fuel cell 210. The mixer 230 can receive the exhaust gas from the anode of the fuel cell 210. The mixer 230 may receive fluid from the housing 221 of the NaS battery 220. The mixer 230 may receive air from the air supply unit 130. The mixer 230 mixes the exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the fuel cell 210 and the exhaust gas supplied from the anode of the fuel cell 210 The fluid supplied from the housing 221 of the NaS battery 220 and the air supplied from the air supply unit 130 may be mixed and supplied to the combustor 440.

원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부로부터 공급되는 원료를 전처리하고, 전치리한 원료를 상기 개질기(430)와 연소기(440)로 공급한다. 상기 원료 처리부(410)는 LNG 저장탱크에서 공급되는 액화천연가스를 증발시키는 LNG 증발기를 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 and supplies the raw raw material to the reformer 430 and the combustor 440. The raw material processing unit 410 may include an LNG evaporator that evaporates the liquefied natural gas supplied from the LNG storage tank. 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 제1 열교환기(450)는 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기와 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열을 열교환시킨다. 상기 제1 열교환기(450)에서 상기 연소기(440)로부터 공급되는 배기가스의 폐열에 의해 가열된 공기는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로 산화제로서 공급된다. 연소기(440)로부터 공급되어 상기 제1 열교환기(450)를 통과한 배기가스는 상기 원료수 처리부(420)의 제2 열교환기로 유입된다. The first heat exchanger 450 exchanges heat between the air supplied from the air supply unit 130 and the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440. The air heated by the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440 in the first heat exchanger 450 is supplied to the cathode of the fuel cell 210 as an oxidant. The exhaust gas supplied from the combustor 440 and passed through the first heat exchanger 450 flows into the second heat exchanger of the raw water treatment unit 420.

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 개질기(430)로 공급한다. 도 6에서, 상기 원료수 처리부(420)는 제2 열교환기와 응축기를 포함하여 구현된다.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 generates steam (H 2 O) by heating the raw water and supplies the steam (H 2 O) to the reformer 430. In FIG. 6, the raw water treatment section 420 is implemented including a second heat exchanger and a condenser.

상기 원료수 처리부(420)의 제2 열교환기는 상기 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수와 상기 연소기(440)로부터 공급되어 상기 제1 열교환기(450)를 통과한 배기가스의 폐열을 열교환시킨다. 상기 원료수 처리부(420)의 제2 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 원료수 처리부(420)의 제2 열교환기를 통과하면서 가열된 물(H2O)은 상기 개질기(430)로 공급된다.The second heat exchanger of the raw water water treatment unit 420 exchanges heat between the raw water supplied from the raw water supply unit 120 and the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor 440 and passed through the first heat exchanger 450 . The exhaust gas cooled in the second heat exchanger of the raw water water treatment section 420 flows into the condenser and water (water droplets) generated by condensation is supplied to the raw water storage tank of the raw water supply section 120, Is discharged to the outside. On the other hand, the water (H 2 O) heated while passing through the second heat exchanger of the raw water treatment unit 420 is supplied to the reformer 430.

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 7은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.7 is a schematic view showing an example of a ship according to the present invention.

도 1 내지 도 7을 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 연료전지(210), 전기 저장부(220), 혼합기(230), 및 수소생성부(400)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 연료전지(210)에서 생산되는 전기는 전력변환부(140)로 전송된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 전기 저장부(220), 혼합기(230), 및 수소생성부(400)를 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250, 도 2에 도시됨)를 포함하여 구현될 수도 있다.Referring to FIGS. 1 to 7, 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 may include a fuel cell 210, an electricity storage 220, a mixer 230, and a hydrogen generator 400. The electricity generated by the fuel cell 210 is transmitted to the power conversion unit 140. The fuel cell system 200 according to the present invention includes a control unit 250 for controlling the operation of all the configurations including the fuel cell 210, the electricity storage unit 220, the mixer 230, and the hydrogen generation unit 400, 2). ≪ / RTI >

상기 연료전지(210)는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 고온형 연료전지 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The fuel cell 210 may be a fuel cell selected from a high temperature type fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and the like.

상기 전력변환부(140)는 상기 연료전지(210)로부터 공급된 전기를 전력부하로 공급한다. 상기 전력변환부(140)는 상기 연료전지(210)로부터 출력되는 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 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. The power converter 140 supplies the power supplied from the fuel cell 210 to the power load. The power conversion unit 140 includes a DC-DC converter for boosting or reducing an output voltage output from the fuel cell 210, a DC-AC inverter for converting a direct current (DC) to an alternating current (AC) Lt; / RTI > The power conversion unit 140 discharges electricity 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.

상기 전기 저장부(220)는 상기 연료전지(210)에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 상기 전력변환부(140)로부터 교류전류(AC) 또는 직류전류(DC)를 공급받아 충전한다. 상기 전기 저장부(220)는 예를 들어 나트륨유황 배터리(이하 NaS 배터리)로 구현될 수 있다. NaS 배터리는 대용량 전력저장용 배터리로서, 에너지 밀도 및 충방전 효율이 높고 자기방전이 없으며 15년 이상의 긴 수명을 가지고 불규칙한 충방전에도 성능의 저하가 없는 특성을 갖는다.The electric storage unit 220 receives an alternating current (AC) or a direct current (DC) from the power conversion unit 140, which converts the direct current (DC) output from the fuel cell 210 into an alternating current (AC) To be charged. The electricity storage unit 220 may be implemented with, for example, a sodium sulfur battery (hereinafter referred to as a NaS battery). The NaS battery is a large-capacity power storage battery. It has high energy density, high charge / discharge efficiency, no self-discharge, and has a long service life of more than 15 years.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고장이 나서 가동이 되지 않거나, 수소생성부(400)가 고장이 나서 상기 연료전지(210)에 연료를 원활하게 공급할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 비상 상황 시, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 NaS 배터리에 저장된 전기를 전력부하로 공급할 수 있다. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention may be configured such that the fuel cell 210 fails to operate or the hydrogen generator 400 fails to supply fuel to the fuel cell 210 It may happen that it can not be supplied smoothly. In this emergency situation, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention can supply electricity stored in the NaS battery to the power load.

상기 전기 저장부(220)의 하우징은 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 상기 전기 저장부(220)의 하우징은 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 공급받을 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 제어부(250, 도 2에 도시됨)는 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부 온도 검출 신호에 따라 상기 공기 공급부(130)로부터 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부로 공급되는 공기와 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 상기 전기 저장부(220)의 하우징 내부로 공급되는 배기가스를 이용하여 상기 하우징의 내부 온도를 일정하게 조절할 수 있다.The housing of the electric storage unit 220 may receive air from the air supply unit 130. The housing of the electric storage unit 220 may receive an unreacted residual material or an exhaust gas containing a reaction product from the cathode of the fuel cell 210. 2) of the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is connected to the air supply unit 130 in accordance with the temperature detection signal of the inside of the housing of the electric storage unit 220, The internal temperature of the housing is measured using the air supplied to the inside of the housing of the electric storage unit 220 and the exhaust gas supplied from the cathode of the fuel cell 210 into the housing of the electric storage unit 220, Can be adjusted constantly.

상기 혼합기(230)는 상기 연료전지(210)의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스와 상기 전기 저장부(220)의 하우징으로부터 배출되는 유체와 상기 공기 공급부(130)로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 수소생성부(400)의 연소기로 공급한다. The mixer 230 mixes the exhaust gas containing unreacted residual material or reaction product supplied from the cathode of the fuel cell 210 and the fluid discharged from the housing of the electric storage unit 220, (130), and supplies the mixed air to the combustor of the hydrogen generator (400).

도 1 내지 도 7을 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 원료 저장탱크에 저장된 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 7, 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 driving force for moving the hull 910 and a raw material supply unit for supplying raw materials stored in the raw material storage tank 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 purified off gas, pure water, and marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy oil (HFO) And so on.

상기 선체(910)에는 원료수를 저장하는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 원료수 공급부(120)가 설치될 수 있다. 상기 원료수는 예를 들어, 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. The hull 910 may be provided with a raw water storage tank for storing the 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 설치될 수 있다. 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 may be 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. 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 is installed. 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
210: 연료전지 220: 전기 저장부
221: 하우징 222: 온도센서
230: 혼합기
400: 수소생성부
410: 원료 처리부 420: 원료수 처리부
430: 개질기 440: 연소기
450: 제1 열교환기100: 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
210: fuel cell 220: electric storage unit
221: housing 222: temperature sensor
230: Mixer
400: hydrogen generation unit
410: raw material treatment part 420: raw material water treatment part
430: reformer 440: combustor
450: first heat exchanger

Claims (6)

개질기와 연소기를 포함하며 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 공급되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 공급되며 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스를 배출하는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 연료전지에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부로부터 교류전류(AC)를 공급받아 충전하며, 비상 상황 발생 시 전력부하로 전기를 공급하는 NaS 배터리를 포함하는 연료전지 시스템.A hydrogen generator including a reformer and a combustor and generating a fuel containing hydrogen;
An anode for supplying a fuel containing hydrogen from the hydrogen generating unit and discharging the exhaust gas, an air supply unit for supplying air, which is an oxidant necessary for the fuel cell reaction, a fuel cell that generates electricity by including an electrolyte that serves as a cathode and a cathode that transfers ions generated from the anode and the cathode; And
A NaS battery for supplying and receiving an AC current (AC) from a power conversion unit for converting a DC current (DC) output from the fuel cell into an AC current (AC) Fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 NaS 배터리의 하우징 내부와 공기 공급부를 연결하는 공기라인에 설치되는 제1 개폐밸브;
상기 NaS 배터리의 하우징 내부와 상기 연료전지의 공기극(cathode)을 연결하는 배기가스라인에 설치되는 제2 개폐밸브;
상기 NaS 배터리의 하우징 내부에 존재하는 유체를 외부로 배출하는 유체라인에 설치되는 제3 개폐밸브;
상기 NaS 배터리의 하우징 내부의 온도를 검출하는 온도센서; 및
상기 NaS 배터리의 하우징 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 온도센서에서 검출된 상기 NaS 배터리의 하우징 내부의 온도를 기초로, 상기 제1 개폐밸브, 상기 제2 개폐밸브, 및 상기 제3 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell system includes:
A first opening / closing valve installed in an air line connecting the inside of the housing of the NaS battery and the air supply unit;
A second on-off valve installed in an exhaust gas line connecting the inside of the housing of the NaS battery and the cathode of the fuel cell;
A third opening / closing valve installed in a fluid line for discharging a fluid present inside the housing of the NaS battery to the outside;
A temperature sensor for detecting a temperature inside the housing of the NaS battery; And
Closing valve, the third on-off valve, and the third on-off valve on the basis of the temperature inside the housing of the NaS battery detected by the temperature sensor to maintain a constant temperature inside the housing of the NaS battery. And a control unit for controlling operation of the fuel cell. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스, 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로부터 공급되는 미반응 잔여물질 또는 반응생성물을 포함하는 배기가스, 상기 NaS 배터리의 하우징으로부터 공급되는 유체, 및 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 혼합하여 상기 수소생성부의 연소기로 공급하는 혼합기를 포함하는 연료전지 시스템.3. The method according to claim 1 or 2,
The fuel cell system includes:
An exhaust gas containing an unreacted residual material or a reaction product discharged from the anode of the fuel cell, an unreacted residual material supplied from the cathode of the fuel cell or an exhaust gas containing a reaction product, the NaS And a mixer for mixing the fluid supplied from the housing of the battery and the air supplied from the air supply unit and supplying the mixture to the combustor of the hydrogen generation unit. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 수소생성부의 연소기로부터 배출되는 배기가스의 폐열과 상기 공기 공급부로부터 공급되는 공기를 열교환시키는 제1 열교환기를 더 포함하고,
상기 제1 열교환기에서 상기 연소기로부터 배출된 배기가스의 폐열에 의해 가열된 공기는 상기 연료전지의 공기극(cathode)에 산화제로서 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
The fuel cell system includes:
Further comprising a first heat exchanger for exchanging heat between waste heat of the exhaust gas discharged from the combustor of the hydrogen generator and air supplied from the air supplier,
Wherein the air heated by the waste heat of the exhaust gas discharged from the combustor in the first heat exchanger is supplied as an oxidant to the cathode of the fuel cell. 제4항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은,
상기 연소기로부터 공급되어 상기 제1 열교환기를 통과한 배기가스의 폐열과 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 열교환시키는 제2 열교환기; 및
상기 제2 열교환기에서 냉각된 배기가스를 응축하고, 응축하여 발생한 수분을 상기 원료수 공급부의 원료수 저정탱크로 공급하는 응축기를 포함하며,
상기 제2 열교환기를 통과하면서 가열된 물(H2O)은 상기 수소생성부의 개질기로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.5. The method of claim 4,
The fuel cell system includes:
A second heat exchanger for exchanging heat between the waste heat of the exhaust gas supplied from the combustor and the exhaust gas passing through the first heat exchanger and the raw water supplied from the raw water supply unit including the raw water storage tank; And
And a condenser for condensing the exhaust gas cooled by the second heat exchanger and for condensing moisture generated by the condensation to supply the raw water water storage tank of the raw water supply portion,
And water (H 2 O) heated while passing through the second heat exchanger is supplied to the reformer of the hydrogen generating 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 감압 또는 승압하거나교류전류(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 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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CN114348222A (en) * 2022-02-25 2022-04-15 擎波探索(上海)能源科技有限公司 Ship power system combining fuel cell and lithium battery pack

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