KR20170080941A - Ship - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤엔진 배기시스템, 상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템, 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 감압 또는 승압하거나 교류전류(AC)으로 변환하는 전력변환부를 포함하되, 상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로 공급되는 연료와 스팀(H2O)을 혼합하는 혼합기를 포함하는 선박에 관한 것이다. The present invention includes a diesel engine exhaust system, a fuel cell system interlocked with the diesel engine exhaust system, and a power conversion unit that reduces or increases the direct current (DC) output from the fuel cell system or converts the alternating current Wherein the diesel engine exhaust system comprises a mixer for mixing fuel and steam (H 2 O) supplied to a diesel engine.

Description

선박{SHIP}Ship {SHIP}

본 발명은 환경 친화적인 선박에 관한 것이다.The present invention relates to an environmentally friendly vessel.

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.

한편, 열차, 선박, 산업용 차량 등에서는 디젤엔진을 사용하여 필요한 전력을 발전하는 발전 시스템이 보편적으로 사용되고 있다. 그런데, 디젤엔진을 이용한 발전 시스템은 열효율이 40∼50%로 낮을 뿐만 아니라, 전력을 생산할 때에 이산화탄소(CO2), 황화합물(SOX), 질소산화물(NOX) 등의 환경오염물질이 발생하는 문제점이 있다. 최근 들어, 업계에서는 디젤엔진을 이용한 발전 시스템과 환경 친화적인 발전시스템인 연료전지 시스템을 복합적으로 사용하여 필요한 전력을 발전함과 동시에 전 세계적인 환경오염 규제에 대응할 수 있는 새로운 방안을 연구하고 있다. On the other hand, in a train, a ship, and an industrial vehicle, a power generation system that uses a diesel engine to generate necessary electric power is commonly used. However, the power generation system using a diesel engine is not only low in thermal efficiency of 40 to 50%, but also generates environmental pollutants such as carbon dioxide (CO 2 ), sulfur compound (SO x ), and nitrogen oxide (NO x ) There is a problem. In recent years, the industry has been studying new ways to respond to global environmental pollution regulations while developing necessary power by using diesel engine-based power generation system and environmentally friendly power generation system, fuel cell system.

그런데, 하나의 구조물에 디젤엔진을 사용하는 발전 시스템과 연료전지 시스템을 적용하는 경우, 다음과 같은 문제점이 발생한다. However, when a power generation system using a diesel engine and a fuel cell system are applied to a single structure, the following problems arise.

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

둘째, 연료전지 시스템에서 발생하는 잔여물질과 반응생성물의 증가와 더불어 디젤엔진을 사용하는 발전 시스템에서 질소산화물(NOX) 등과 같은 환경오염물질이 발생하여 환경오염을 더욱 심화시키는 문제가 있다. Second, there is a problem that environment pollution such as nitrogen oxides (NO x ) is generated in a power generation system using a diesel engine as well as an increase in residual materials and reaction products generated in a fuel cell system, thereby further intensifying environmental pollution.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 미반응 잔여물질과 반응생성물을 줄일 수 있는 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 ship capable of reducing unreacted residual materials and reaction products.

본 발명은 디젤엔진에서 발생하는 질소산화물(NOX) 등과 같은 환경오염물질 발생을 줄일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a ship capable of reducing the generation of environmental pollutants such as nitrogen oxides (NO x ) generated in a diesel engine.

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 선박은 디젤엔진 배기시스템; 상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템; 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 감압 또는 승압하거나 교류전류(AC)으로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로 공급되는 연료와 스팀(H2O)을 혼합하는 혼합기를 포함하며, 상기 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기, 상기 개질기를 가열하는 연소기, 및 상기 개질기로부터 공급되는 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하고, 상기 연료전지는 상기 디젤엔진 배기시스템의 혼합기에 물이 포함된 배기가스를 공급할 수 있다.The ship according to the present invention comprises a diesel engine exhaust system; A fuel cell system interlocked with the diesel engine exhaust system; And the fuel and steam (H 2 O supplied to the fuel cell system, a direct current (DC) to reduced pressure, or step-up or includes a power conversion for converting the alternating current (AC), and wherein the diesel engine exhaust system is a diesel engine which is output from the The fuel cell system includes a reformer for generating a reformed gas containing hydrogen, a combustor for heating the reformer, and a fuel cell for generating electricity using the reformed gas supplied from the reformer And the fuel cell can supply exhaust gas containing water to the mixer of the diesel engine exhaust system.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 디젤엔진 배기시스템은 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생산한 후에 생산한 스팀(H2O)을 상기 혼합기로 공급하는 증발기를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하는 응축기를 포함하며, 상기 응축기는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하여 발생한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하는 응축기를 포함할 수 있다.In the ship according to the present invention, the diesel engine exhaust system includes steam (H 2 O) produced by producing steam (H 2 O) by evaporating water using waste heat of the exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source, Wherein the fuel cell system includes a condenser for condensing the reaction product and the unreacted residual material discharged from the anode or cathode of the fuel cell, And a condenser for condensing the unreacted residual material and the reaction product to supply the generated water to the evaporator of the diesel engine exhaust system.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 개질기는 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받을 수 있다.In the ship according to the present invention, the reformer may receive steam (H 2 O) from the evaporator of the diesel engine exhaust system.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 디젤엔진 배기시스템은 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 공기를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 가열기는 가열된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)에 공급할 수 있다. In the vessel according to the present invention, the diesel engine exhaust system includes a heater that heats the air using waste heat of the exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source, and the heater heats the heated air to the air electrode cathode.

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

본 발명은 상기 연료전지로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템으로 공급하고, 상기 디젤엔진 배기시스템은 상기 물을 포함하는 고온의 배기가스를 원료와 혼합하여 디젤엔진의 연소실에 분사하도록 구현됨으로써, 상기 원료와 혼합된 고온의 배기가스에 포함된 물의 증발잠열에 의해 디젤엔진 내 연소실에서의 최고 연소 온도를 낮춤으로써, 연소 중 질소산화물의 생성을 줄이는데 기여할 수 있다. The present invention provides a high-temperature exhaust gas containing water from the fuel cell to the diesel engine exhaust system, wherein the diesel engine exhaust system mixes the high-temperature exhaust gas containing the water with the raw material and supplies it to the combustion chamber of the diesel engine By reducing the maximum combustion temperature in the combustion chamber in the diesel engine by the latent heat of vaporization of the water contained in the hot exhaust gas mixed with the raw material, it can contribute to reducing the generation of nitrogen oxides during combustion.

본 발명은 상기 연료전지로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하여 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출되는 배기가스의 폐열로 가열하여 스팀을 생산하도록 구현됨으로써, 상기 개질기에서 필요한 스팀을 공급하기 위한 원료수에 대한 외부공급량 감소와 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention provides a diesel engine exhaust system that includes a diesel engine exhaust system that generates water by condensing high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell and supplies the produced water to an evaporator of the diesel engine exhaust system to generate waste heat of the exhaust gas discharged to the outside through the exhaust gas economizer Thereby contributing to the reduction of the external supply amount to the raw water for supplying the steam required in the reformer and the environmental pollution due to the increase of the amount of the unreacted residual substances and reaction products of the fuel cell.

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 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도
도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 실시예에 따른 구성도
도 8은 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도
도 9는 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도
도 10은 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
6 is a conceptual configuration diagram of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention
FIG. 7 is a configuration diagram according to an embodiment of the fuel cell system of FIG. 5
Fig. 8 is a schematic diagram of the fuel cell system of Fig. 6 according to the first embodiment; Fig.
Fig. 9 is a schematic view of a fuel cell system according to a second embodiment of the fuel cell system of Fig. 6
10 is a schematic view showing an example of a ship according to the present invention;

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

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

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

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

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

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

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

상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환한다. 상기 전력 변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 나오는 출력전압을 승압 또는 감압하기 위한 DC-DC 컨버터 및 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 DC-AC 인버터 등으로 구성될 수 있다. 상기 전력변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(140)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 전송하여 저장하도록 구현될 수도 있다.The power conversion unit 140 converts the direct current (DC) output from the fuel cell system 200 according to the present invention into an alternating current (AC). The power conversion unit 140 includes a DC-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) 시스템과 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 system using the combustion energy of 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. (12페이지에 동일 내용 있음)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. (Same on page 12)

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 ±20℃ 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. with respect to the optimum temperature range.

여기서, 상기 개질기(Reformer)(430)에서 개질반응을 통해 발생하는 개질가스에는 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 reforming gas generated 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), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진을 포함하는 디젤엔진 배기시스템(800)과 연동하도록 구현된다. 5, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a reformer 430, and a combustor 440 ). ≪ / RTI > The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is implemented to operate in conjunction with a diesel engine exhaust system 800 including a diesel engine.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)과 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받도록 구현된다. 상기 원료 저장탱크에 저장되는 원료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG) 등과 같은 액상 원료이다. The fuel cell system 200 and the diesel engine exhaust system 800 according to the second embodiment of the present invention are configured to receive raw materials from a raw material supply unit 110 including a raw material storage tank. The raw materials to be stored in the raw material storage tank may include at least one of MGO, MDO, HFO, methanol, DME, LPG, LNG, And the like.

상기 연료전지(210)는 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산한다. 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 includes an anode for introducing fuel containing hydrogen and discharging exhaust gas, a cathode for introducing air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction, and a cathode, and an electrolyte that serves as a transferring of ions generated in the cathode. 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 원료 처리부(410)는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료를 전처리한다. 예를 들어, 상기 개질기(430)에 황화합물이 포함된 원료가 공급되면 상기 황화합물에 의해 개질촉매 및 연료전지 촉매가 피독되어 상기 개질기(430) 및 상기 연료전지(210)의 기능을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 상기 원료 처리부(410)는 예컨대 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO)에 열을 가하는 가열장치와 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 황화합물을 제거하는 탈황기를 포함하여 구현될 수 있다. The raw material processing unit 410 preprocesses the raw material supplied from the raw material supply unit 110 including the raw material storage tank. For example, when a raw material containing a sulfur compound is supplied to the reformer 430, the reforming catalyst and the fuel cell catalyst are poisoned by the sulfur compound to lower the functions of the reformer 430 and the fuel cell 210, . The raw material processing unit 410 is a device that generates a methane (CH 4 ) by catalyzing a heated raw material such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy oil (HFO) Methane gasifier. The raw material treatment unit 410 may include a filter for removing impurities contained in the raw material, and a desulfurizer for removing sulfur compounds.

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

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 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 발생시킨다. 상기 개질기(Reformer)(430)에서 발생되는 연료에는 수소(H2) 외에도 일산화탄소(CO)가 포함될 수 있다. 상기 개질기(Reformer)(430)에서 발생되는 수소(H2)를 포함하는 연료는 550∼650℃의 고온의 개질가스이다. The reformer 430 reforms the pre-treated raw material supplied from the raw material processing unit 410 and the steam (H 2 O) supplied from the raw water treatment unit 420 to supply the reformed gas, that is, hydrogen generate a fuel containing H 2). The fuel generated in the reformer 430 may include carbon monoxide (CO) in addition to hydrogen (H 2 ). The fuel containing hydrogen (H 2 ) generated in the reformer 430 is a reformed gas at a high temperature of 550 to 650 ° C.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC)인 경우 공기극(cathode)으로부터 산소와 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 포함하는 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템(800)으로 공급한다. 다른 예로, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고체산화물 연료전지(SOFC)인 경우 연료극(anode)으로부터 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 포함하는 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템(800)으로 공급한다. In the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention, when the fuel cell 210 is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), oxygen and water (H 2 O in liquid or gaseous state) To the diesel engine exhaust system (800). In another embodiment, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured such that when the fuel cell 210 is a solid oxide fuel cell (SOFC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and electrochemical unreacted material and unreacted feed of hydrogen (H 2) with the remaining material and the reaction product of water diesel engine exhaust system 800. the exhaust gases containing a (liquid or H 2 O as a gas phase), such as do.

상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 상기 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료와 혼합하여 디젤엔진의 연소실에 분사한다. The diesel engine exhaust system 800 mixes the high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 with the raw material supplied from the raw material supply unit 110 including the raw material storage tank and injects it into the combustion chamber of the diesel engine do.

본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하도록 구현될 수 있다. The fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention condenses high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 to produce water and supplies the produced water to the evaporator of the diesel engine exhaust system Lt; / RTI >

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 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템(800)으로 공급하고, 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 상기 물을 포함하는 고온의 배기가스를 원료와 혼합하여 디젤엔진의 연소실에 분사하도록 구현됨으로써, 상기 원료와 혼합된 고온의 배기가스에 포함된 물의 증발잠열에 의해 디젤엔진 내 연소실에서의 최고 연소 온도를 낮춤으로써, 연소 중 질소산화물의 생성을 줄이는데 기여할 수 있다. First, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention supplies high-temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 to the diesel engine exhaust system 800, The system 800 is configured to mix the high temperature exhaust gas containing the water with the raw material and inject the mixed gas into the combustion chamber of the diesel engine. By the latent heat of evaporation of water contained in the high temperature exhaust gas mixed with the raw material, By reducing the maximum combustion temperature in the combustion chamber, it can contribute to reducing the production of nitrogen oxides during combustion.

둘째, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하여 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출되는 배기가스의 폐열로 가열하여 스팀을 생산하도록 구현됨으로써, 상기 개질기에서 필요한 스팀을 공급하기 위한 원료수에 대한 외부공급량을 감소시키고, 스팀을 생성하기 위한 가열장치를 생략하고 필요한 연료 또는 전기를 줄일 수 있으며, 연료전지 미반응 잔여물질과 반응생성물의 대기 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.Second, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention condenses high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 to produce water, and supplies the produced water to the diesel engine exhaust system The steam is supplied to the evaporator of the reformer and is heated by waste heat of the exhaust gas discharged to the outside through the exhaust gas economizer to produce steam. Thus, the amount of external supply to the raw water for supplying steam required by the reformer is reduced, It is possible to omit the heating device to reduce the required fuel or electricity and to contribute to reduce environmental pollution due to an increase in the air emission of the unreacted residual material of the fuel cell and the reaction product.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념적인 구성도이다. 여기서, 도 1 내지 도 5와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.6 is a conceptual configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. 1 to 5, the same reference numerals are used.

도 6을 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 원료 처리부(410), 원료수 처리부(420), 개질기(430), 연소기(440), 및 수성가스화반응기(WGS)(450)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 디젤엔진을 포함하는 디젤엔진 배기시스템(800)과 연동하도록 구현된다. 6, the fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention includes a fuel cell 210, a raw material treatment unit 410, a raw water treatment unit 420, a reformer 430, a combustor 440, , And a water gasification reactor (WGS) 450. The fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention is implemented to operate in conjunction with a diesel engine exhaust system 800 including a diesel engine.

도시하지 않았지만, 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에서 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질기(Reformer)(430)로부터 상기 디젤엔진 배기시스템(800)의 열교환기에 공급되어 상기 디젤엔진의 연료와 열교환을 통해 다소 냉각된 고온의 개질가스를 공급받는다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 10∼20 ppm 이하로 줄이기 위해 사용된다. Although not shown, in the fuel cell system 200 according to the third embodiment of the present invention, the water gasification reactor (WGS) 450 is connected to the reformer 430 through heat exchange of the diesel engine exhaust system 800 And is supplied with a high temperature reformed gas that is cooled to some extent through heat exchange with the fuel of the diesel engine. The water gasification reactor (WGS) 450 is used to reduce the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas to 10 to 20 ppm or less.

상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 일례로, 고온 수성가스화반응기(HTS)로 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 다른 예로, 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(450)는 고온 수성가스화반응기(HTS) 또는 저온 수성가스화반응기(LTS) 후단에 일산화탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거기가 더 설치될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 일산화탄소 제거기는 공기 공급부(130)로부터 공기를 공급받아 저온 수성가스화반응기(LTS)로부터 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. The water gasification reactor (WGS) 450 may be embodied as a high temperature aqueous gasification reactor (HTS), for example. The water gasification reactor (WGS) 450 may, for example, be implemented with a hot water gasification reactor (HTS) and a low temperature aqueous gasification reactor (LTS). The water gasification reactor (WGS) 450 may further include a carbon monoxide remover for removing carbon monoxide (CO) at the downstream of the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) or the low temperature aqueous gasification reactor (LTS). Although not shown, the carbon monoxide remover may be a selective oxidation unit (PROX) that receives air from the air supply unit 130 and burns only carbon monoxide (CO) in the gas supplied from the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) And a methanation reactor in which carbon monoxide (CO) is reacted with hydrogen (H 2 ) to reduce its concentration.

여기서, 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 도시되지 않았지만, 상기 고온 수성가스화반응기(HTS)와 상기 저온 수성가스화반응기(LTS)에는 각각 냉각기와 온도센서가 설치될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 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 제어될 수 있다.Here, the optimum temperature of the HTS and the 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. In the case where the fuel cell system 200 according to the embodiment of 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, Temperature gasification reactor (HTS) and the low temperature aqueous gasification reactor (LTS). For example, the high temperature aqueous gasification reactor (HTS) may be controlled within the range of 300 to 430 占 폚, and the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) may be controlled within the range of 200 to 250 占 폚.

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 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 실시예에 따른 구성도이다. FIG. 7 is a configuration diagram according to the embodiment of the fuel cell system of FIG. 5; FIG.

도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(310), 히터(411), 메탄화기(412), 탈황기(413), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 혼합기(802), 엔진(810), 배기리시버(820), 과급기(830), 증발기(840), 및 가열기(850)를 포함하는 디젤엔진 배기시스템과 연동하도록 구현된다. 7, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell 310, a heater 411, a methane generator 412, a desulfurizer 413, a reformer 430, and a combustor 440 Can be implemented. The fuel cell system according to the present invention is implemented to operate in conjunction with a diesel engine exhaust system including a mixer 802, an engine 810, an exhaust receiver 820, a supercharger 830, an evaporator 840, and a heater 850 do.

본 발명에 따른 연료전지 시스템과 상기 디젤엔진 배기시스템은 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받도록 구현된다. 상기 원료 저장탱크에 저장되는 원료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 액화석유가스(LPG), 및 액화천연가스(LNG) 등과 같은 액상 원료이다.The fuel cell system and the diesel engine exhaust system according to the present invention are configured to receive raw materials from a raw material supply unit 110 including a raw material storage tank. The raw materials to be stored in the raw material storage tank may be at least one selected from the group consisting of marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), normal heavy oil (HFO), methanol, dimethyl ether (DME), liquefied petroleum gas (LPG) ) And the like.

도시하지 않았지만, 상기 디젤엔진 배기시스템은 히터를 포함하여 구현된다. 상기 히터는 상기 원료 공급부(110)로부터 상기 엔진(810)으로 공급되는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO) 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료의 점도를 낮추기 위해 사용된다. Although not shown, the diesel engine exhaust system is implemented including a heater. The heater is used to adjust the viscosity of a liquid raw material having a relatively high molecular weight such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy oil (HFO) supplied from the raw material supply part 110 to the engine Used to lower.

상기 혼합기(802)는 상기 디젤엔진(810)으로 공급되는 원료와 스팀(H2O)을 혼합한다. 상기 디젤엔진(810)은 연료에 물을 첨가해 엔진 연소실에 분사함으로써, 물의 증발잠열에 의해 디젤엔진 내 연소실에서의 최고 연소 온도를 낮춤으로써, 연소 중 질소산화물(NOX)의 생성을 줄일 수 있다. 상기 혼합기(802)는 상기 연료전지(310)의 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 공급받을 수 있다.The mixer 802 mixes the raw material supplied to the diesel engine 810 with steam (H 2 O). The diesel engine 810 can reduce the generation of nitrogen oxides (NO x ) during combustion by adding water to the fuel and injecting it into the engine combustion chamber, thereby lowering the maximum combustion temperature in the combustion chamber in the diesel engine by the latent heat of vaporization of water have. The mixer 802 receives the unreacted residual material discharged from the anode or the cathode of the fuel cell of the fuel cell 310 and the water (H 2 O as liquid or gaseous state) .

상기 과급기(830)는 터보차저(Turbocharger) 또는 파워 터빈이라고도 하며, 상기 배기리시버(820)를 통과한 배기가스의 배출속도에 의하여 구동되는 터빈 휠이 원심식 공기압축기(또는 송풍기)와 연결되어 공기를 압축하도록 함으로써, 밀도가 높은 공기를 디젤 엔진에 공급하도록 하는 장치이다. 이에 따라, 상기 과급기(830)는 상기 디젤 엔진의 출력 및 효율을 증가시킬 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 과급기(830)의 후단에는 상기 과급기(830)로부터 배출되는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOX)을 저감하기 위한 선택적 환원촉매 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)가 설치될 수 있다. 상기 과급기(830)로부터 배출되는 배기가스는 상기 증발기(840), 및 상기 가열기(850)가 설치된 배기가스 이코노마이저를 통해 외부로 배출된다.The turbine wheel driven by the discharge speed of the exhaust gas passing through the exhaust receiver 820 is connected to the centrifugal air compressor (or blower) Thereby supplying air having a high density to the diesel engine. Accordingly, the turbocharger 830 can increase the output and efficiency of the diesel engine. Although not shown, a selective catalytic reduction (SCR) for reducing nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas discharged from the turbocharger 830 may be installed at the rear end of the turbocharger 830 have. The exhaust gas discharged from the supercharger 830 is discharged to the outside through the evaporator 840 and the exhaust gas economizer provided with the heater 850.

상기 증발기(840)는 상기 디젤엔진(810)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열로 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생성하고, 생성된 스팀(H2O)을 상기 개질기(430)로 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 가열기(850)는 상기 디젤엔진(810)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열로 공기를 가열하고, 가열된 공기를 상기 연소기(440)와 상기 연료전지(310)의 공기극(cathode)(311)으로 공급하도록 구현될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 증발기(840)에서 상기 개질기로 순환되는 회수 관로에 응축기를 설치하여 상기 디젤 엔진의 배기가스로부터 열을 추가적으로 회수할 수 있다. 또한, 상기 회수 관로에 by-pass 라인을 설치하여 다른 용도로 스팀(H20)을 사용하도록 할 수도 있다. 또한, 상기 응축기는 물과 스팀을 분리하는 기수분리기로 사용될 수도 있다.The evaporator 840 is supplied to the reformer 430, wherein the evaporation of the water to the waste heat of the exhaust gas generated by the steam (H 2 O), and the generated steam (H 2 O) is discharged from the diesel engine 810 . ≪ / RTI > The heater 850 heats the waste heat of the exhaust gas discharged from the diesel engine 810 and transfers the heated air to the combustor 440 and the cathode 311 of the fuel cell 310 . Although not shown, a condenser may be installed in the recovery pipe circulating from the evaporator 840 to the reformer to further recover heat from the exhaust gas of the diesel engine. Further, by installing a by-pass line to the collecting pipe it is also possible to use a steam (H 2 0) for any other purpose. Also, the condenser may be used as a water separator for separating water and steam.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료전지(310)는 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같은 고온형 연료전지이다. 본 명세서에서는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 대하여 설명한다. 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료극(anode)(313)에서 필요한 수소를 포함하는 연료는 상기 개질기(430)로부터 공급되며, 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 공기극(cathode)(311)에서 필요한 공기는 상기 가열기(850)에서 가열된 후 공급된다. 상기 가열기(850)로부터 배출되는 가열된 공기는 상기 연료전지의 공기극(cathode)(311)과 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다.The fuel cell 310 of the fuel cell system according to the present invention is a high temperature type fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC). In this specification, a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described. A fuel containing hydrogen required at the anode 313 of the SOFC is supplied from the reformer 430 and is supplied to the cathode 311 of the SOFC The necessary air is heated after being heated by the heater 850. The heated air discharged from the heater 850 may be supplied to the cathode 311 of the fuel cell and the combustor 440.

상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료극(anode)(313)으로부터 배출되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 미반응 잔여물질과 반응생성물인 스팀(H2O)은 상기 증발기(840)를 통과하면서 추가로 가열되어 상기 연소기(440)로 공급될 수 있다. 상기 고체산화물 연료전지(SOFC)의 공기극(cathode)(311)으로부터 배출되는 미반응 산소를 포함한 배기가스는 연소기(440)로 공급될 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 히터(411) 등의 가열장치의 전단이나 상기 메탄화기(412)의 전단, 또는 상기 탈황기(413)의 전단에 열교환기 등을 설치하여, 상기 개질기로 공급되는 원료를 상기 연소기(440)로부터 배출되는 배기가스와 열교환시켜 가열하도록 할 수도 있다.Unreacted residual substances such as carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) discharged from the anode 313 of the solid oxide fuel cell (SOFC) and steam (H 2 O) which is a reaction product are supplied to the evaporator 840 And may be further heated and supplied to the combustor 440. Exhaust gas containing unreacted oxygen discharged from the cathode 311 of the solid oxide fuel cell (SOFC) may be supplied to the combustor 440. Although not shown, a heat exchanger may be provided at the front end of the heating device such as the heater 411, at the front end of the methanizer 412, or at the front end of the desulfurizer 413, And may be heated by heat exchange with the exhaust gas discharged from the combustor 440.

도시하지 않았지만, 상기 개질기(Reformer)(430)는 상기 디젤엔진 배기시스템(800)의 연료 가열을 위한 열교환기로 고온의 개질가스를 공급할 수 있다. 즉, 고온의 개질가스가 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO) 등을 가열하는 열원으로 사용된다.Although not shown, the reformer 430 can supply a high-temperature reformed gas to the heat exchanger for heating the fuel in the diesel engine exhaust system 800. That is, the reformed gas at a high temperature is used as a heat source for heating the marine gas oil (MGO), the marine diesel oil (MDO), and the heavy oil (HFO).

상기 히터(411), 상기 메탄화기(412), 및 상기 탈황기(413)는 상기 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료를 전처리하여 상기 전처리된 원료를 상기 개질기(430)로 공급하는 원료 처리부(410, 도 4에 도시됨)를 구성한다. 상기 개질기(430)는 상기 탈황기(413)로부터 황화합물이 제거된 원료 및 상기 증발기(840)로부터 공급되는 스팀(H2O)의 개질반응을 진행하여 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 생성한다. 상기 히터(411)는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 및 액화석유가스(LPG) 등과 같은 액상 원료를 저장하는 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료를 가열한다.The heater 411, the methanizer 412 and the desulfurizer 413 are connected to a raw material treatment unit (not shown) for pre-treating a raw material supplied from the raw material supply unit 110 and supplying the raw material to the reformer 430 410, shown in Figure 4). The reformer 430 reforms the raw material from which sulfur compounds have been removed from the desulfurizer 413 and steam (H 2 O) supplied from the evaporator 840 to supply reforming gas, that is, hydrogen (H 2 ) Fuel. The heater 411 is used to store raw materials for storing liquid raw materials such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), general heavy oil (HFO), methanol, dimethyl ether (DME), and liquefied petroleum gas And heats the raw material supplied from the raw material supply portion 110 including the tank.

상기 메탄화기(412)는 상기 히터(411)에서 가열된 원료를 촉매 반응하여 메탄(CH4)을 생성하는 장치이다. 상기 메탄화기(412)에서 일어나는 메탄화 공정을 나타내는 반응식 1은 다음과 같다. The methanator 412 catalyzes a raw material heated in the heater 411 to generate methane (CH 4 ). The reaction scheme 1 for the methanation process occurring in the methanation unit 412 is as follows.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

2C12H23(해상 디젤유의 평균적인 구조식) + 열(또는 촉매) → 11CH4+13C+H2 2C 12 H 23 (average structural formula of marine diesel oil) + heat (or catalyst) → 11CH 4 + 13C + H 2

상기 탈황기(413)는 상기 메탄화기(11)에서 메탄(CH4)을 생성하는 공정 중에 발생된 황화합물(SOX)을 제거한다. 또한, 상기 개질기(Reformer)(430)에서 발생되는 고온의 개질가스 일부를 상기 탈황기(413)에 공급하도록 하여, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 및 수소(H2)가 포함되어 있는 상기 개질가스 중의 수소와 황화합물간의 반응 생성물과 상기 탈황기(413) 내의 탈황촉매와의 흡착 반응 등을 이용하여 상기 원료 공급부(110)로부터 상기 원료 처리부(410)로 공급되는 원료에 포함된 황화합물 제거에 사용되도록 구현될 수 있다. 상기 탈황기(413)에서 일어나는 황화합물(SOX) 제거 공정을 나타내는 반응식 2는 다음과 같다. The desulfurizer 413 is to remove the sulfur compounds (SO X) occurs during the process of generating methane (CH4) from the methane flame (11). In addition, a portion of the reformed gas generated at the reformer 430 may be supplied to the desulfurizer 413 to contain carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen (H 2 ) The sulfur compound contained in the raw material supplied from the raw material supply unit 110 to the raw material treatment unit 410 by using a reaction reaction between hydrogen and a sulfur compound in the reformed gas and a desulfurization catalyst in the desulfurizer 413, Can be implemented to be used for removal. Scheme 2 are as follows indicating the removed sulfur compounds (SO X) process occurring in the desulfurizer 413.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

1) MO + H2S → MS + H2O 1) MO + H 2 S → MS + H 2 O

2) MS + 3/2O2 → MO + SO2 2) MS + 3 / 2O 2 - > MO + SO 2

3) SO2 + 2CO(또는 H2) → S + 2CO(or 2H2O)3) SO 2 + 2CO (or H 2) → S + 2CO ( or 2H 2 O)

금속산화물의 MO 예로서는 ZnO, Zeolite, Fe2O3, CaO 등이 있다.Examples of MO of the metal oxide include ZnO, Zeolite, Fe 2 O 3 , CaO and the like.

도시하지 않았지만, 상기 개질기(430)에서 부수적으로 발생하는 불순물인 재(ash)를 분리 제거하기 위해 분리기를 설치할 수 있다Although not shown, a separator may be provided to separate and remove ash, which is an impurity incidentally generated in the reformer 430

이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 시스템(200)의 구성도를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a configuration diagram of a fuel cell system 200 according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 8은 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도이다. FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 6 according to the first embodiment.

도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지(320), 히터(411), 메탄화기(412), 탈황기(413), 응축기(421), 개질기(430), 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 혼합기(802), 엔진(810), 배기리시버(820), 과급기(830), 증발기(840), 및 가열기(850)를 포함하는 디젤엔진 배기시스템과 연동하도록 구현된다. 여기서, 도 7과 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.8, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell 320, a heater 411, a methane generator 412, a desulfurizer 413, a condenser 421, a reformer 430, a combustor 440 ). ≪ / RTI > The fuel cell system according to the present invention is implemented to operate in conjunction with a diesel engine exhaust system including a mixer 802, an engine 810, an exhaust receiver 820, a supercharger 830, an evaporator 840, and a heater 850 do. 7, the same reference numerals are used.

상기 응축기(421)는 상기 연료전지(313)의 연료전지의 연료극(anode)으로부터 공급되는 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 응축하고, 응축하여 발생한 물을 상기 증발기(840)로 공급한다. 상기 응축기(421)에서 응축된 물은 상기 증발기(840)를 통과하면서 스팀(H2O)이 되고, 상기 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)와 혼합기(802)로 공급된다. 상기 연료전지의 미반응 연료를 포함하는 상기 응축기(421)에서 분리된 가스는 상기 연소기(440)으로 공급되도록 할 수 있다.The condenser 421 condenses water (H 2 O as a liquid or a gaseous state), which is a reaction product supplied from the anode of the fuel cell of the fuel cell 313, and condenses the generated water to the evaporator 840 ). The water condensed in the condenser 421 and the steam (H 2 O) while passing through the evaporator 840, the steam (H 2 O) is supplied to the reformer 430 and the mixer 802. The gas separated from the condenser 421 including the unreacted fuel of the fuel cell may be supplied to the combustor 440.

도 7과 도 8에서 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 고온형 연료전지인 것을 예시하였지만, 상기 연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등의 저온형 연료전지에 의해서도 구현될 수 있다. 상기 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지는 공기극(cathode)에서 미반응 잔여물질로 산소(O2)와 반응생성물로 스팀(H2O)을 포함하는 배기가스를 상기 응축기(421)로 공급할 수 있다. 상기 응축기(421)에서 응축된 물은 상기 증발기(840)를 통과하면서 스팀(H2O)이 되고, 상기 스팀(H2O)은 상기 개질기(430)와 혼합기(802)로 공급된다.7 and 8 illustrate that the fuel cell is a high temperature type fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC), but the fuel cell can also be implemented by a low temperature type fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) . The low-temperature type fuel cell, such as the PEMFC, exhausts the exhaust gas containing oxygen (O 2 ) as an unreacted residual material at the cathode and steam (H 2 O) as a reaction product to the condenser 421 ). The water condensed in the condenser 421 and the steam (H 2 O) while passing through the evaporator 840, the steam (H 2 O) is supplied to the reformer 430 and the mixer 802.

상기 연료전지는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등의 저온형 연료전지로 구현되는 경우, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 상기 개질기(430)에서 생산되는 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 10∼20 ppm 이하로 줄이기 위해 수성가스화반응기(WGS)가 사용된다. 상기 수성가스화반응기(WGS)는 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 이에 따라, 상기 연료전지(320) 촉매의 성능을 감소시키는 일산화탄소(CO) 농도를 낮추고 상기 연료전지의 연료인 수소(H2)의 농도를 높임으로써, 상기 연료전지(320)의 수명을 향상시키고 연료 효율을 높일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 수성가스화반응기(WGS)의 후단에는 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집기와 상기 수성가스화반응기(WGS)에서 부수적으로 발생하는 불순물인 재(ash)와 물(H20)을 분리 제거하는 분리기가 설치될 수 있다.When the fuel cell is implemented as a low-temperature type fuel cell such as a PEMFC, the fuel cell system according to the present invention controls the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas produced by the reformer 430 A water gasification reactor (WGS) is used to reduce to 10-20 ppm or less. The water gasification reactor (WGS) reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the reformed gas to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ). Accordingly, the lifetime of the fuel cell 320 can be improved by lowering the concentration of carbon monoxide (CO), which decreases the performance of the fuel cell 320, and by increasing the concentration of hydrogen (H 2 ) Fuel efficiency can be increased. Although not shown, a carbon dioxide collector for collecting carbon dioxide (CO 2 ) and ash (ash) and water (H 2 0), which are generated incidentally in the water gasification reactor (WGS), are disposed in the downstream of the water gasification reactor (WGS) A separator for separating and removing the water can be installed.

도 9는 도 6의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도이다. FIG. 9 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 6 according to the second embodiment.

도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 도6의 제1실시예에서 디젤엔진 배기시스템의 혼합기(802)를 생략하여 구현될 수 있다. 상기 디젤엔진 배기시스템에서 생성되는 질소산화물의 농도가 충분히 낮거나 제어할 수 있는 경우, 상기 디젤엔진 배기시스템에 스팀을 공급하기 위한 상기 혼합기(802)를 생략할 수 있다.Referring to FIG. 9, the fuel cell system according to the present invention can be implemented by omitting the mixer 802 of the diesel engine exhaust system in the first embodiment of FIG. If the concentration of nitrogen oxides produced in the diesel engine exhaust system is sufficiently low or controllable, the mixer 802 for supplying steam to the diesel engine exhaust system may be omitted.

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 10은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.10 is a schematic view showing an example of a ship according to the present invention.

도 1 내지 도 10을 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 일례로, 연료전지(210), 히터(411)와 메탄화기(412)와 탈황기(413)를 포함하는 원료 처리부(410), 응축기(421)를 포함하는 원료수 처리부(420), 개질기(430), 및 연소기(440)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로, 상기 연료전지 시스템(200)은 수성가스화반응기(WGS), 및 분리기를 더 포함하여 구현될 수 있다. 1 to 10, 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 includes a raw material processing unit 410 including a fuel cell 210, a heater 411 and a methane generator 412 and a desulfurizer 413, a raw material processing unit 410 including a condenser 421, A water processor 420, a reformer 430, and a combustor 440. As another example, the fuel cell system 200 may be implemented further including a water gasification reactor (WGS), and a separator.

상기 연료전지 시스템(200)은 혼합기(802), 엔진(810), 배기리시버(820), 과급기(830), 증발기(840), 및 가열기(850)를 포함하는 디젤엔진 배기시스템(800)과 연동하도록 구현된다. 상기 연료전지 시스템(200)과 상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 원료를 공급받도록 구현된다. 상기 원료 저장탱크에 저장되는 원료는 해상 가스유(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO), 메탄올, 디메틸에테르(DME), 액화석유가스(LPG), 및 액화천연가스(LNG) 등과 같은 액상 원료이다. The fuel cell system 200 includes a diesel engine exhaust system 800 including a mixer 802, an engine 810, an exhaust receiver 820, a supercharger 830, an evaporator 840, and a heater 850, . The fuel cell system 200 and the diesel engine exhaust system 800 are configured to receive raw materials from a raw material supply unit 110 including a raw material storage tank. The raw materials to be stored in the raw material storage tank may be at least one selected from the group consisting of marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), normal heavy oil (HFO), methanol, dimethyl ether (DME), liquefied petroleum gas (LPG) ) And the like.

상기 연료전지(210)는 수소를 포함하는 연료가 유입되며 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 연료전지 반응에 필요한 산화제인 공기가 유입되는 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 상기 공기극(cathode)에서 생성된 이온의 전달 역할을 하는 전해질을 포함하여 전기를 생산한다. 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 includes an anode for introducing fuel containing hydrogen and discharging exhaust gas, a cathode for introducing air, which is an oxidant required for the fuel cell reaction, and a cathode, and an electrolyte that serves as a transferring of ions generated in the cathode. 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 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 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 water treatment unit 420 prepares raw water supplied from the raw water supply unit 120 including 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 원료수 처리부(420)는 원료수를 가열하여 스팀(H2O)을 생성하고, 상기 스팀(H2O)을 상기 개질기(430)로 공급한다. 또한, 원료수 처리부(420)는 일정 수준의 수량을 유지하기 위한 외부 물 공급 라인 및 시스템을 포함할 수 있다.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 addition, the raw water treatment unit 420 may include an external water supply line and a system for maintaining a predetermined level of water.

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 개질가스, 즉 수소(H2)를 포함하는 연료를 발생시킨다. 상기 개질기(Reformer)(430)에서 발생되는 연료에는 수소(H2) 외에도 일산화탄소(CO)가 포함될 수 있다. 상기 개질기(Reformer)(430)에서 발생되는 수소(H2)를 포함하는 연료는 550∼650℃의 고온의 개질가스이다. The reformer 430 reforms the pre-treated raw material supplied from the raw material processing unit 410 and the steam (H 2 O) supplied from the raw water treatment unit 420 to supply the reformed gas, that is, hydrogen generate a fuel containing H 2). The fuel generated in the reformer 430 may include carbon monoxide (CO) in addition to hydrogen (H 2 ). The fuel containing hydrogen (H 2 ) generated in the reformer 430 is a reformed gas at a high temperature of 550 to 650 ° C.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등의 저온형 연료전지인 경우 공기극(cathode)으로부터 산소와 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 포함하는 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템(800)으로 공급한다. 다른 예로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)가 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 고온형 연료전지인 경우 연료극(anode)으로부터 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 포함하는 배기가스를 상기 디젤엔진 배기시스템(800)으로 공급한다. The fuel cell system 200 according to the present invention is characterized in that when the fuel cell 210 is a low temperature type fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), oxygen and water (liquid or gas state H 2 O ) To the diesel engine exhaust system (800). As another example, the fuel cell system 200 includes a carbon monoxide (CO) from the fuel electrode (anode), a case where the fuel cell 210, the high-temperature fuel cells such as solid oxide fuel cells (SOFC) according to the present invention, carbon dioxide (CO 2 ) and the diesel engine exhaust system 800, an exhaust gas containing the electrochemical unreacted material and unreacted hydrogen (residual material and the reaction product of the water (liquid or H 2 O as a gas phase, such as H 2)), such as Supply.

상기 디젤엔진 배기시스템(800)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 상기 원료 저장탱크를 포함하는 원료 공급부(110)로부터 공급되는 원료와 혼합하여 디젤엔진의 연소실에 분사한다. The diesel engine exhaust system 800 mixes the high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 with the raw material supplied from the raw material supply unit 110 including the raw material storage tank and injects it into the combustion chamber of the diesel engine do.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210)로부터 물을 포함하는 고온의 배기가스를 응축하여 물을 생산하고, 생산한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하도록 구현될 수 있다. The fuel cell system 200 according to the present invention is configured to condense high temperature exhaust gas containing water from the fuel cell 210 to produce water and to supply the produced water to the evaporator of the diesel engine exhaust system .

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 상기 개질기(430)에서 생산된 개질가스를 수성가스화반응기(WGS)로 공급하도록 구현될 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)는 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산한다. 상기 수성가스화반응기(WGS)의 후단에는 이산화탄소(CO2)를 포집하는 이산화탄소 포집기와, 상기 수성가스화반응기(WGS)에서 부수적으로 발생하는 불순물인 재(ash)와 물(H20)을 분리 제거하는 분리기가 설치될 수 있다.The fuel cell system 200 according to the present invention can be implemented to supply the reforming gas produced by the reformer 430 to the water gasification reactor WGS. The water gasification reactor (WGS) reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the reformed gas to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ). At the downstream end of the water gasification reactor (WGS), a carbon dioxide collector for collecting carbon dioxide (CO 2 ) and an ash and water (H 2 0) as impurities incidentally generated in the water gasification reactor (WGS) A separator may be installed.

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(MGO), 해상 디젤유(MDO), 일반 중유(HFO)와 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 원료 등일 수 있다.1 to 9, the hull 910 constitutes the overall appearance of the ship 900 according to the present invention. The hull 910 is provided with an engine for generating propulsive force for moving the hull 910 and a raw material supply unit for supplying the raw material to the engine. For example, the raw material is a material of a hydrocarbon series, LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), petrol, dimethyl ether, methane, Hydrogen purge off gas, pure hydrogen, and a liquid raw material having a relatively high molecular weight such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy 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 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
800: 디젤엔진 배기시스템
810: 엔진 802: 혼합기
820: 배기리시버
830: 과급기 840: 증발기
850: 가열기100: 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
800: Diesel engine exhaust system
810: engine 802: mixer
820: exhaust receiver
830: supercharger 840: evaporator
850: heater

Claims (9)

선박으로서,
디젤엔진 배기시스템;
상기 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템; 및
상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 감압 또는 승압하거나 교류전류(AC)으로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
상기 디젤엔진 배기시스템은 디젤엔진으로 공급되는 연료와 스팀(H2O)을 혼합하는 혼합기를 포함하며,
상기 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기, 상기 개질기를 가열하는 연소기, 및 상기 개질기로부터 공급되는 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하고,
상기 연료전지는 상기 디젤엔진 배기시스템의 혼합기에 물이 포함된 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.As a vessel,
Diesel engine exhaust system;
A fuel cell system interlocked with the diesel engine exhaust system; And
And a power conversion unit for converting the direct current (DC) output from the fuel cell system into a reduced pressure or a boosted voltage or converting the direct current (DC) into an alternating current (AC)
The diesel engine exhaust system includes a mixer for mixing fuel and steam (H 2 O) supplied to the diesel engine,
Wherein the fuel cell system includes a reformer for generating a reformed gas containing hydrogen, a combustor for heating the reformer, and a fuel cell for generating electricity using reformed gas supplied from the reformer,
Wherein the fuel cell supplies exhaust gas containing water to a mixer of the diesel engine exhaust system. 제1항에 있어서,
상기 디젤엔진 배기시스템은 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 물을 증발시켜서 스팀(H2O)을 생산한 후에 생산한 스팀(H2O)을 상기 혼합기로 공급하는 증발기를 포함하고,
상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하는 응축기를 포함하며,
상기 응축기는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하여 발생한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로 공급하는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.The method according to claim 1,
The diesel engine exhaust system is evaporated by the waste heat of the exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source by the evaporator which supplies a steam (H 2 O) produced after the production of the steam (H 2 O) to the mixer Including,
Wherein the fuel cell system includes a condenser for condensing reaction products and unreacted residual materials discharged from the anode or the cathode of the fuel cell,
Wherein the condenser comprises a condenser for condensing the unreacted residual material and the reaction product to supply the generated water to the evaporator of the diesel engine exhaust system. 제2항에 있어서,
상기 개질기는 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받는 것을 특징으로 하는 선박.3. The method of claim 2,
Wherein the reformer is supplied with steam (H 2 O) from the evaporator of the diesel engine exhaust system. 제1항에 있어서,
상기 디젤엔진 배기시스템은 상기 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 공기를 가열하는 가열기를 포함하고,
상기 가열기는 가열된 공기를 상기 연료전지의 공기극(cathode)에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.The method according to claim 1,
Wherein the diesel engine exhaust system includes a heater that heats the air using waste heat of the exhaust gas discharged from the diesel engine as a heat source,
Wherein the heater supplies heated air to the cathode of the fuel cell. 디젤엔진 배기시스템과 연동하는 연료전지 시스템으로서,
수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기;
상기 개질기를 가열하는 연소기; 및
상기 개질기로부터 공급되는 개질가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지를 포함하고,
상기 연료전지는 상기 디젤엔진 배기시스템에서 디젤엔진으로 공급되는 연료와 스팀(H2O)을 혼합하는 혼합기에 물이 포함된 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A fuel cell system interlocked with a diesel engine exhaust system,
A reformer for generating a reformed gas containing hydrogen;
A combustor for heating the reformer; And
And a fuel cell that generates electricity using the reformed gas supplied from the reformer,
Wherein the fuel cell supplies exhaust gas containing water to a mixer for mixing fuel supplied with the diesel engine and steam (H 2 O) in the diesel engine exhaust system. 제5항에 있어서,
상기 연료전지의 연료극(anode) 또는 공기극(cathode)으로부터 배출되는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하는 응축기를 포함하고,
상기 응축기는 미반응 잔여물질과 반응생성물을 응축하여 발생한 물을 상기 디젤엔진 배기시스템에서 상기 혼합기에 스팀(H2O)을 공급하는 증발기로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
And a condenser for condensing the unreacted residual material and the reaction product discharged from the anode or the cathode of the fuel cell,
Wherein the condenser supplies water generated by condensing unreacted residual materials and reaction products to an evaporator that supplies steam (H 2 O) to the mixer in the diesel engine exhaust system. 제6항에 있어서,
상기 개질기는 상기 디젤엔진 배기시스템의 증발기로부터 스팀(H2O)을 공급받는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the reformer is supplied with steam (H 2 O) from the evaporator of the diesel engine exhaust system. 제5항에 있어서,
상기 개질기로부터 상기 개질가스를 공급받아 상기 개질가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이는 수성가스화반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
And an aqueous gasification reactor that receives the reformed gas from the reformer and reduces the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the reformed gas. 제8항에 있어서,
상기 수성가스화반응기에서 부수적으로 발생하는 불순물인 재(ash)와 물(H20)을 분리 제거하는 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.9. The method of claim 8,
A fuel cell system comprising: a separator for separating and removing material (ash) and water (H 2 0) of the incidental impurities generated in the gasification reactor water.
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