KR20170080943A - Ship - Google Patents

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오태영
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 원료를 공급하기 위한 원료 공급부, 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부, 상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템, 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system for producing electricity using a raw material supply portion for supplying a raw material, a raw water supply portion for supplying raw water, a raw material supplied from the raw material supply portion, and a raw water supplied from the raw water supply portion, And a power conversion section for converting a direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC).

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 화석 연료의 매장량을 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 발전시스템이 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. An environmentally friendly power generation system also includes a power generation system that converts fossil fuels or produces electricity through chemical reactions such as hydrogen and oxygen.

연료전지 시스템은 연료 예를 들어, 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소를 이용하여 직접 전기 에너지를 생산하는 연료전지(FUEL CELL)를 포함하는 시스템이다. 탄화수소 계열의 물질은 예를 들어, LNG(액화천연가스), LPG(액화석유가스), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 가솔린, 디메틸에테르 등을 포함한다. A fuel cell system is a system that includes a fuel cell (FUEL CELL) that produces direct electrical energy using a fuel, for example, hydrogen contained in a hydrocarbon-based material. Material of hydrocarbons, for example, LNG and the like (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), petrol, dimethyl ether.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 운전온도, 전해질, 발전효율, 발전성능이 서로 다르다. Fuel cells can be classified into various types such as an alkali fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) Direct methanol fuel cell (DMFC), and the like. 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 연료전지 모듈 수를 늘이거나 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 number of fuel cell modules must be increased or the power generation output of the fuel cell module must be relatively large. Therefore, the following problems occur in the conventional fuel cell system.

첫째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 모듈 수가 많아지거나 요구되는 모듈의 발전출력이 커지면서 연료전지에서 배출되는 잔여물질과 부생성물이 많아지게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 잔여물질과 반응생성물의 배출 증가로 인해 환경오염을 심화시키는 문제가 있다.First, in the fuel cell system according to the related art, as the number of the fuel cell modules increases or the power generation output of the required module increases, the amount of residual substances and by-products discharged from the fuel cell increases. Therefore, the fuel cell system according to the prior art has a problem of increasing environmental pollution due to an increase in the discharge of residual materials and reaction products.

둘째, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 연료전지로부터 배출되는 고온의 배기가스를 그대로 배출하게 된다. 따라서, 종래 기술에 따른 연료전지 시스템은 고온의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다. Second, the fuel cell system according to the related art discharges high-temperature exhaust gas discharged from the fuel cell as it is. Accordingly, the conventional fuel cell system has a problem in that the energy efficiency of the fuel cell is lowered as waste heat generated from the exhaust gas at a high temperature is wasted.

본 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 연료전지에서 발생하는 잔여물질과 반응생성물의 배출을 줄일 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a vessel capable of reducing the discharge of residual substances and reaction products generated in a fuel cell.

본 발명은 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열을 재활용함으로써, 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a ship capable of preventing the energy efficiency of the fuel cell from being lowered by recycling the waste heat generated from the exhaust gas of the fuel cell.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention can include the following configuration.

본 발명에 따른 선박은 원료를 공급하기 위한 원료 공급부; 원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부; 상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및 상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고, 상기 연료전지 시스템은 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부; 상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 유입되며, 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 전처리하고, 전처리한 배기가스를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 재공급하는 배기가스 처리부를 포함할 수 있다.A ship according to the present invention comprises a raw material supply part for supplying a raw material; A raw water supply part for supplying raw water; A fuel cell system for generating electricity using raw material supplied from the raw material supply unit and raw material water supplied from the raw water supply unit; And a power converter for converting a direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC), wherein the fuel cell system includes: a hydrogen generator for generating fuel containing hydrogen; And an electrolyte formed between the anode and the cathode to supply the fuel containing hydrogen from the hydrogen generator to the anode, the cathode, and the electrolyte to discharge the exhaust gas. Producing fuel cells; And an exhaust gas processing unit for pretreating the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell and re-supplying the pretreated exhaust gas to the anode of the fuel cell.

본 발명에 따른 선박은 상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하는 공기공급라인을 포함하고, 상기 배기가스 처리부는 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이는 수성가스화반응기, 및 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스와 상기 공기공급라인을 통해 연료전지의 공기극(cathode)으로 유입되는 공기를 열교환시키는 제1열교환기를 포함할 수 있다.The ship according to the present invention includes an air supply line for supplying air to the cathode of the fuel cell, wherein the exhaust gas treatment unit includes an aqueous gasification reactor for reducing the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the exhaust gas, And a first heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell and the air flowing into the cathode of the fuel cell through the air supply line.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 원료 처리부는 LNG 저장탱크에서 공급되는 원료를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하고, 상기 기화기는 상기 수소생성부가 갖는 연소기에서 배출되는 배기가스를 사용할 수 있다.In the vessel according to the present invention, the raw material treatment section includes an LNG evaporator for evaporating the raw material supplied from the LNG storage tank and a carburetor installed in the LNG evaporator, and the carburetor includes an exhaust gas Can be used.

본 발명에 따른 선박은 상기 제1열교환기를 통과한 배기가스를 응축하기 위한 응축기; 상기 응축기를 통과한 배기가스를 압축하는 상기 압축기; 및 상기 압축기에서 압축된 배기가스를 연료로 분리하는 상기 수소분리기를 포함하고, 상기 수소분리기에서 분리된 연료를 상기 연료극(anode)으로 재공급될 수 있다.The ship according to the present invention comprises: a condenser for condensing the exhaust gas passed through the first heat exchanger; The compressor for compressing the exhaust gas passing through the condenser; And the hydrogen separator separating the exhaust gas compressed in the compressor into fuel, and the fuel separated from the hydrogen separator can be re-supplied to the anode.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 수소생성부가 갖는 연소기는 상기 연료전지의 공기극(cathode)에서 배출되는 미반응 잔여물질 또는 부생성물을 공급받아 연소반응에 사용할 수 있다.In the vessel according to the present invention, the combustor having the hydrogen generator may be supplied with unreacted residual substances or by-products discharged from the cathode of the fuel cell and used for the combustion reaction.

본 발명에 따른 선박에 있어서, 상기 수소생성부는 원료수를 전처리하는 원료수 처리부, 원료를 전처리하는 원료 처리부, 상기 원료 처리부에서 전처리된 원료와 스팀을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하기 위한 연소기를 포함하고, 상기 원료수 처리부는 상기 응축기를 통과한 연료전지 배기가스와 상기 기화기를 통과한 연소기 배기가스를 열교환시키는 제2열교환기를 포함하며, 상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 연소기 배기가스가 상기 제2열교환기를 통과하면서 상기 원료수를 가열하여 생성될 수 있다.In the vessel according to the present invention, the hydrogen producing section may include a raw water treatment section for pretreating the raw water, a raw material treatment section for pretreating the raw material, a reformer for reforming the steam and the raw material pretreated in the raw material treatment section, And a second heat exchanger for exchanging heat between a fuel cell exhaust gas passing through the condenser and a combustor exhaust gas passing through the vaporizer, wherein steam (H 2 O) supplied to the reformer The combustor exhaust gas may be generated by heating the raw water while passing through the second heat exchanger.

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

본 발명은 연료전지의 공기극(cathode)에서 배출되는 잔여물질 또는 부생성물을 연소기로 배출하여 연소반응에 사용하도록 구현됨으로써, 잔여물질과 부생성물의 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention can be implemented to discharge residual substances or by-products discharged from the cathode of a fuel cell to a combustor for use in a combustion reaction, thereby contributing to reduction of environmental pollution due to an increase in discharge of residual substances and by-products.

본 발명은 연료전지의 연료극(anode)에서 배출되는 배기가스를 연료극(anode)에 재공급하도록 구현됨으로써, 잔여물질과 부생성물의 배출 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The present invention can be implemented to re-supply the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell to the anode, thereby contributing to reduction of environmental pollution due to an increase in discharge of residual substances and by-products.

본 발명은 연료전지의 배기가스를 연소반응 및 기화기에 사용하도록 구현됨으로써, 연료전지의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.The present invention can be implemented to use the exhaust gas of the fuel cell for the combustion reaction and the vaporizer, thereby contributing to preventing the energy efficiency of the fuel cell from being lowered as the waste heat generated from the exhaust gas of the fuel cell is wasted.

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 5 는 본 발명의 연료전지 시스템의 제2실시예를 설명하기 위한 구성도
도 6은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도
도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도
도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도
도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제4실시예에 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 schematic view for explaining a second embodiment of the fuel cell system of the present invention
Fig. 6 is a configuration diagram of the fuel cell system of Fig. 5 according to the first embodiment; Fig.
Fig. 7 is a schematic view of the fuel cell system of Fig. 5 according to the second embodiment
Fig. 8 is a schematic view of the fuel cell system of Fig. 5 according to the third embodiment
Fig. 9 is a configuration diagram according to the fourth embodiment of the fuel cell system of Fig. 5
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 원료공급부(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 원료공급부(110)는 원료 저장탱크를 포함하며 상기 원료 저장탱크로부터 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 the raw material from the raw material storage tank. For example, the raw material is a hydrocarbon-based material, and it is an LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, Or the like.

일례로, 상기 발전시스템(100)이 자동차에 적용되는 경우, 상기 원료공급부(110)는 가스 저장탱크와 상기 가스 저장탱크로부터 가스를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현된다. 다른 예로, 상기 발전시스템(100)이 LNG 운반선에 적용되는 경우, 상기 원료 공급부(110)는 LNG 저장탱크와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 제공하는 장치를 포함하여 구현된다. 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 gas storage tank and a device (for example, a pump) for supplying gas from the gas storage tank. As another example, when the power generation system 100 is applied to an LNG carrier, the material supply unit 110 is implemented including an LNG storage tank and an apparatus for providing evaporative gas generated in 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 개질반응에 필요한 원료수를 공급한다. 원료수는 예를 들어, 민물, 또는 해수일 수 있다. 다른 예로, 원료수는 민물, 해수에서 불순물이 제거된 상태의 물일 수 있다. 상기 원료수 공급부(120)는 원료수 저장탱크와 상기 원료수 저장탱크로부터 원료수를 공급하는 장치(예컨대, 펌프)를 포함하여 구현될 수 있다. The raw water supply part 120 supplies the raw water necessary for the reforming reaction. 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. The raw water supply part 120 may include a raw water storage tank and a device (for example, a pump) for supplying raw water from the raw water storage tank.

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 직류전압(DC)을 교류전압(AC)으로 변환한다. 상기 전력 변환부(140)는 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에서 출력되는 직류전압을 승압 또는 감압하여 출력하는 직류/직류변환모듈과, 상기 직류/직류변환모듈에서 출력되는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터를 포함하여 구현된다. 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 배출하도록 구현될 수도 있다.The power conversion unit 140 converts the DC voltage DC output from the fuel cell system 200 according to the present invention into an AC voltage AC. The power conversion unit 140 includes a DC / DC conversion module for boosting or reducing the DC voltage output from the fuel cell system 200 according to the present invention, and a DC / DC conversion module for converting the DC voltage output from the DC / Voltage converter. 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 discharge electricity to an energy storage device, for example, a battery.

본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)은 원료, 원료수 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 시스템9200)은 원료의 연소 에너지를 이용하는 디젤엔진, 가스엔진, 증기터빈, 가스터빈, 또는 랭킨 사이클 시스템과 연동하도록 구현될 수도 있다.The fuel cell system 200 according to the present invention produces electricity using raw materials, raw water, 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 9200 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 that utilizes the combustion energy of the raw materials.

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)들을 포함한 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 있다.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 the operation of the configuration including the fuel cell 210 and the hydrogen generator 400.

상기 연료전지(210)는 연료전지 스택을 포함하여 구현된다. 상기 연료전지 스택은 전해질층 사이에 공기극(cathode)과 연료극(anode)이 형성되고, 공기극(cathode)과 연료극(anode)에는 수소공급과 열회수를 위한 분리판이 설치되어 있는 단위전지 모듈을 필요수량만큼 직렬 연결된 형태로 구성된다.The fuel cell 210 is implemented including a fuel cell stack. The fuel cell stack includes a unit cell module in which a cathode and an anode are formed between the electrolyte layers and a separator plate for supplying hydrogen and heat is installed in the cathode and the anode, Connected in series.

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 유지한다.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. In the case of 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)에 있어서, 연료전지(210)는 공기극(cathode)(211)에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질(212)을 통해 연료극(anode)(213)으로 이동한다. 연료극(anode)(213)에서는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 포함하는 연료가 유입되는데, 전해질(212)을 통해 연료극(anode)(213)으로 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 전기화학적으로 반응함으로써 물(H20)과 전자(e-)가 생성된다. 공기극(cathode)(211)에서는 전자가 소모되므로 공기극(cathode)(211)과 연료극(anode)(213)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.3A, a fuel cell 210 includes a fuel cell 210 in which oxygen ions generated by a reduction reaction of oxygen in a cathode 211 are supplied to the anode 211 through an electrolyte 212, to the anode (213). Fuel containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) flows in the anode 213. Oxygen ions (O 2- ) moved to the anode 213 through the electrolyte 212 and oxygen Hydrogen (H 2 ) electrochemically reacts to produce water (H 2 O) and electrons (e-). Since electrons are consumed in the cathode 211, electricity flows when the cathode 211 and the anode 213 are connected to each other.

연료전지(210)는 연료극(anode)(213)에서 전기화학반응에 참여하지 않은 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 전기화학 미반응물질과 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질과 반응생성물인 물(액체 혹은 기체상태로서의 H2O)을 배출한다. 또한, 연료전지(210)는 공기극(cathode)(211)에서 미반응 산소 및 질소 등을 배출한다.Residual materials such as fuel cell 210 includes a fuel electrode (anode) not involved in the electrochemical reactions at 213, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2) and electrochemical unreacted material and unreacted hydrogen (H 2) as And water (H 2 O in liquid or gaseous state) as a reaction product. In addition, the fuel cell 210 discharges unreacted oxygen and nitrogen from the cathode 211.

도 3b를 참조하면, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)에 있어서, 연료전지(210)는 연료극(anode)(213)에 형성된 촉매층(213a)에서 수소(H2)가 분해되어 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 수소이온(H+)은 전해질(212)을 통해 공기극(cathode)(211)으로 이동한다. 상기 전해질(212)은 고분자 전해질막(Polymer Membrane)일 수 있다. 연료전지(210)는 공기극(cathode)(211)에 형성된 촉매층(211a)에서 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 스팀(H20)을 생산한다. 연료극(anode)(213)에 형성된 촉매층(213a)과 공기극(cathode)(211)에 형성된 촉매층(211a)을 서로 연결하면 전기가 흐르게 된다.3B, in the PEMFC, the fuel cell 210 decomposes hydrogen (H 2 ) in the catalyst layer 213 a formed on the anode 213 to form hydrogen ions (H + ), And electrons (e-) are generated. The hydrogen ion (H + ) moves to the cathode 211 through the electrolyte 212. The electrolyte 212 may be a polymer electrolyte membrane. The fuel cell 210 and the hydrogen ion (H +) and oxygen (O 2) reaction in the catalyst layer (211a) formed in the air electrode (cathode) (211) to produce steam (H 2 0). When the catalyst layer 213a formed on the anode 213 and the catalyst layer 211a formed on the cathode 211 are connected to each other, electricity flows.

연료전지(210)는 연료극(anode)(213)의 촉매층(213a)에서 미반응 수소(H2)와 같은 잔여물질을 배출한다. 또한, 연료전지(210)는 공기극(cathode)(211)에서 미반응 산소와 물(H20)을 배출한다.The fuel cell 210 discharges residual material such as unreacted hydrogen (H 2 ) from the catalyst layer 213a of the anode 213. In addition, the fuel cell 210 discharges unreacted oxygen and water (H 2 O) from the cathode 211.

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. 생산된 이산화탄소(CO2)는 공기극(cathode)으로 보내지게 되고, 공기극(cathode)에서 이산화탄소(CO2)와 산소(O2)가 반응하여 탄산이온(C03- 2)을 생산한다. 탄산이온(C03- 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 produced 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 carbonic acid ions (CO 3 -2 ). Carbonate ions (C0 3- 2) is moved to the fuel electrode (anode) through the electrolyte. 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 원료수, 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 this specification, the raw material and the raw water that are introduced into the hydrogen generating unit 400 and the fuel that is generated in the hydrogen generating unit 400 and flows into the fuel cell 210 are defined as the fuel.

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 구현된다. The hydrogen generator 400 may be designed to have various structures depending on the type of the fuel cell 210 or to improve the 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 , 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 water treatment 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 증발기(411)와 상기 LNG 증발기(411) 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)와 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 황화합물 및 불순물을 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 processing unit 410 may include an LNG evaporator 411 for evaporating the liquefied natural gas supplied from the LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator 411. 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), and Heavy Fuel Oil (HFO) 410) including the methane flame for generating a marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), or the general fuel oil (HFO) methane by the reaction of the heated raw material and the heater applies heat the catalyst to the (CH 4) Can be implemented. The raw material treatment unit 410 may include a desulfurizer for removing sulfur compounds and impurities contained in the raw material.

상기 원료수 처리부(420)는 원료수 저장탱크를 포함하는 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 전처리한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 원료수를 가열하여 스팀(H20)을 생성하고, 상기 스팀(H20)을 개질기(Reformer)로 배출한다. 상기 원료수 처리부(420)는 예를 들어, 연소기(440)에서 발생하는 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 water treatment unit 420 generates steam (H 2 0) by heating the raw water, for example, and discharges the steam (H 2 0) to a reformer. The raw water water treatment unit 420 may include a heat exchanger for heating the raw water to waste heat 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 연료 및 상기 원료수 처리부(420)로부터 공급되는 스팀(H20)의 개질반응을 진행하여 수소(H2) 가스를 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 pretreated fuel supplied from the raw material treatment unit 410 and the steam H 2 0 supplied from the raw water treatment unit 420 to generate hydrogen (H 2 ) 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 개질촉매를 담지하는 담체가 충전된 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 예컨대 알루미나(Al2O3) 등이 될 수 있다.The reformer 430 is implemented with a reforming catalyst layer that triggers a reforming reaction. The reforming catalyst layer is composed of a structure filled with a carrier carrying the reforming catalyst. 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, A ceramic, a refractory metal such as alumina (Al 2 O 3 ), 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)에의한 개질기 가열온도가 낮은 경우, 상기 개질기(Reformer)(430)의 흡열반응에 의한 개질반응이 잘 진행되지 않으며 수분(물방울)이 상기 개질기(Reformer)(430) 내에 발생할 수 있다. 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 430 is heated by the combustor 440 at a low temperature, the reforming reaction by the endothermic reaction of the reformer 430 does not proceed well and moisture (water droplets) may be generated in the reformer 430 have. 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.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(200)에 있어서, 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 연료로 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 may be connected to the raw material pretreated by the raw material processing unit 410 and the raw material of the fuel cell 210 to improve the efficiency of the entire system. In the fuel cell system 200 according to an embodiment of the present invention, The exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell stack, or a mixture of the two can be used as the fuel. 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 연료와 스팀(H20)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 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 (Reformer) (430) has an optimum temperature by the conditions such as the reformer (Reformer) (430) configuration, and mixing ratio of the fuel and steam (H 2 0) pre-treatment in the raw material processing unit 410 of the The range changes. 2), the control unit 250 controls the amount of combustion of the combustor 440 by using a 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 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∼20 ppm 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 배출되는 가스 중 일산화탄소(CO)만을 연소시켜 제거하는 선택적산화반응기(Preferential Oxidation, PROX), 또는 일산화탄소(CO)를 수소(H2)와 반응시켜 그 농도를 저감시키는 메탄화반응기를 포함할 수 있다. 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), which receives air from an air supply unit and burns only the carbon monoxide (CO) in the gas discharged from the low temperature aqueous gasification reactor (LTS) H 2 ) to reduce the concentration thereof.

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 연료전지 시스템의 제2실시예를 설명하기 위한 구성도, 도 6은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제1실시예에 따른 구성도, 도 7은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제2실시예에 따른 구성도, 도 8은 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제3실시예에 따른 구성도, 도 9는 도 5의 연료전지 시스템에 대한 제4실시예에 따른 구성도이다. 여기서, 도 1 및 도 4와 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용한다.FIG. 5 is a configuration diagram for explaining a second embodiment of the fuel cell system of the present invention, FIG. 6 is a configuration diagram of the fuel cell system of FIG. 5 according to the first embodiment, Fig. 8 is a configuration diagram according to the third embodiment of the fuel cell system of Fig. 5, and Fig. 9 is a configuration diagram according to the fourth embodiment of the fuel cell system of Fig. to be. 1 and 4, the same reference numerals are used.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제1실시예는 배기가스 처리부(270)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 6, the first embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention may include an exhaust gas processing unit 270.

상기 배기가스 처리부(270)는 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)으로부터 배출되는 배기가스를 전처리하여 배출한다. 상기 연료전지(210)가 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같은 고온형 연료전지일 경우, 상기 배기가스 처리부(270)는 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)에서 배출되는 고온의 배기가스, 예를 들어 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 잔여물질과 부생성물인 스팀(H20)을 전처리하여 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)으로 재공급할 수 있다.The exhaust gas processing unit 270 preprocesses the exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell 210 and discharges the exhaust gas. When the fuel cell 210 is a high-temperature type fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC), the exhaust gas processing unit 270 is connected to the high-temperature exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell 210 The anode 213 of the fuel cell 210 can be pre-treated with residual gas such as carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) and steam (H 2 0) have.

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)와 같은 저온형 연료전지일 경우 일산화탄소(CO)는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지(210)의 수명을 감소시킬 수 있다. 이에 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이기 위해, 상기 배기가스 처리부(270)는 수소가스화반응기(WGS, 271)를 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 low-temperature type fuel cell such as a PEMFC, carbon monoxide (CO) poisoning the electrode catalyst of the fuel cell stack of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) The life span can be reduced. In order to reduce the concentration of carbon monoxide (CO), the exhaust gas treatment unit 270 may include a hydrogen gasification reactor (WGS) 271.

상기 수성가스화반응기(WGS)(271)는 상기 연료전지 연료극에서 배출되는 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H20)을 반응시켜 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 생산할 수 있다. 상기 수성가스화반응기(WGS)(271)는 도 4에 도시한 바와 같이 고온 수성가스화반응기(HTS)와 저온 수성가스화반응기(LTS)를 포함하여 구현될 수 있다.The water gasification reactor (WGS) 271 reacts carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell fuel electrode to produce carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) . The water gasification reactor (WGS) 271 may be realized by including a high temperature aqueous gasification reactor (HTS) and a low temperature aqueous gasification reactor (LTS) as shown in FIG.

상기 배기가스 처리부(270)는 전처리한 배기가스를 상기 연료전지의 연료극(anode)(213)에 재공급한다. 상기 상기 배기가스 처리부(270)는 상기 수성가스화반응기(WGS)(271)에서 일산화탄소(CO)와 스팀(H20)을 반응시켜 생산된 이산화탄소(CO2)와 수소(H2)를 상기 연료전지의 연료극(anode)(213)에 재공급할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제2실시에에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지의 연료극(anode)(213)에서 배출되는 배기가스를 상기 배기가스 처리부(270)에 처리하여 연료극(anode)(213)에 재공급하도록 구현됨으로써, 잔여물질과 부생성물의 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.The exhaust gas treatment unit 270 supplies the pretreated exhaust gas to the anode 213 of the fuel cell. The exhaust gas treatment unit 270 is configured to react the carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) produced by reacting carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) in the aqueous gasification reactor (WGS) It can be re-supplied to the anode 213 of the battery. Accordingly, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention processes the exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell to the exhaust gas processing unit 270 to form the anode electrode 213), thereby contributing to reduction of environmental pollution due to an increase of residual substances and by-products.

도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 상기 공기극(cathode)(211)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(280)을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시에에 있어서, 연료전지(210)는 고체산화물 연료전지(SOFC)일 수 있다.Referring to FIG. 7, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention may further include an air supply line 280 for supplying air to the cathode 211. In a second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention, the fuel cell 210 may be a solid oxide fuel cell (SOFC).

이 경우, 상기 배기가스 처리부(270)는 상기 연료전지로부터 배출되는 배기가스 및 상기 연료전지로 유입되는 공기를 열교환시키기 위한 제1열교환기(272)를 포함할 수 있다.In this case, the exhaust gas treatment unit 270 may include a first heat exchanger 272 for exchanging heat between exhaust gas discharged from the fuel cell and air introduced into the fuel cell.

상기 공기공급라인(280)은 상기 연료전지의 공기극(cathode)(211)으로 공기를 공급한다. 이를 위해, 상기 공기공급라인(280)은 상기 연료전지의 공기극(cathode)(211) 및 상기 공기공급부(130)를 연결할 수 있다. 상기 공기공급라인(280)을 통해 상기 연료전지의 공기극(cathode)(211)으로 공급되는 공기는 상기 연료전지의 연료극(anode)(213)으로부터 배출되는 배기가스와 열교환 될 수 있다.The air supply line 280 supplies air to the cathode 211 of the fuel cell. The air supply line 280 may connect the cathode 211 and the air supply unit 130 of the fuel cell. The air supplied to the cathode 211 of the fuel cell through the air supply line 280 may be heat-exchanged with the exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell.

상기 제1열교환기(272)는 생기 배기가스 처리부(270)로부터 배출되는 고온의 배기가스를 상기 공기공급라인(280)을 통해 공기 공급부(130)에서 공급되는 공기로 냉각시킨다. 예를 들어, 고체산화물 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)에서 배출되는 고온의 배기가스의 온도는 약 800 ~ 1000℃이다. 상기 제1 열교환기(272)를 통과한 배기가스의 온도는 약 100 ~ 400℃가 된다. 상기 제1열교환기(272)는 상기 수성가스화반응기(WGS, 271)를 통과한 300 ~ 500℃의 배기가스를 상기 공기공급라인(280)을 통해 공급되는 공기를 이용하여 냉각시킬 수 있다. 이 경우, 상기 공기공급라인(280)을 통해 공급되는 공기는 가열될 수 있다.The first heat exchanger 272 cools the hot exhaust gas discharged from the fresh air exhaust gas processing unit 270 into air supplied from the air supply unit 130 through the air supply line 280. For example, the temperature of the hot exhaust gas discharged from the anode 213 of the solid oxide fuel cell 210 is about 800 to 1000 占 폚. The temperature of the exhaust gas passing through the first heat exchanger 272 is about 100 to 400 ° C. The first heat exchanger 272 can cool the exhaust gas at 300 to 500 ° C. passing through the water gasification reactor (WGS) 271 using the air supplied through the air supply line 280. In this case, the air supplied through the air supply line 280 may be heated.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제2실시예는 고온의 배기가스의 폐열을 이용하여 상기 공기공급라인(280)의 공기를 가열할 수 있도록 구현됨에 따라, 상기 연료전지의 폐열이 낭비되는 것을 방지하고 상기 연료전지에 가열된 공기를 공급함으로써 상기 연료전지가 일정한 온도로 운전되도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)의 제2실시예는 상기 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.Accordingly, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is configured to heat the air in the air supply line 280 using the waste heat of the high-temperature exhaust gas, The waste heat of the fuel cell can be prevented from being wasted and the fuel cell can be operated at a constant temperature by supplying heated air to the fuel cell. Therefore, the second embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention can contribute to preventing the energy efficiency of the fuel cell from being lowered.

도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 응축기(273), 압축기(274), 및 수소분리기(275)를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시에에 있어서, 연료전지(210)는 고체산화물 연료전지(SOFC)일 수 있다.8, a third embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention may further include a condenser 273, a compressor 274, and a hydrogen separator 275. [ In a third embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention, the fuel cell 210 may be a solid oxide fuel cell (SOFC).

상기 응축기(273)는 상기 제1열교환기(273)와 연결된다. 상기 응축기(273)는 상기 제1열교환기(273)를 통과한 배기가스를 상기 연료전지의 연료극(anode)(213)으로 재공급한다. 예컨대, 상기 응축기(273)를 통과한 배기가스는 상기 제1열교환기(273), 압축기(compressor, 274) 및 수소분리기(275)를 거쳐 연료화되어 상기 연료전지의 연료극(anode)(213)으로 재공급될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제3실시예는 연료전지의 연료극(anode)(213)에서 배출되는 배기가스를 연료극(anode)(213)에 재공급하도록 구현됨으로써, 잔여물질과 부생성물의 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 더 기여할 수 있다.The condenser 273 is connected to the first heat exchanger 273. The condenser 273 re-supplies the exhaust gas that has passed through the first heat exchanger 273 to the anode 213 of the fuel cell. For example, the exhaust gas having passed through the condenser 273 is converted into fuel through the first heat exchanger 273, the compressor 274, and the hydrogen separator 275 to be supplied to the anode 213 of the fuel cell Can be re-supplied. Accordingly, the third embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention is implemented to re-supply the exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell to the anode 213, It can further contribute to reducing environmental pollution due to the increase of residual substances and by-products.

도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 대한 제4실시예는 LNG 증발기(411), 기화기(413), 및 제2열교환기(421)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템(200)에 대한 제4실시에에 있어서, 연료전지(210)는 고체산화물 연료전지(SOFC)일 수 있다.Referring to FIG. 9, the fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention may include an LNG evaporator 411, a vaporizer 413, and a second heat exchanger 421. In a fourth embodiment of the fuel cell system 200 according to the present invention, the fuel cell 210 may be a solid oxide fuel cell (SOFC).

상기 LNG 증발기(411)는 LNG 저장탱크에서 공급되는 액화천연가스 등의 원료를 증발시킨다. 상기 LNG 증발기(411)는 기화된 원료를 상기 개질기(430)에 공급한다. 이 경우, 상기 개질기(430)는 개질반응을 통해 기화된 원료를 연료화 함으로써, 상기 연료전지의 연료극(213)에 공급할 수 있다.The LNG evaporator 411 evaporates raw materials such as liquefied natural gas from the LNG storage tank. The LNG evaporator 411 supplies the vaporized raw material to the reformer 430. In this case, the reformer 430 can supply fuel to the fuel electrode 213 of the fuel cell by reforming the vaporized raw material through the reforming reaction.

상기 기화기(413)는 상기 LNG 증발기(411)내에 설치된다. 상기 기화기(413)는 상기 연소기(440)로부터 발생되는 폐열에 의해 발열한다. 예컨대, 상기 기화기(413)는 상기 연소기(440)로부터 배출되는 고온의 배기가스를 열원으로 사용하여 상기 LNG 증발기(411)에 공급된 원료를 기화시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연소기(440)의 배기가스를 기화기(413)에 사용하도록 구현됨으로써, 연소기의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.The vaporizer 413 is installed in the LNG evaporator 411. The carburetor 413 generates heat by the waste heat generated from the combustor 440. For example, the vaporizer 413 can vaporize the raw material supplied to the LNG evaporator 411 using the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 440 as a heat source. Accordingly, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured to use the exhaust gas of the combustor 440 for the vaporizer 413, so that the waste heat generated from the exhaust gas of the combustor is wasted, Thereby contributing to prevention of deterioration of the energy efficiency of the battery.

여기서, 상기 연소기(440)는 상기 연료전지의 공기극(cathode)(211)에서 배출되는 잔여물질 또는 부생성물을 공급받아 연소반응에 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 연료전지의 공기극(cathode)(211)을 통해 배출되는 잔여 O2는 상기 연소기(440)에 공급되어 상기 원료를 연소시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연료전지의 공기극(cathode)(211)에서 배출되는 잔여 O2를 연소기(440)에 공급하도록 구현됨으로써, 상기 연소기에 공급되는 외부 공급 공기량을 줄여 시스템의 효율을 높이도록 기여할 수 있다.Here, the combustor 440 may be supplied with residual substances or by-products discharged from the cathode 211 of the fuel cell and may be used for the combustion reaction. For example, the residual O 2 discharged through the cathode 211 of the fuel cell may be supplied to the combustor 440 and used to combust the raw material. Therefore, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured to supply the remaining O 2 discharged from the cathode 211 of the fuel cell to the combustor 440, It can contribute to increase the efficiency of the system by reducing the external supply air amount.

상기 제2열교환기(421)는 상기 원료수 공급부(120)로부터 공급되는 원료수와 상기 LNG 증발기(411)로부터 유입되는 폐열을 열교환시킨다. 예컨대, 상기 제2열교환기(421)는 상기 연소기(440)에서 배출되어 상기 기화기(413)를 통과한 배기가스와 상기 원료수 공급부에서 공급된 원료수를 열교환시킨다. 한편, 상기 제2열교환기(421)를 통과하면서 가열된 원료수는 스팀이나 가열된 물의 형태로 상기 개질기(430)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 시스템(200)은 연소기(440)의 배기가스를 개질기(430)에서 필요한 연료를 기화시키거나 스팀 생성이나 물을 가열하도록 구현됨으로써, 연소기의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지 시스템의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.The second heat exchanger 421 exchanges heat between the raw water supplied from the raw water supply unit 120 and the waste heat flowing from the LNG evaporator 411. For example, the second heat exchanger 421 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the combustor 440 and the vaporizer 413, and the raw water supplied from the raw water supply unit. Meanwhile, the raw material water heated while passing through the second heat exchanger 421 may be supplied to the reformer 430 in the form of steam or heated water. Accordingly, the fuel cell system 200 according to the second embodiment of the present invention is configured to vaporize the exhaust gas of the combustor 440 in the reformer 430, or to generate steam or to heat water, The waste heat generated from the exhaust gas is wasted, thereby contributing to preventing the energy efficiency of the fuel cell system from deteriorating.

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 상술한 연료전지 시스템(200)을 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 연료전지(210), 배기가스 처리부(270), 및 수소생성부(400)를 포함한다. 상기 연료전지 시스템(200)은 상기 연료전지(210), 상기 배기가스 처리부(270), 및 상기 수소생성부(400)등을 포함한 모든 구성의 동작을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 구현될 수도 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 the fuel cell system 200 described above. The fuel cell system 200 includes a fuel cell 210, an exhaust gas processing unit 270, and a hydrogen generation unit 400. The fuel cell system 200 includes a control unit 250 for controlling operations of all the configurations including the fuel cell 210, the exhaust gas processing unit 270, and the hydrogen generating unit 400 It is possible.

상기 연료전지(210)는 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 또는 직접메탄올 연료전지(DMFC) 중에서 선택된 연료전지일 수 있다. The fuel cell 210 may be an alkaline fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) And may be a fuel cell selected from batteries (DMFC).

상기 배기가스 처리부(270)는 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)으로부터 배출되는 배기가스를 전처리하여 상기 연료전지(210)의 연료극(anode)(213)으로 재공급할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(900)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.The exhaust gas processing unit 270 may pre-process the exhaust gas discharged from the anode 213 of the fuel cell 210 and re-supply the exhaust gas to the anode 213 of the fuel cell 210. Accordingly, the ship 900 according to the present invention can achieve the following operational effects.

첫째, 본 발명에 따른 선박(900)은 연료전지의 공기극(cathode)(211)에서 배출되는 잔여물질 또는 부생성물을 연소기로 공급하여 연소반응에 사용하도록 구현됨으로써, 연소기에 공급되는 외부 공급 공기량을 줄여 시스템의 효율을 높이도록 기여할 수 있다.First, the ship 900 according to the present invention is implemented to supply residual materials or by-products discharged from a cathode 211 of a fuel cell to a combustor for use in a combustion reaction, thereby reducing the amount of external supply air supplied to the combustor Which can contribute to increasing the efficiency of the system.

둘째, 본 발명에 따른 선박(900)은 연료전지 연료극(anode)(213)에서 배출되는 배기가스를 연료전지의 연료극(anode)(213)에 재공급하도록 구현됨으로써, 잔여물질과 부생성물의 증가로 인한 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.Second, the ship 900 according to the present invention is adapted to re-supply the exhaust gas discharged from the fuel cell anode 213 to the anode 213 of the fuel cell, thereby increasing the amount of residual substances and by- Which can contribute to reducing environmental pollution caused by water.

셋째, 본 발명에 따른 선박(900)은 연소기(440)의 배기가스를 기화기(413) 및 제2열교환기(421)에 사용하도록 구현됨으로써, 연소기의 배기가스로부터 발생되는 폐열이 낭비됨에 따라 연료전지 시스템의 에너지 효율이 저하되는 것을 방지하는데 기여할 수 있다.Third, the ship 900 according to the present invention is configured to use the exhaust gas of the combustor 440 in the vaporizer 413 and the second heat exchanger 421, so that the waste heat generated from the exhaust gas of the combustor is wasted, Thereby contributing to prevention of deterioration of the energy efficiency of the battery system.

도 1 내지 도 10을 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 공급부(110)가 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.Referring to FIGS. 1 to 10, 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 a propulsive force for moving the hull 910 and a material supply unit 110 for supplying the material to the engine. For example, the raw material is a hydrocarbon-based material, and it is an LNG (liquefied natural gas), LPG (liquefied petroleum gas), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), gasoline, dimethyl ether, methane gas, And liquid raw materials having a relatively high molecular weight such as marine gas oil (MGO), marine diesel oil (MDO), and heavy fuel oil (HFO).

상기 선체(910)에는 상기 수소생성부(400)의 개질반응에 필요한 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 supply part 120 for supplying the raw water necessary for the reforming reaction of the hydrogen generating part 400. 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 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 compressing the external air.

상기 선체(910)에는 상기 연료전지 시스템(200)에서 나오는 직류전압(DC)을 교류전압(AC)으로 변환하는 전력변환부(140)가 설치된다. 상기 전력변환부(140)는 상기 연료전지 시스템(200)으로부터 공급된 전기를 전력부하로 배출한다. 전력부하는, 예를 들어 선박의 경우 선박의 기본 전기설비 및 화물계통 전기설비 등과 같은 선박 내 전기설비일 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 전력변환부(140)는 에너지 저장장치, 예를 들어 배터리로 전기를 배출하도록 구현될 수도 있다. The hull 910 is provided with a power conversion unit 140 for converting the DC voltage DC from the fuel cell system 200 into an AC voltage AC. The power conversion unit 140 discharges the electric power supplied from the fuel cell system 200 to the electric power load. The electric power load may be, for example, in-ship electrical equipment such as a ship's basic electrical equipment and cargo-system electrical equipment in the case of a ship. Although not shown, the power conversion unit 140 may be implemented to discharge 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 250: 제어부
270: 배기가스 처리부 400: 수소생성부100: Power generation system
110: raw material supply part 120: raw material water supply part
130: air supply unit 140: power conversion unit
200: Fuel cell system
210: fuel cell 250:
270: exhaust gas treatment section 400: hydrogen generation section

Claims (7)

선박으로서,
원료를 공급하기 위한 원료 공급부;
원료수를 공급하기 위한 원료수 공급부;
상기 원료 공급부로부터 공급되는 원료 및 상기 원료수 공급부로부터 공급되는 원료수를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및
상기 연료전지 시스템에서 출력되는 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 전력변환부를 포함하고,
상기 연료전지 시스템은,
수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 유입되며, 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 전처리하고, 전처리한 배기가스를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 재공급하는 배기가스 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.As a vessel,
A raw material supply unit for supplying the raw material;
A raw water supply part for supplying raw water;
A fuel cell system for generating electricity using raw material supplied from the raw material supply unit and raw material water supplied from the raw water supply unit; And
And a power conversion unit for converting a direct current (DC) output from the fuel cell system into an alternating current (AC)
The fuel cell system includes:
A hydrogen generator for generating a fuel containing hydrogen;
And an electrolyte formed between the anode and the cathode to supply the fuel containing hydrogen from the hydrogen generator to the anode, the cathode, and the electrolyte to discharge the exhaust gas. Producing fuel cells; And
And an exhaust gas processing unit for pretreating the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell and re-supplying the pretreated exhaust gas to the anode of the fuel cell. 수소를 포함하는 연료를 생성하는 수소생성부;
상기 수소생성부로부터 수소를 포함하는 연료가 유입되며, 배기가스를 배출하는 연료극(anode), 공기극(cathode), 및 상기 연료극(anode)과 공기극(cathode) 사이에 형성되는 전해질을 포함하여 전기를 생산하는 연료전지; 및
상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스를 전처리하고, 전처리한 배기가스를 상기 연료전지의 연료극(anode)으로 재공급하는 배기가스 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.A hydrogen generator for generating a fuel containing hydrogen;
And an electrolyte formed between the anode and the cathode to supply the fuel containing hydrogen from the hydrogen generator to the anode, the cathode, and the electrolyte to discharge the exhaust gas. Producing fuel cells; And
And an exhaust gas processing unit for pretreating the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell and re-supplying the pretreated exhaust gas to the anode of the fuel cell. 제2항에 있어서,
상기 연료전지의 공기극(cathode)으로 공기를 공급하는 공기공급라인을 포함하고,
상기 배기가스 처리부는 배기가스에 포함된 일산화탄소(CO)의 농도를 줄이는 수성가스화반응기, 및 상기 연료전지의 연료극(anode)으로부터 배출되는 배기가스와 상기 공기공급라인을 통해 연료전지의 공기극(cathode)으로 유입되는 공기를 열교환시키는 제1열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.3. The method of claim 2,
And an air supply line for supplying air to the cathode of the fuel cell,
Wherein the exhaust gas treatment unit comprises an aqueous gasification reactor for reducing the concentration of carbon monoxide (CO) contained in the exhaust gas, and an exhaust gas treatment unit for recovering the cathode of the fuel cell through the exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell, And a first heat exchanger for exchanging heat with air flowing into the fuel cell system. 제3항에 있어서,
상기 원료 처리부는 LNG 저장탱크에서 공급되는 원료를 증발시키는 LNG 증발기와 상기 LNG 증발기 내에 설치되는 기화기를 포함하고,
상기 기화기는 상기 수소생성부가 갖는 연소기에서 배출되는 배기가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Wherein the raw material treatment section includes an LNG evaporator for evaporating the raw material supplied from the LNG storage tank and a vaporizer installed in the LNG evaporator,
Wherein the vaporizer uses exhaust gas discharged from a combustor having the hydrogen generator. 제3항에 있어서,
상기 제1열교환기를 통과한 배기가스를 응축하기 위한 응축기;
상기 응축기를 통과한 배기가스를 압축하는 상기 압축기; 및
상기 압축기에서 압축된 배기가스를 연료로 분리하는 상기 수소분리기를 포함하고,
상기 수소분리기에서 분리된 연료를 상기 연료극(anode)으로 재공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
A condenser for condensing the exhaust gas passed through the first heat exchanger;
The compressor for compressing the exhaust gas passing through the condenser; And
And the hydrogen separator separating the exhaust gas compressed in the compressor into fuel,
And the fuel separated from the hydrogen separator is supplied again to the anode. 제4항에 있어서,
상기 수소생성부가 갖는 연소기는 상기 연료전지의 공기극(cathode)에서 배출되는 미반응 잔여물질 또는 부생성물을 공급받아 연소반응에 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.5. The method of claim 4,
Wherein the combustor having the hydrogen generating unit is supplied with an unreacted remaining substance or by-product discharged from the cathode of the fuel cell and is used for the combustion reaction. 제5항에 있어서,
상기 수소생성부는 원료수를 전처리하는 원료수 처리부, 원료를 전처리하는 원료 처리부, 상기 원료 처리부에서 전처리된 원료와 스팀을 개질반응시키는 개질기, 및 상기 개질기를 가열하기 위한 연소기를 포함하고,
상기 원료수 처리부는 상기 응축기를 통과한 연료전지 배기가스와 상기 기화기를 통과한 연소기 배기가스를 열교환시키는 제2열교환기를 포함하며,
상기 개질기에 공급되는 스팀(H2O)은 상기 연소기 배기가스가 상기 제2열교환기를 통과하면서 상기 원료수를 가열하여 생성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.6. The method of claim 5,
The hydrogen generator includes a raw water treatment unit for pretreating the raw water, a raw material treatment unit for pretreating the raw material, a reformer for reforming the raw material pretreated in the raw material treatment unit, and a combustor for heating the reformer,
The raw water water treatment section includes a second heat exchanger for exchanging heat between the fuel cell exhaust gas passing through the condenser and the combustor exhaust gas passing through the vaporizer,
And steam (H 2 O) supplied to the reformer is generated by heating the raw water while passing the combustor exhaust gas through the second heat exchanger.
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