KR20200067668A - 하이브리드 선박 - Google Patents

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Abstract

불활성 기체를 이용하여 아크에 의한 위험을 방지하는 하이브리드 선박이 제공된다. 하이브리드 선박은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지; 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리; 제1 전력과 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 선박의 운항 계획에 따라 선박을 추진시키는 추진부; 및 추진부에 적어도 하나의 전력이 공급되는 것을 차단하며, 적어도 하나의 전력을 차단할 때에 불활성 기체를 접점에 분사하여 아크를 방지하는 전력 차단 장치를 포함한다.

Description

하이브리드 선박 {Hybrid ship}
본 발명은 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 하이브리드 발전 시스템을 구비하는 선박에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료(예를 들어, 수소, 천연가스 등)의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이러한 연료 전지는 대기오염 물질을 거의 배출하지 않기 때문에, 친환경적인 에너지로 각광을 받고 있다.
선박의 전력원으로 연료 전지 시스템을 이용할 경우, 해양에서도 오염 물질을 저감시키는 것이 가능해지며, 높은 열효율로 인한 에너지 절감 효과도 얻을 수 있다. 그래서 오늘날 세계 각국에서는 친환경 선박으로 연료 전지 시스템을 이용하는 선박을 개발하는 데에 박차를 가하고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0049845호 (공개일: 2017.05.11.)
연료 전지 시스템을 전력원으로 이용하는 선박의 경우, 비상시 전력원으로 이용하기 위해, 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 전기로 충전될 수 있는 배터리 시스템을 구비하여, 하이브리드 선박으로 구축될 수 있다.
그런데 하이브리드 선박에서 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 조합하여 이용하는 경우, 전력 차단을 위한 수단으로 DC 전력 차단기를 이용하기 때문에, 아크가 발생할 가능성이 높다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 불활성 기체(inert gas)를 이용하여 아크에 의한 위험을 방지하는 하이브리드 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 선박의 일 면(aspect)은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지; 상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리; 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부; 및 상기 추진부에 상기 적어도 하나의 전력이 공급되는 것을 차단하며, 상기 적어도 하나의 전력을 차단할 때에 불활성 기체(inert gas)를 접점에 분사하여 아크(arc)를 방지하는 전력 차단 장치를 포함한다.
상기 전력 차단 장치는 산소 농도가 기준치 이하인 저농도 산소 가스를 상기 불활성 기체로 이용할 수 있다.
상기 전력 차단 장치는 상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 오프 가스(cathode off gas)를 상기 저농도 산소 가스로 이용할 수 있다.
상기 전력 차단 장치는 상기 연료 전지와 상기 추진부를 연결하는 전력 배선 상에 구비되거나, 상기 전력 배선 상에 위치하는 스위치에 연결되도록 구비될 수 있다.
상기 전력 차단 장치는, 상기 추진부에 상기 적어도 하나의 전력이 공급되는 것을 차단하는 전력 차단부; 상기 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스(off gas)에서 수분을 제거하는 제습기; 및 상기 적어도 하나의 전력이 차단될 때에 상기 오프 가스를 상기 불활성 기체로 접점에 분사하며, 상기 적어도 하나의 전력이 차단되지 않을 때에 상기 전력 차단부의 내부를 상기 오프 가스로 채우는 가스 인젝터(gas injector)를 포함할 수 있다.
상기 전력 차단 장치는, 상기 오프 가스에서 산소를 분리하는 산소 분리부를 더 포함하며, 상기 제습기는 산소가 분리된 상기 오프 가스에서 수분을 제거할 수 있다.
상기 가스 인젝터는 상기 배터리를 내장하는 배터리 룸(battery room)에 화재가 발생하는 경우 상기 배터리 룸의 내부를 상기 오프 가스로 채울 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 3 및 도 4는 평상시 전력부와 배전부의 동작 상태를 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 6은 하이브리드 선박에 구비되는 전력 차단 장치의 제1 실시 형태에 따른 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 전력 차단 장치에 구비되는 전력 차단부가 배전부 내에 형성되는 위치를 설명하기 위한 제1 예시도이다.
도 8은 전력 차단 장치에 구비되는 전력 차단부가 배전부 내에 형성되는 위치를 설명하기 위한 제2 예시도이다.
도 9는 하이브리드 선박에 구비되는 전력 차단 장치의 제2 실시 형태에 따른 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성요소들과 다른 소자 또는 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
본 실시예에서 하이브리드 선박(hybrid ship; 10)은 복수개의 발전 시스템을 전력원으로 이용하는 선박을 말한다. 일례로 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 전력원으로 이용할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템(fuel cell system)과 배터리 시스템(battery system) 외에 태양광 시스템을 전력원으로 더 이용하는 것도 가능하다.
도 1에 따르면, 하이브리드 선박(10)은 선체(100), 연료 탱크(200), 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500), 부하 장비(600) 및 제어부(800)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료 탱크(200)는 선체(100)의 내부에 구비되어 선체(100)에 추진력을 공급하는 데에 이용되는 연료를 저장하는 역할을 한다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스(LNG))일 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 기체 연료(예를 들어, 수소)인 것도 가능하다.
연료 탱크(200)는 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있다. 연료 탱크(200)가 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비되는 경우, 몇몇은 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스)를 저장할 수 있으며, 몇몇은 기체 연료(예를 들어, 수소)를 저장할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
전력부(300)는 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전력을 공급하는 역할을 한다. 전력부(300)는 이를 위해 전력을 생산하거나 저장할 수 있으며, 생산 또는 저장된 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다.
전력부(300)는 본 실시예에서 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스(BOG; Boil Off Gas)를 이용하여 제1 전력을 생산할 수 있으며, 이 제1 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 전지 시스템은 별도의 탱크(또는 연료 탱크(200))에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다.
배터리 시스템은 제2 전력을 저장하며, 이 제2 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 배터리 시스템은 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 전력을 제2 전력으로 저장할 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
배전부(400)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전달하는 역할을 한다. 배전부(400)는 이를 위해 배선, 스위치(switch), 컨버터(converter) 등을 포함할 수 있다.
추진부(500)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력으로 추진력을 발생시키는 역할을 한다. 선체(100)는 이러한 추진부(500)의 추진력으로 해상에서 항해하는 것이 가능해진다.
부하 장비(600)는 평상시 선내 유지를 위한 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 부하 장비(600)는 콘센트 형태의 것을 포함하는 장치로 구현될 수 있다. 상기에서 선내 유지를 위한 각종 장비는 선박 운항에 필요한 장비로서, 배수 설비용 펌프, 연료 공급용 펌프, 블로워(blower), 공조 장치, 전등, GPS 수신기, 레이더 장치, 선박 자동 식별 장치, 자기 나침반, 무선 설비, 선박 위치 발신 장치 등이 이에 해당될 수 있다.
부하 장비(600)는 직류 전원, 교류 전원 등을 장비에 공급하여 선내 유지가 이루어지도록 할 수 있다. 이때 부하 장비(600)는 직류 전원으로 12V DC, 24V DC 등을 장비에 공급할 수 있으며, 교류 전원으로 220V AC 등을 장비에 공급할 수 있다.
부하 장비(600)는 전력부(300)를 제어하기 위한 제어 장비(미도시)를 포함할 수 있다. 부하 장비(600)는 제어 장비로 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 에너지 관리 시스템(Energy Management System), 전력 관리 시스템(Power Management System) 등을 포함할 수 있다.
제어부(800)는 전력 전달 방해 요인을 감지하고, 전력부(300) 및 배전부(400)에 구비되는 스위치를 제어하는 역할을 한다.
제어부(800)는 부하 장비(600)에 포함될 수 있으며, 부하 장비(600)와 별도로 구비되는 것도 가능하다. 제어부(800)는 부하 장비(600)와 별도로 구비되는 경우, 전력부(300)를 통하여 전력을 공급받거나 별도의 전력을 공급받을 수도 있다.
이하, 도 2를 통하여 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500) 및 부하 장비(600)의 세부 구성을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 2에 따르면, 전력부(300)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322), 제1 DC/DC 컨버터(331), 제2 DC/DC 컨버터(332), 제3 DC/DC 컨버터(333) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2의 예시에서는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등 두 개의 배터리 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 배터리 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
마찬가지로, 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등 두 개의 연료 전지 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 연료 전지 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 제2 전력을 저장하고, 저장된 제2 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 한다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)의 제2 전력은 각각 제1 DC/DC 컨버터(331) 및 제3 DC/DC 컨버터(333)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)로부터 공급된 제1 전력을 이용하여 충전될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 별도의 경로를 통하여 공급되는 전력을 이용하여 충전되는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스로 제1 전력을 생산할 수 있으며, 생산된 제1 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 할 수 있다. 앞서 설명한 바 있지만, 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 별도의 탱크에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)의 제1 전력은 제2 DC/DC 컨버터(332) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
배전부(400)는 배전반(DC main SWBD; 410) 및 제1 DC/AC 컨버터(421)를 포함할 수 있다.
배전반(410)은 전력부(300)의 전력이 유입되면 이를 추진부(500)와 부하 장비(600)로 공급하는 역할을 한다. 배전반(410)은 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있으며, 스위치를 통해 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 DC/AC 컨버터(421)는 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 제1 DC/AC 컨버터(421)는 평상시 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 부하 장비(600)는 제1 DC/AC 컨버터(421)로부터 공급되는 교류 전력을 자신에 맞게 변환하여 이용할 수 있다.
추진부(500)는 두 개의 추진 모터(AC motor; 510, 520)와 두 개의 DC/AC 컨버터(511, 521)를 포함할 수 있다. 추진부(500)에 구비되는 추진 모터와 DC/AC 컨버터의 개수는 한 개이거나 세 개 이상인 것도 가능하다.
제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)는 배전반(410)을 통해 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 그리고 추진 모터(510, 520)는 제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)로부터 공급되는 교류 전력을 이용하여 추진력을 발생시키는 역할을 한다.
부하 장비(600)는 선내 유지를 위한 동작을 수행할 수 있다. 선내에는 서로 다른 전력을 이용하는 다양한 장비가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620) 및 제3 부하 장비(630)는 각각 직류 12V(12V DC), 직류 24V(24V DC) 및 교류 220V(220V AC)를 이용하는 장비일 수 있다. 배전부(400)로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위해, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620) 등에는 AC/DC 컨버터(611, 621)가 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4는 평상시 전력부와 배전부의 동작 상태를 보여주는 예시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전력부(300)의 전력은 배전부(400)를 통하여 추진부(500) 및 부하 장비(600)로 공급될 수 있다.
배전부(400)에는 배전반(410)의 배전 스위치(411)를 중심으로 양측에 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)가 구비될 수 있는데, 도 3에 도시된 바와 같이 제4 스위치(SW4)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 제5 스위치(SW5)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급되는 것도 가능하다.
제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5)는 인터로크(interlock) 관계를 형성한다. 따라서 제4 스위치(SW4)가 닫힘 상태(closed)가 되면, 제5 스위치(SW5)는 열림 상태(open)가 된다. 반대로 제4 스위치(SW4)가 열림 상태가 되면, 제5 스위치(SW5)는 닫힘 상태가 된다.
효율적인 운전 및 유지 보수를 위하여 배전 스위치(411), 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)의 동작에 따라 제1 배터리(311) 및 제1 연료 전지(321)의 전력만이 부하 장비(600)로 공급되도록 하거나, 제2 배터리(312) 및 제2 연료 전지(322)의 전력만이 부하 장비(600)로 공급되도록 할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)의 전력이 모두 부하 장비(600)로 공급되도록 하는 것도 가능하다.
이상 도 1 내지 도 4에서는 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 발전 계통으로 이용하는 하이브리드 선박(10)에 대하여 설명하였다.
하이브리드 선박(10)이 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 발전 계통으로 이용하는 경우, 전력 차단을 위한 수단으로 DC 전력 차단기를 이용한다. 그런데 DC 전력 차단기는 AC 전력 차단기와 달리 아크(arc)가 발생할 가능성이 높다.
이하에서는 불활성 기체(inert gas)를 이용하여 아크에 의한 위험을 방지하는 DC 전력 차단기에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5에 따르면, 하이브리드 선박(10)은 전력 차단 장치(900)를 더 포함할 수 있다.
전력 차단 장치(900)는 연료 전지 시스템(예를 들어, 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등)과 배터리 시스템(예를 들어, 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등)으로부터 하이브리드 선박(10)에 구비되는 각종 장비(예를 들어, 추진부(500), 부하 장치(600) 등)로 DC 전력이 공급되는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 이러한 전력 차단 장치(900)는 DC 전력의 공급을 차단할 때에 불활성 기체를 이용하여 아크에 의한 위험을 방지하는 것을 특징으로 한다.
전력 차단 장치(900)는 연료 전지 시스템으로부터 배출되는 오프 가스(예를 들어, 캐소드 오프 가스(cathode off gas))를 불활성 기체로 이용할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 차단 장치(900)는 외부에서 별도로 생성된 헬륨 기체, 아르곤 기체 등을 불활성 기체로 이용하는 것도 가능하다.
전력 차단 장치(900)는 배전부(400) 내에 구비될 수 있다. 이때 전력 차단 장치(900)는 배전부(400) 내에서 전력부(300)와 추진부(500), 전력부(300)와 부하 장비(600) 등을 연결하는 배선 상에 구비될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 차단 장치(900)는 배전부(400) 내에 위치하는 스위치(제4 스위치(SW4) 내지 제11 스위치(SW11))에 연결되어 구비되는 것도 가능하다.
전력 차단 장치(900)는 전력부(300) 내에 구비될 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
전력 차단 장치(900)는 도 6에 도시된 바와 같이 제습기(910), 가스 인젝터(gas injector; 920), 제어기(930) 및 전력 차단부(940)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 6은 하이브리드 선박에 구비되는 전력 차단 장치의 제1 실시 형태에 따른 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 6을 참조한다.
연료 전지(1010)는 수소 기체를 이용하여 전력을 생산하는 것이다. 여기서 연료 전지(1010)는 도 2의 제1 연료 전지(321)이거나, 제2 연료 전지(322)일 수 있다.
연료 전지(1010)는 수소 기체를 이용하여 전력을 생산할 때에 오프 가스(off gas)를 외부로 배출할 수 있다. 이때 연료 전지(1010)는 캐소드 오프 가스(cathode off gas; A)와 애노드 오프 가스(anode off gas; B)를 외부로 배출할 수 있다.
연료 전지(1010)는 캐소드 오프 가스(A)를 전력 차단 장치(900)로 이송시킬 수 있다. 상기에서, 캐소드 오프 가스(A)는 산소 농도가 기준치 이하인 저농도 산소 가스를 말한다. 일례로 본 실시예에서는 산소 농도가 10% 이하인 가스를 캐소드 오프 가스(A)로 결정할 수 있다.
제습기(910)는 연료 전지(1010)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스로부터 수분을 제거하는 기능을 수행한다.
가스 인젝터(920)는 제습기(910)에 의해 수분이 제거된 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)로 공급하는 기능을 수행한다. 이때 가스 인젝터(920)는 제어기(930)의 명령 신호에 따라 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)에 공급할 수 있다.
제어기(930)는 가스 인젝터(920)의 작동을 제어하는 기능을 수행한다. 제어기(930)는 전력 차단부(940)의 작동이 요구될 때에 명령 신호를 생성하여 이 명령 신호를 가스 인젝터(920)로 전달함으로써 가스 인젝터(920)의 작동을 제어할 수 있다. 가스 인젝터(920)는 제어기(930)로부터 명령 신호가 수신되면, 이 명령 신호에 따라 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)로 공급하는 기능을 수행한다.
가스 인젝터(920)는 제어기(930)의 명령 신호에 따라 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)로 공급할 때, 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940) 내의 전력 접점부(미도시)에 직접적으로 분사할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 가스 인젝터(920)는 전력 차단부(940)의 내부가 캐소드 오프 가스로 채워지도록, 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)의 내부에 유입시키는 것도 가능하다.
가스 인젝터(920)는 제어기(930)로부터 명령 신호가 수신되지 않으면 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)로 공급하지 않을 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 가스 인젝터(920)는 제어기(930)로부터 명령 신호가 수신되지 않더라도 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)로 공급할 수 있다. 이때 가스 인젝터(920)는 전력 차단부(940)의 내부가 캐소드 오프 가스로 채워지도록, 캐소드 오프 가스를 전력 차단부(940)의 내부에 유입시킬 수 있다.
전력 차단부(940)는 전력부(300)(예를 들어, 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등)로부터 추진부(500), 부하 장비(600) 등으로 DC 전력이 공급되는 것을 차단하는 기능을 수행한다. 전력 차단부(940)는 제어기(930)의 제어에 따라 상기의 기능을 수행할 수 있으며, 차단 스위치의 형태로 구현될 수 있다.
전력 차단부(940)는 전력부(300)로부터 추진부(500), 부하 장비(600) 등으로 DC 전력이 공급되는 것을 차단하기 위해, 배전부(400) 내에서 전력부(300)와 추진부(500), 전력부(300)와 부하 장비(600) 등을 연결하는 배선 상에 구비될 수 있다. 또한 전력 차단부(940)는 배전부(400) 내에 위치하는 스위치(제4 스위치(SW4) 내지 제11 스위치(SW11))에 연결되어 구비될 수 있다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.
도 7은 전력 차단 장치에 구비되는 전력 차단부가 배전부 내에 형성되는 위치를 설명하기 위한 제1 예시도이다. 그리고 도 8은 전력 차단 장치에 구비되는 전력 차단부가 배전부 내에 형성되는 위치를 설명하기 위한 제2 예시도이다. 이하 설명은 도 7 및 도 8을 참조한다.
도 7을 참조하면, 전력 차단부(940)는 배전부(400) 내에서 배전반(410)과 추진부(500)의 제3 DC/AC 컨버터(511)를 연결하는 배선 상에 형성될 수 있다. 이러한 전력 차단부(940)는 차단 스위치를 ON시켜, 전력부(300)의 DC 전력이 추진부(500)의 제1 추진 모터(510)로 공급되는 것을 차단할 수 있다.
도 7은 전력 차단부(940)가 배전부(400) 내에서 전력부(300)와 추진부(500)를 연결하는 배선 상에 구비되는 경우의 예시이다. 전력 차단부(940)는 도 7에 도시된 바와 같이 전력부(300)와 추진부(500)를 연결하는 배선 상에 한 개 구비될 수 있지만, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 차단부(940)는 전력부(300)와 추진부(500)를 연결하는 배선 상에 복수개 구비되는 것도 가능하다. 일례로 전력 차단부(940)는 배전반(410)와 제6 스위치(SW6)를 연결하는 배선 상, 제6 스위치(SW6)와 추진부(500)의 제3 DC/AC 컨버터(511)를 연결하는 배선 상 등에 두 개 구비될 수 있다.
한편 앞서 설명한 바와 같이, 전력 차단부(940)는 이외에도 배전부(400) 내에서 전력부(300)와 부하 장비(600)를 연결하는 배선 상에 구비될 수도 있다. 이 경우에도 전력 차단부(940)는 배선 상에 한 개 구비될 수 있으며, 배선 상에 복수개 구비되는 것도 가능하다.
도 8을 참조하면, 전력 차단부(940)는 배전반(410)과 추진부(500)의 제3 DC/AC 컨버터(511)를 연결하는 배선 상에 위치하는 제6 스위치(SW6)에 연결되어 형성될 수 있다. 전력 차단부(940)는 제6 스위치(SW6)가 개방(open)되도록 제어하여, 전력부(300)의 DC 전력이 추진부(500)의 제1 추진 모터(510)로 공급되는 것을 차단할 수 있다.
도 8은 전력 차단부(940)가 배전부(400) 내에 위치하는 제6 스위치(SW6)에 연결되어 구비되는 경우의 예시이다. 앞서 설명하였지만, 전력 차단부(940)는 이외에도 배전부(400) 내에 위치하는 제4 스위치(SW4), 제5 스위치(SW5), 제7 스위치(SW7), 제8 스위치(SW8), 제9 스위치(SW9), 제10 스위치(SW10), 제11 스위치(SW11) 등에 연결되어 구비되는 것도 가능하다.
전력 차단부(940)는 각각의 스위치(SW4 ~ SW11)를 제어할 수 있도록 배전부(400) 내에 복수개 구비될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 차단부(940)는 배전부(400) 내에 한 개 구비되어 배전부(400) 내의 모든 스위치를 제어할 수 있으며, 복수개의 스위치를 제어할 수 있도록 배전부(400) 내에 복수개 구비되는 것도 가능하다.
전력 차단 장치(900)는 기체에서 산소를 분리시키는 산소 분리부(950)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.
도 9는 하이브리드 선박에 구비되는 전력 차단 장치의 제2 실시 형태에 따른 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 9를 참조한다.
산소 분리부(950)는 연료 전지(1010)에서 배출되는 캐소드 오프 가스로부터 산소를 분리하는 기능을 수행한다. 캐소드 오프 가스의 산소 농도를 더 낮추고자 할 경우, 산소 분리부(950)는 상기의 기능을 수행할 수 있다.
산소 분리부(950)는 연료 전지(1010)와 제습기(910) 사이에 구비되어 상기의 기능을 수행할 수 있다. 산소 분리부(950)는 캐소드 오프 가스로부터 산소를 분리한 후, 이 캐소드 오프 가스를 제습기(910)로 이송시킬 수 있다.
한편 전력 차단 장치(900)는 연료 전지(1010)로부터 배출되는 캐소드 오프 가스를 제습기(910)로 이송시키는 배관 상에 체크 밸브(check valve; 미도시)를 구비할 수 있다. 전력 차단 장치(900)는 체크 밸브를 통해 캐소드 오프 가스가 제습기(910)로부터 연료 전지(1010)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
한편 가스 인젝터(920)는 전력 차단부(940) 뿐만 아니라 하이브리드 선박(10) 내의 배터리 룸(battery room; 미도시)에 연결되는 것도 가능하다. 가스 인젝터(920)는 배터리 룸에 화재가 발생하는 경우, 제어기(930)의 제어에 따라 화재를 진압하기 위한 일환으로 캐소드 오프 가스를 배터리 룸의 내부에 공급할 수 있다.
한편 전력 차단 장치(900)는 전력부(300)의 내부에 구비되는 것도 가능하다. 이하에서는 이에 대해 설명한다.
전력 차단 장치(900)가 전력부(300)의 내부에 구비되는 경우, 전력 차단부(940)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등과 배전부(400)를 연결하는 배선 상에 구비될 수 있다. 일례로 전력 차단부(940)는 제1 연료 전지(321)와 제2 DC/DC 컨버터(332)를 연결하는 배선 상에 구비될 수 있으며, 제2 DC/DC 컨버터(332)와 배전부(400)의 배전반(410)을 연결하는 배선 상에 구비될 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 하이브리드 선박 100: 선체
200: 연료 탱크 300: 전력부
311, 312: 배터리 321, 322: 연료 전지
331, 332, 333, 334: DC/DC 컨버터 400: 배전부
410: 배전반 421: DC/AC 컨버터
500: 추진부 510, 520: 추진 모터
600: 부하 장비 611, 621: AC/DC 컨버터
800: 제어부 900: 전력 차단 장치
910: 제습기 920: 가스 인젝터
930: 제어기 940: 전력 차단부
950: 산소 분리부

Claims (7)

  1. 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지;
    상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리;
    상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부; 및
    상기 추진부에 상기 적어도 하나의 전력이 공급되는 것을 차단하며, 상기 적어도 하나의 전력을 차단할 때에 불활성 기체(inert gas)를 접점에 분사하여 아크(arc)를 방지하는 전력 차단 장치를 포함하는 하이브리드 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 차단 장치는 산소 농도가 기준치 이하인 저농도 산소 가스를 상기 불활성 기체로 이용하는 하이브리드 선박.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 차단 장치는 상기 연료 전지로부터 배출되는 캐소드 오프 가스(cathode off gas)를 상기 저농도 산소 가스로 이용하는 하이브리드 선박.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 차단 장치는 상기 연료 전지와 상기 추진부를 연결하는 전력 배선 상에 구비되거나, 상기 전력 배선 상에 위치하는 스위치에 연결되도록 구비되는 하이브리드 선박.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 차단 장치는,
    상기 추진부에 상기 적어도 하나의 전력이 공급되는 것을 차단하는 전력 차단부;
    상기 연료 전지로부터 배출되는 오프 가스(off gas)에서 수분을 제거하는 제습기; 및
    상기 적어도 하나의 전력이 차단될 때에 상기 오프 가스를 상기 불활성 기체로 접점에 분사하며, 상기 적어도 하나의 전력이 차단되지 않을 때에 상기 전력 차단부의 내부를 상기 오프 가스로 채우는 가스 인젝터(gas injector)를 포함하는 하이브리드 선박.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 차단 장치는,
    상기 오프 가스에서 산소를 분리하는 산소 분리부를 더 포함하며,
    상기 제습기는 산소가 분리된 상기 오프 가스에서 수분을 제거하는 하이브리드 선박.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스 인젝터는 상기 배터리를 내장하는 배터리 룸(battery room)에 화재가 발생하는 경우 상기 배터리 룸의 내부를 상기 오프 가스로 채우는 하이브리드 선박.
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KR102323702B1 (ko) 2021-05-03 2021-11-10 주식회사 파로스마린 선박용 수소-전기 플러그인 하이브리드 시스템

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