KR20220058799A - 연료전지 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

연료전지 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

Info

Publication number
KR20220058799A
KR20220058799A KR1020200143846A KR20200143846A KR20220058799A KR 20220058799 A KR20220058799 A KR 20220058799A KR 1020200143846 A KR1020200143846 A KR 1020200143846A KR 20200143846 A KR20200143846 A KR 20200143846A KR 20220058799 A KR20220058799 A KR 20220058799A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
fuel
gas
supply line
Prior art date
Application number
KR1020200143846A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102535403B1 (ko
Inventor
조웅래
이정일
김대희
윤병영
Original Assignee
한국조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국조선해양 주식회사 filed Critical 한국조선해양 주식회사
Priority to KR1020200143846A priority Critical patent/KR102535403B1/ko
Publication of KR20220058799A publication Critical patent/KR20220058799A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102535403B1 publication Critical patent/KR102535403B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B17/00—Vessels parts, details, or accessories, not otherwise provided for
    • B63B17/0027—Tanks for fuel or the like ; Accessories therefor, e.g. tank filler caps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B25/00—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby
    • B63B25/02—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods
    • B63B25/08—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid
    • B63B25/12—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed
    • B63B25/16—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed heat-insulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/38—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J2/00—Arrangements of ventilation, heating, cooling, or air-conditioning
    • B63J2/12—Heating; Cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/04—Driving of auxiliaries from power plant other than propulsion power plant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H2021/003—Use of propulsion power plant or units on vessels the power plant using fuel cells for energy supply or accumulation, e.g. for buffering photovoltaic energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 선박은, 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 것으로서, a) 액화가스와 스팀, b) 액화가스와 수소, 또는 c) 수소를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급라인; 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 공급라인; 상기 연료 공급라인 상에 마련되며, 액화가스를 개질하여 수소를 생성하는 개질기; 및 상기 연료전지 스택의 온도에 따라, 상기 연료 공급라인 및 상기 공기 공급라인 중 적어도 하나를 통해 공급되는 유체의 유량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 및 이를 포함하는 선박{Fuel cell and vessel comprising the same}
본 발명은 연료전지 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 선박에서 배출되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키면서 추진할 수 있는 기술들이 연구되고 있다.
종래 기술에 따른 선박은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키기 위해 Scrubber, SCR 등과 같은 환경오염물질 저감장치를 설치하였다.
그러나, 종래 기술에 따른 선박은 환경규제가 점점 강화됨에 따라 환경오염물질 저감장치만으로는 환경규제를 만족시킬 수 없는 문제가 있다. 환경규제가 강화될수록 환경오염물질 저감장치의 처리용량이 커져야 하는데, 처리용량은 저감장치의 크기에 비례하기 때문이다.
공간이 제한적인 선박에서 환경오염물질 저감장치가 차지하는 비율이 높아지면, 상대적으로 화물을 선적하는 공간이나 사람을 태우기 위한 공간이 감소될 뿐만 아니라 저감장치의 무게로 인해 연비도 증가되기 때문에 비효율적이다. 따라서, 환경 친화적이면서 고효율로 추진할 수 있는 선박에 대한 개발이 절실히 필요한 실정이며, 기존 연료 대비 환경 오염을 저감하기 위해 연료전지의 도입이 연구되어 적용되고 있는 추세이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지를 구비하여, 추진 등 내부 수요를 충당할 수 있는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 복수 개의 다중연료로 구동할 수 있는 연료전지 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 복수 개의 다중연료로 구동하는 연료전지에 사용하기 위한 복수 개의 연료전지 운전부를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지 스택에 복수 개의 연료전지를 배치하여 연료의 사용 효율이 향상되는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지 스택박스 내의 압력을 제어하여 연료전지 내구성을 확보할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 선박 내 진동으로부터 연료전지를 보호하기 위한 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 것으로, a) 액화가스와 스팀, b) 액화가스와 수소, 또는 c) 수소를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급라인, 공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 공급라인, 상기 연료 공급라인 상에 마련되며, 액화가스를 개질하여 수소를 생성하는 개질기, 및 상기 연료전지 스택의 온도에 따라, 상기 연료 공급라인 및 상기 공기 공급라인 중 적어도 하나를 통해 공급되는 유체의 유량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 가스를 가열하는 버너, 및 상기 버너에서 가열된 가스를 상기 선박의 폐열회수부로 공급하는 가스 배출라인을 더 포함하며, 상기 가스 배출라인은, 가열된 가스를 상기 개질기로 공급하여, 상기 개질기로 공급되는 유체를 가열하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급라인은, a) 액화가스와 스팀을 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고, 상기 개질기는, 액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 것이며, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 연료 공급라인을 통해 공급되는 유체의 유량을 감소시키는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급라인은, a) 액화가스와 스팀을 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고, 상기 개질기는, 액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 것이며, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 가스 배출라인을 통해 상기 개질기로 공급되는 가열된 가스의 유량을 감소시키는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급라인은, 액화가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 액화가스 공급라인 및 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 수소 공급라인을 포함하여, b) 액화가스와 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고, 상기 개질기는, 상기 가스 배출라인을 통해 공급되는 가열된 가스로 액화가스와 수소를 가열하는 것이며, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 액화가스 공급라인을 통해 공급되는 액화가스의 유량을 증가시키고, 상기 수소 공급라인을 통해 공급되는 수소의 유량을 감소시키는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 액화가스는, 상기 연료전지 스택에서 생성되는 물에 의해 개질되어 수소를 생성하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급라인은, c) 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고, 상기 개질기는, 상기 가스 배출라인을 통해 공급되는 가열된 가스로 수소를 가열하는 것이며, 상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 공기 공급라인을 통해 공급되는 공기의 유량을 증가시키는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급라인은, 상기 개질기의 상류에 마련되어 상기 버너에서 가열된 가스로 상기 연료 공급라인을 통해 공급되는 유체를 가열하는 제1 열교환기를 더 포함하며, 상기 공기 공급라인은, 상기 버너에서 가열된 가스로 상기 공기 공급라인을 통해 공급되는 공기를 가열하는 제2 열교환기를 더 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 버너는, 상기 연료전지 스택의 연료극 배출가스를 연료로 이용하여 상기 연료전지 스택의 공기극 배출가스를 가열하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 복수 개의 연료로 구동하는 연료전지를 구비하며, 공급되는 연료의 종류 및/또는 혼합비를 조절하여 연료전지 스택의 내부 온도를 제어함으로써 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 선박은 천연가스-수소 및 천연가스-수소-암모니아를 연료전지에 대한 다중연료로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 다중연료를 이용하는 연료전지 스택에 대해 연료전지 운전부를 모듈화하여 제공할 수 있으며, 연료전지가 사용하는 연료의 종류가 변경되면 이에 대응하는 연료전지 운전부를 사용하도록 제공하여 간편하게 사용 연료를 변경할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 연료전지 스택박스 내에 복수 개의 연료전지 스택을 직렬로 연결하여, 미사용 연료량을 최소화하여 발전 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 연료전지 스택박스 내의 압력을 연료전지 스택의 내부 압력보다 낮게 유지하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 연료전지 스택박스의 하단에 액추에이터를 구비하여 선박의 진동으로부터 연료전지 스택을 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 마련되는 연료전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 연료전지 스택박스가 배치되는 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 고압, 저압, 고온, 저온, 고부하, 저부하 및 유량은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서, 연료전지에 공급하기 위한 연료는 수소일 수 있으며, 천연가스, 석탄가스, 석유가스, 에탄, 에탄올, 메탄올과 같이 수소를 포함하는 탄화수소와 같이 수소 원자를 포함하는 화합물, 혼합물이거나 암모니아 등을 포괄하여 의미할 수 있다. 나아가, 수소를 포함하는 화합물을 개질하여 수소 가스를 생성하는 데에 이용되는 스팀 또한 연료로 지칭한다.
이하에서, 전술한 것과 같은 연료와 연료전지에 공급하기 위한 공기는 유체로 지칭할 수 있다.
이하에서, 연료전지는 상기와 같은 연료 등에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정발전 시스템을 의미한다. 즉, 연료전지는 수소가 포함된 연료를 이용하여 전기를 생산하는 것일 수 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 분류될 수 있지만, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 500 내지 1000℃의 고온 조건에서 발전하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되는 연료전지는 500 내지 1000℃의 고온의 배기가스를 배출하는 것일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 연료전지는 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)일 수 있으나, 바람직하게는 고체산화물 연료전지일 수 있다. 연료전지 시스템은 연료 공급부, 연료전지 운전부 및 연료전지 스택박스 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
이하에서, 액화가스는 액화천연가스, 액화석유가스, 에탄, 에탄올, 메탄올 등일 수 있으며, 예시적으로 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있으며, 증발가스는 자연 기화된 액화가스 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다. 액화가스는 증발가스나 액상의 액화가스가 강제기화되어 형성된 기상의 가스를 포괄하여 지칭할 수 있다.
이하에서, 선박은 운반하는 컨테이너선, 상선, 해양에서 천연 가스를 생산할 수 있는 선박뿐만 아니라 가스 플랫폼과 해양 부유물을 비롯한 해양 구조물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 공급부(100), 연료전지 운전부(200), 연료전지 스택박스(300) 및 제어부(400)를 포함한다. 연료전지 스택박스(300) 내부에 연료전지 스택(310)이 배치되어 연료와 공기를 공급받아 전기를 생산할 수 있으며, 연료전지 스택(310)에서 배출되는 가스는 폐열회수부(500)로 공급될 수 있다.
연료 공급부(100)는 선박 내에 마련되어, 선박에 저장된 연료를 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 구체적으로, 연료 공급부(100)는 액화가스 공급부(110), 수소 공급부(120) 및 스팀 공급부(130)를 포함한다. 연료 공급부(100)는 연료 공급라인(L100)을 통해 하나 이상의 연료를 연료전지 스택(310)으로 공급할 수 있으며, 구체적으로 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 이하에서는, 연료 공급부(100)의 액화가스 공급부(110)가 액화천연가스 또는 천연가스를 공급하는 경우를 예시하여 설명한다.
액화가스 공급부(110)는 선박에 마련되는 액화가스 저장탱크 또는 액화가스 저장탱크로부터 액화가스를 공급받아 처리하는 가스 처리 시스템일 수 있다. 바람직하게는, 연료 공급부(110)는 액화가스 저장탱크로부터 발생하는 증발가스나 가스 처리 시스템을 거쳐 기화된 액화가스를 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 액화가스는 기상으로 공급되어 후술할 스팀에 의해 개질되어 수소를 생성하는 것일 수 있다.
액화가스 공급부(110)로부터 공급되는 액화가스는 액화가스 공급라인(L110)을 거쳐 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 액화가스 공급라인(L110) 상에는 액화가스 공급라인(L110)을 따라 유동하는 액화가스의 유량을 조절하기 위한 액화가스 공급밸브(111)가 마련될 수 있다. 도시하지 않았으나, 액화가스 공급라인(L110)은 액화가스 공급밸브(111)를 기준으로 액화가스 공급부(110)와 연료전지 운전부(200)를 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 액화가스 공급라인(L110)은 액화가스 공급밸브(111)와 연료전지 운전부(200)의 사이에서 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다.
수소 공급부(120)는 선박에 마련되는 수소 저장탱크일 수 있으며, 수소 가스를 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 수소 공급부(120)로부터 공급되는 수소는 수소 공급라인(L120)을 거쳐 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 수소 공급라인(L120) 상에는 수소 공급라인(L120)을 따라 유동하는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 공급밸브(121)가 마련될 수 있다. 도시하지 않았으나, 수소 공급라인(L120)은 수소 공급밸브(121)를 기준으로 수소 공급부(120)와 연료전지 운전부(200)를 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 수소 공급라인(L110)은 수소 공급밸브(121)와 연료전지 운전부(200)의 사이에서 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다.
스팀 공급부(130)는 선박에 마련되어 액화가스를 개질하기 위한 스팀을 공급하는 것일 수 있으며, 보일러, 이코노마이저 등 선박 내의 폐열을 이용하여 생성한 스팀을 공급하는 것일 수 있다. 예를 들어, 스팀 공급부(130)는 후술할 폐열회수부(500)에서 연료전지 시스템으로부터 배출되는 가스의 폐열을 이용하여 청수나 해수를 가열하여 생성되는 스팀을 저장하였다가 공급하는 것일 수 있다. 스팀 공급부(130)는 스팀을 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 스팀 공급부(130)로부터 공급되는 스팀은 스팀 공급라인(L130)을 거쳐 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 스팀 공급라인(L130) 상에는 스팀 공급라인(L130)을 따라 유동하는 스팀의 유량을 조절하기 위한 스팀 공급밸브(131)가 마련될 수 있다. 도시하지 않았으나, 스팀 공급라인(L130)은 스팀 공급밸브(131)를 기준으로 스팀 공급부(130)와 연료전지 운전부(200)를 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 스팀 공급라인(L130)은 스팀 공급밸브(131)와 연료전지 운전부(200)의 사이에서 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다.
연료 공급부(100)는 후술할 연료전지 스택(310)에서 사용하기 위한 연료를 공급하기 위한 것으로, 연료전지 스택(310)에 공급하기에 앞서 연료전지 운전부(200)에 연료를 공급할 수 있다. 연료 공급부(100)에 포함되는 각각의 공급라인은 연료전지 운전부(200)에 분리 가능하도록 연결될 수 있으며, 복수 개의 연료전지 운전부(200)에 연결되도록 마련될 수도 있다.
공기 공급부(140)는 선박 내부 또는 외부로부터 공기를 연료전지에 공급하기 위한 것일 수 있으며, 선박 내에 마련되는 블로워, 압축기 등일 수 있다. 공기 공급부(140)는 산소를 포함하는 공기를 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 공기 공급부(140)로부터 공급되는 공기는 공기 공급라인(L140)을 거쳐 연료전지 운전부(200)로 공급될 수 있다. 공기 공급라인(L140) 상에는 공기 공급라인(L140)을 따라 유동하는 공기의 유량을 조절하기 위한 공기 공급밸브(141)가 마련될 수 있다. 도시하지 않았으나, 공기 공급라인(L140)은 공기 공급밸브(141)를 기준으로 공기 공급부(140)와 연료전지 운전부(200)를 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 공기 공급라인(L140)은 공기 공급밸브(141)와 연료전지 운전부(200)의 사이에서 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다.
연료전지 운전부(200)는 연료전지 스택(310)과 연료 공급부(100) 사이에 마련되어 연료전지 스택(310)으로 공급되는 연료 등을 처리하기 위한 주변 장치(BOP; Balance of Plant)를 포괄하여 의미할 수 있다. 연료전지 운전부(200)는 혼합기(210), 제1 열교환기(220), 개질기(230), 제2 열교환기(240) 및 버너(250) 등을 포함할 수 있다. 연료전지 운전부(200)에는 연료 공급라인(L200)과 공기 공급라인(L210)이 마련될 수 있으며, 연료 공급라인(L200)은 전술한 연료 공급부(100)에 연결되고, 공기 공급라인(L210)은 전술한 공기 공급부(140)에 연결되어 각각 연료와 공기를 유동시킬 수 있다. 연료전지 운전부(200)는 연료와 공기를 각각 가열하여 연료전지 스택(310)으로 공급할 수 있다.
구체적으로, 연료 공급라인(L200)은 액화가스 공급라인(L110), 수소 공급라인(L120) 및 스팀 공급라인(L130)과 연결되어 각각으로부터 연료를 공급받을 수 있다. 연료 공급라인(L200) 상에는 혼합기(210), 제1 열교환기(220) 및 개질기(230)가 마련될 수 있다. 공기 공급라인(L210)은 공기 공급라인(L140)과 연결되어 공기를 공급받을 수 있다. 공기 공급라인(L210) 상에는 제2 열교환기(240)가 마련될 수 있다.
혼합기(210)는 연료 공급라인(L200) 상에 마련되어, 연료 공급부(100)로부터 하나 이상의 연료를 공급받아 균질한 혼합 연료를 형성할 수 있다. 예를 들어, 혼합기(210)는 연료전지 스택(310)에 공급하기 위한 다중 연료로서 액화가스와 수소를 공급받아 혼합하는 것일 수 있다. 또는, 혼합기(210)는 액화가스와 수소 및 스팀을 모두 공급받아 균일하게 혼합한 뒤 개질기(230)로 공급하는 것일 수 있다. 따라서, 연료 공급라인(L200)에서 혼합기(210)의 하류로는 혼합된 연료가 유동할 수 있다.
제1 열교환기(220)는 연료 공급라인(L200) 상에 마련되어, 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스를 이용하여 연료 공급라인(L200)을 통해 유동하는 연료를 가열하기 위한 구성이다. 예를 들어, 제1 열교환기(220)는 연료 공급라인(L200)에서 개질기(230)의 상류에 마련되어, 버너(250)에서 가열된 가스로 연료 공급라인(L200)을 통해 공급되는 유체를 가열하기 위한 것일 수 있다.
가스 배출라인(L220)은 연료전지 스택(310)으로부터 배출되는 가스를 버너(250)에서 가열하여 배출하기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 가스 배출라인(L220)은 버너(250)에서 가열된 가스를 선박의 폐열회수부(500)로 공급하는 것일 수 있다. 이때, 가스 배출라인(L220)은 버너(250)에서 가열된 가스를 후술할 개질기(230)로 먼저 공급한 뒤, 개질기(230)에 열 에너지를 공급한 가스를 제1 열교환기(220)로 공급하는 것일 수 있다. 연료전지 스택(310) 및 버너(250)를 거치면서 가열된 가스는 개질기(230)에서 열을 공급한 뒤, 제1 열교환기(220)로 공급되어 연료 공급라인(L200)를 유동하는 연료를 가열할 수 있다. 후술할 개질기(230)에서 액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 반응은 흡열 반응이므로, 제1 열교환기(220)는 연료를 가스 배출라인(L220)의 가스로 예열하여 개질기(230)로 공급함으로서 개질 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 가스 배출라인(L220)은 버너(250)에서 가열된 가스의 흐름을 기준으로 개질기(230), 제1 열교환기(220) 및 후술할 제2 열교환기(240)의 순서로 구비할 수 있다.
개질기(230)는 연료 공급라인(L200) 상에 마련되어 연료를 공급받아, 연료 중에 포함된 스팀으로 액화가스를 개질하여 연료전지 스택(310)에서 사용하기 위한 수소를 생성하는 것일 수 있다. 개질기(230)는 수소를 포함하는 연료를 연료 공급라인(L200)을 통해 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다. 개질기(230)는 제1 열교환기(220)에서 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스에 의해 예열된 연료를 공급받아 액화가스를 개질시킬 수 있다. 선택적으로, 개질기(230)는 버너(250)로부터 배출되어 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스로부터 열을 공급받아 액화가스를 개질시킬 수도 있다. 예를 들어, 개질기(230)는 제1 열교환기(220)에서 공급되는 연료의 온도가 액화가스의 스팀 개질 반응에 충분한 온도 이상인 경우에는 가스 배출라인(L220)으로부터 열을 공급받지 않을 수도 있다.
개질기(230)는 내부에 액화가스의 수증기 개질반응을 촉진하기 위한 금속 촉매 등 촉매를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 개질기(230)에는 개질기(230)의 내부 압력을 감지하기 위한 압력 센서(231)와 내부 온도를 감지하기 위한 온도 센서(232)가 마련될 수 있다.
제2 열교환기(240)는 공기 공급라인(L210) 상에 마련되어, 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스를 이용하여 공기 공급라인(L210)을 통해 유동하는 공기를 가열하기 위한 구성이다. 예를 들어, 제2 열교환기(240)는 공기 공급라인(L210)에 마련되어, 버너(250)에서 가열된 가스로 공기 공급라인(L210)을 통해 공급되는 공기를 가열하기 위한 것일 수 있다. 버너(250)에서 배출되는 가스는 개질기(230)와 제1 열교환기(220)에서 열을 공급한 뒤, 제2 열교환기(240)로 공급되어 공기 공급라인(L210)을 유동하는 공기를 가열할 수 있다. 연료전지 스택(310)은 500 내지 1000℃에 달하는 고온의 조건에서 운전하는 것일 수 있는데, 공기 공급부(140)는 상대적으로 저온의 공기를 공급하는 것일 수 있다. 따라서, 제2 열교환기(240)에서 연료전지 스택(310)에서 배출된 가스를 이용하여 연료전지 스택(310)으로 공급되는 공기를 예열한 뒤 공급함으로써, 연료전지 스택(310)에서의 운전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 제2 열교환기(240)에서 가열된 공기는 연료전지 스택박스(300)로 공급될 수 있다.
버너(250)는 후술할 연료전지 스택(310)의 연료극에서 배출되는 배출가스를 연료로 이용하여, 연료전지 스택(310)의 공기극에서 배출되는 가스를 가열하기 위한 구성일 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(310)에서 배출되는 배출가스에는 연료전지 스택(310)에서 전기화학반응이 미처 이루어지지 않고 배출되는 미사용 연료가 포함되어 있을 수 있다. 버너(250)는 미사용 연료를 연료로 이용하여 연소시키고, 연료전지 스택(310)의 공기극에서 배출되는 가스를 가열하여 가스 배출라인(L220)을 거쳐 폐열회수부(500)로 공급할 수 있다. 폐열회수부(500)는 선박 내에 마련되는 보일러, 이코노마이저 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택박스(300)는 내부에 연료전지 스택(310)을 배치하기 위한 공간을 제공할 수 있다. 연료전지 스택(310)은 500 내지 1000℃에 달하는 고온의 조건에서 운전하는 것이므로, 연료전지 스택박스(300)는 연료전지 스택(310)과 외부의 환경 사이에 열 에너지의 출입을 최소화하여 연료전지 스택(310)의 운전 온도를 상기 조건으로 맞추어 연료전지 스택(310)의 발전 효율을 극대화시키는 단열박스 내지 핫박스일 수 있다.
도시하지 않았으나, 연료전지 스택(310)에는 연료가 공급되는 연료극(anode)과 공기가 공급되는 공기극(cathode)가 마련될 수 있다. 연료극으로 공급되는 연료 중에는 수소가 포함되어 있을 수 있으며, 수소는 연료극에서 전자를 내어놓고 전해질을 통해 산소 이온을 전달받아 물을 생성할 수 있다. 연료극에서는 사용되지 않은 수소를 포함하는 미사용 연료와 물을 포함하는 가스가 배출되어 나올 수 있다. 공기극에 공급되는 공기 중에는 산소가 포함되어 있을 수 있으며, 산소는 연료극으로부터 공급되는 전자를 전달받아 산소 이온을 형성할 수 있다.
연료전지 스택(310)의 일단에는 연료전지 스택(310)의 연료극에 연료를 공급하기 위한 연료공급라인(L310)과 연료전지 스택(310)의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기공급라인(L320)이 연결될 수 있다. 연료전지 스택(310)의 타단에는 연료전지 스택(310)의 연료극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 연료극배출라인(L330)과 연료전지 스택(310)의 공기극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 공기극배출라인(L340)이 연결될 수 있다.
연료전지 스택(310)에는 연료전지 스택(310) 내부의 압력을 감지하는 압력 센서(311)와 연료전지 스택(310) 내부의 온도를 감지하는 온도 센서(312)가 마련될 수 있다.
연료공급라인(L310)은 전술한 연료전지 운전부(200)의 연료 공급라인(L200)과 연결되는 것일 수 있으며, 개질기(230)를 거쳐 수소를 포함하는 연료를 공급받아 연료전지 스택(310)의 연료극으로 공급할 수 있다. 도시하지 않았으나, 연료전지 운전부(200)의 연료 공급라인(L200)과 연료전지 스택박스(300)의 연료공급라인(L310)은 서로 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다. 공기공급라인(L320)은 전술한 연료전지 운전부(200)의 공기 공급라인(L210)과 연결되는 것일 수 있으며, 제2 열교환기(240)에서 예열된 공기를 공급받아 연료전지 스택(310)의 공기극으로 공급할 수 있다. 도시하지 않았으나, 연료전지 운전부(200)의 공기 공급라인(L210)과 연료전지 스택박스(300)의 공기공급라인(L320)은 서로 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다.
연료극배출라인(L330)은 전술한 연료전지 운전부(200)의 버너(250)에 연결되는 것일 수 있으며, 연료전지 스택(310)의 연료극에서 배출되는 미사용 연료를 포함하는 가스를 버너(250)에 공급할 수 있다. 공기극배출라인(L340)은 버너(250)에 연결되어, 연료전지 스택(310)의 공기극에서 배출되는 가스를 버너(250)에 공급할 수 있다. 도시하지 않았으나, 연료극배출라인(L330)과 공기극배출라인(L340)은 연료전지 운전부(200)와 연료전지 스택박스(300)의 사이에서 분리 가능하도록 마련될 수 있다.
도 1에서는 하나의 연료전지 스택박스(300) 내에 두 개의 연료전지 스택(310a, 310b)이 배치된 모습을 도시한 것이다. 예를 들어, 연료전지 스택박스(300)에는 제1 연료전지 스택(310a) 및 제2 연료전지 스택(310b)이 병렬로 마련될 수 있다. 제1 연료전지 스택(310a)의 일단에는 연료극에 연료를 공급하기 위한 제1 연료공급라인(L310a)과 공기극에 공기를 공급하기 위한 제1 공기공급라인(L320a)가 연결될 수 있으며, 타단에는 연료극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 제1 연료극배출라인(L330a)과 공기극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 제1 공기극배출라인(L340a)가 연결될 수 있다. 제2 연료전지 스택(310b)의 일단에는 연료극에 연료를 공급하기 위한 제2 연료공급라인(L310b)과 공기극에 공기를 공급하기 위한 제2 공기공급라인(L320b)가 연결될 수 있으며, 타단에는 연료극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 제2 연료극배출라인(L330b)과 공기극에서 배출되는 가스를 배출하기 위한 제2 공기극배출라인(L340b)가 연결될 수 있다. 제1 연료공급라인(L310a) 및 제2 연료공급라인(L310b)은 하나의 연료공급라인(L310)이 분기되어 형성되는 것일 수 있으며, 제1 공기공급라인(L320a) 및 제2 공기공급라인(L320b)은 하나의 공기공급라인(L320)이 분기되어 형성되는 것일 수 있다. 제1 연료극배출라인(L330a)과 제2 연료극배출라인(L330b)은 하나의 연료극배출라인(L330)으로 합쳐져 버너(250)로 연결될 수 있으며, 제1 공기극배출라인(L340a)과 제2 공기극배출라인(L340b)은 하나의 공기극배출라인(L340)으로 합쳐져 버너(250)로 연결될 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 이를 구비하는 선박은, 수소와 액화가스 중 적어도 하나를 이용하여 전기를 생산할 수 있으며, 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 제어하기 위한 제어부(400)를 더 포함할 수 있다. 제어부(400)는 개질기(230)에 마련되는 온도 센서(232)로부터 개질기(230) 내부의 온도에 대한 정보를 수신할 수 있으며, 연료전지 스택(310)에 마련되는 온도 센서(312)로부터 연료전지 스택(310) 내부의 온도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 제어부(400)는 액화가스 공급밸브(111), 수소 공급밸브(121), 스팀 공급밸브(131) 및 공기 공급밸브(141)의 개도를 제어하여 연료전지 운전부(200)로 공급되는 연료와 공기의 유량을 조절할 수 있다.
이하에서는, 연료전지에 공급하는 연료의 종류에 따른 연료전지 시스템의 구동 방식 및 각각의 방식에서 제어부(400)의 제어 방법에 대해 자세히 설명한다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 액화가스 공급부(110)에서 공급되는 액화가스만을 연료로 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 액화가스 공급부(110)에서 공급되는 액화가스는 액화가스 공급라인(L110)을 통해 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 수소 공급밸브(121)는 닫힌 상태이고, 스팀 공급밸브(131)는 열려 스팀을 스팀 공급라인(L130)을 통해 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 혼합기(210)에서는 액화가스와 스팀이 혼합되어 혼합연료를 형성하며, 혼합연료는 연료 공급라인(L200)을 따라 유동하여 제1 열교환기(220)에서 예열될 수 있다. 제1 열교환기(220)에서 예열된 혼합연료는 개질기(230)로 공급될 수 있으며, 개질기(230)에서 스팀에 의한 액화가스의 개질 반응이 일어나 액화가스의 적어도 일부가 열 분해되어 수소를 생성할 수 있다. 개질기(230)에서 배출되는 수소를 포함한 연료는 연료공급라인(L310)을 통해 연료전지 스택(310)의 연료극에 공급될 수 있다. 공기 공급부(140)에서 공급되는 공기는 공기 공급라인(L140)을 통해 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 공기는 공기 공급라인(L210)을 따라 유동하며, 제2 열교환기(240)에서 제1 열교환기(220)를 거친 가스에 의해 예열될 수 있다. 제2 열교환기(240)에서 예열된 공기는 연료전지 스택박스(300)로 공급될 수 있다. 공기는 공기공급라인(L320)을 통해 연료전지 스택(310)의 공기극에 공급될 수 있다.
제어부(400)는 개질기(230)에 마련되는 온도 센서(232)로부터 개질기(230) 내부의 온도에 대한 정보와, 연료전지 스택(310)에 마련되는 온도 센서(312)로부터 연료전지 스택(310)의 내부 온도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 연료전지 스택(310)은 수소 및 액화가스를 포함하는 연료를 공급받아 전기를 생산할 수 있으며, 전기를 생산함에 따라 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 높아질 수 있다. 연료전지 스택(310)에 공급되는 연료 중에는 개질기(230)에서 반응하지 않은 스팀과 액화가스가 남아있을 수 있으며, 연료전지 스택(310)에서 발생하는 열을 이용하여 추가적인 개질 반응이 일어날 수 있고, 생성되는 수소는 연료전지 스택(310)의 연료로 사용될 수 있다.
제어부(400)는 연료전지 스택의 내부 온도가 1000℃를 초과하는 고온이 되거나, 500 내지 1000℃ 범위 내에서 미리 정해진 온도 값을 초과하는 온도가 되는 경우, 연료 공급라인(L100)을 통해 공급되는 연료의 유량을 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 연료전지 스택(310)의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 액화가스 공급라인(L110) 및 스팀 공급라인(L130)을 통해 공급되는 유체의 유량을 감소시킬 수 있다. 또는, 제어부(400)는 연료전지 스택(310)의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 가스 배출라인(L220)에서 개질기(230)로 공급되는 가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 버너(250)에서 가열된 가스가 개질기(230)로 공급되는 유량이 감소함에 따라, 개질기(230)에서 생성되는 수소의 양은 줄어들어 연료전지 스택(310)으로 공급되는 수소의 양이 감소하게 된다. 또한, 연료전지 스택(310) 내부에서도 액화가스와 스팀이 흡열 반응을 통해 수소를 생성하게 되므로 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 낮아질 수 있게 된다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 액화가스 공급부(110)에서 공급되는 액화가스와 수소 공급부(120)에서 공급되는 수소를 모두 연료로 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 이때, 스팀 공급밸브(131)는 닫힌 상태일 수 있다. 혼합기(210)에서는 액화가스와 수소가 혼합되어 혼합연료를 형성하며, 혼합연료는 연료 공급라인(L200)을 따라 유동하여 제1 열교환기(220)에서 예열될 수 있다. 제1 열교환기(220)에서 예열된 혼합연료는 개질기(230)로 공급될 수 있다. 이때, 개질기(230) 내에서는 어떠한 화학적 반응이 일어나지는 않고, 가스 배출라인(L220)을 통해 공급되는 가열된 가스를 이용하여 액화가스와 수소를 추가로 가열하는 과정만이 수행될 수 있다. 개질기(230)에서 배출되는 연료는 연료공급라인(L310)을 통해 연료전지 스택(310)의 연료극에 공급될 수 있다. 공기 공급부(140)로부터 연료전지 스택(310)의 공기극에 대한 공기의 공급은 전술한 내용으로 갈음한다.
제어부(400)는 연료전지 스택(310)에 마련되는 온도 센서(312)로부터 연료전지 스택(310)의 내부 온도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 연료전지 스택(310)은 액화가스 및 수소를 포함하는 연료를 공급받아 전기를 생산할 수 있으며, 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 높아질 수 있다. 제어부(400)는 연료전지 스택의 내부 온도가 1000℃를 초과하는 고온이 되거나, 500 내지 1000℃ 범위 내에서 미리 정해진 온도 값을 초과하는 온도가 되는 경우, 액화가스 공급라인(L110) 상에 마련되는 액화가스 공급밸브(111)의 개도를 증가시키거나 수소 공급라인(L120) 상에 마련되는 수소 공급밸브(121)의 개도를 감소시키거나 두 가지 모두를 제어하여 연료 중의 액화가스 함량을 증가시켜 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 감소시킬 수 있다. 연료전지 스택(310)에서는 수소를 이용한 전기화학반응이 수행됨에 따라 물이 생성될 수 있으며, 생성되는 물은 연료전지 스택(310) 내부의 고온으로 인해 스팀일 수 있다. 이러한 스팀은 연료전지 스택(310)에 공급되는 액화가스와 개질 반응을 일으켜 수소를 생성할 수 있으며, 이 과정에서 연료전지 스택(310) 내부의 열을 흡열하므로, 연료전지 스택(310) 내부의 온도가 낮아질 수 있게 된다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 수소 공급부(120)에서 공급되는 수소만을 연료로 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 수소 공급부(120)에서 공급되는 수소는 수소 공급라인(L120)을 통해 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 액화가스 공급밸브(111)와 스팀 공급밸브(131)는 닫힌 상태일 수 있다. 수소는 혼합기(210)를 거쳐 연료 공급라인(L200)을 따라 유동하며, 제1 열교환기(220)에서 버너(250)로부터 공급되는 가스에 의해 예열될 수 있다. 제1 열교환기(220)에서 예열된 수소는 개질기(230)를 거쳐 연료전지 스택박스(300)로 공급될 수 있다. 이때, 개질기(230) 내에서는 어떠한 화학적 반응이 일어나지는 않고, 가스 배출라인(L220)을 통해 공급되는 가열된 가스를 이용하여 수소를 추가로 가열하는 과정만이 수행될 수 있다. 수소는 연료공급라인(L310)을 통해 연료전지 스택(310)의 연료극에 공급될 수 있다. 공기 공급부(140)로부터 연료전지 스택(310)의 공기극에 대한 공기의 공급은 전술한 내용으로 갈음한다.
제어부(400)는 연료전지 스택(310)에 마련되는 온도 센서(312)로부터 연료전지 스택(310)의 내부 온도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 연료전지 스택(310)에서 수소를 공급받아 전기를 생산함에 따라, 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 높아질 수 있다. 제어부(400)는 연료전지 스택의 내부 온도가 1000℃를 초과하는 고온이 되거나, 500 내지 1000℃ 범위 내에서 미리 정해진 온도 값을 초과하는 온도가 되는 경우, 공기 공급라인(L140) 상에 마련되는 공기 공급밸브(141)의 개도를 증가시켜 연료전지 운전부(200)로 공급되는 공기의 유량을 증가시켜 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 감소시킬 수 있다.
공기의 유량 증가에도 불구하고 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 충분히 낮아지지 않는 경우, 제어부(400)는 수소 공급밸브(121)의 개도를 감소시켜 연료전지 운전부(200)로 공급되는 수소의 유량을 감소시켜 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 감소시킬 수 있다.
이처럼, 제어부(400)는 연료전지 시스템으로 공급되는 연료의 종류에 따라 각기 다른 방법으로 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 조절할 수 있다. 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 미리 정해진 값 미만인 경우에는 전술한 제어부(400)의 제어 방법이 반대로 적용될 수 있으며, 제어부(400)는 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 500 내지 1000℃ 범위 내로 유지시킬 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 연료를 이용하는 것으로서, 공급되는 연료의 종류에 따른 연료전지 스택(310)의 내부 온도 제어 방법을 제공하여 발전 효율을 극대화한 상태로 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 공급부(100)로서 액화가스 공급부(110), 수소 공급부(120), 스팀 공급부(130) 및 암모니아 공급부(150)를 포함하며, 연료전지 운전부(200), 연료전지 스택박스(300) 및 제어부(400)를 포함한다.
본 실시예에서는 연료 공급부(100)에 포함되는 암모니아 공급부(150)와 연료전지 운전부(200)에 포함되는 크래킹 모듈(260)을 더 포함할 수 있으며, 앞선 실시예와 달라지는 점을 중심으로 설명하고 동일한 부분은 앞선 실시예의 내용으로 갈음한다.
암모니아 공급부(150)는 선박에 마련되는 암모니아 저장탱크일 수 있으며, 암모니아를 연료전지 운전부(200)로 공급할 수 있다. 암모니아는 암모니아 공급라인(L150)을 거쳐 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 도시하지 않았으나, 암모니아 공급라인(L150)은 암모니아 공급부(150)와 연료전지 운전부(200)의 사이에서 분리 가능하도록 결합되는 것일 수 있다. 암모니아 공급부(150)로부터 공급되는 암모니아는 암모니아 공급라인(L150)을 거쳐 연료전지 운전부(200)의 크래킹 모듈(260)로 공급될 수 있다.
크래킹 모듈(260)은 암모니아를 공급받아 열 분해시켜 질소와 수소를 생성할 수 있으며, 생성되는 수소를 연료 공급라인(L200)에 공급할 수 있다. 크래킹 모듈(260)은 내부에 하나 이상의 금속 촉매를 포함하고, 촉매와 암모니아를 접촉시켜 암모니아를 열 분해시키는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 크래킹 모듈(260)은 연료전지 스택(310)에서 배출되는 가스의 폐열을 이용하여 암모니아를 열 분해할 수 있다. 예를 들어, 크래킹 모듈(260)은 버너(250)로부터 배출되어 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스로부터 열을 공급받아 암모니아를 열 분해할 수 있다.
구체적으로, 가스 배출라인(L220)은 일단이 버너(250)에 연결되고, 타단이 폐열회수부(500)에 연결되어 버너(250)로부터 배출되는 가스를 폐열회수부(500)로 공급할 수 있다. 이때, 가스 배출라인(L220) 상에는 개질기(230), 제1 열교환기(220) 및 제2 열교환기(240)가 순차적으로 마련될 수 있으며, 개질기(230)의 상류에서 제1 가스분기라인(L221) 및 제2 가스분기라인(L222)이 분기할 수 있다.
제1 가스분기라인(L221)은 가스 배출라인(L220)으로부터 분기하여 크래킹 모듈(260)로 가스를 공급할 수 있다. 제1 가스분기라인(L221)을 따라 유동하는 가스는 연료전지 스택(310)에서 배출되어 버너(250)에서 추가로 가열된 것으로 암모니아를 분해시키기에 충분한 온도를 가질 수 있다. 제1 가스분기라인(L221)은 제1 가스분기라인(L221)을 따라 유동하는 가스의 유량을 조절하기 위한 제1 가스분기밸브(251)가 마련될 수 있다.
크래킹 모듈(260)은 암모니아 공급라인(L150)으로부터 암모니아를 공급받고, 제1 가스분기라인(L221)으로부터 고온의 가스를 공급받아 암모니아를 열 분해하며, 이에 따라 생성되는 수소와 질소를 분리하여 배출할 수 있다. 예를 들어, 크래킹 모듈(260)은 수소를 제2 수소 공급라인(L230)을 통해 배출하고, 질소와 열 분해에 사용하기 위해 크래킹 모듈(260)에 공급된 가스는 제2 가스 배출라인(L231)을 통해 배출할 수 있다.
제2 수소 공급라인(L230)은 크래킹 모듈(260)에서 생성된 수소를 전술한 연료 공급라인(L200)으로 전달할 수 있다. 바람직하게는, 제2 수소 공급라인(L230)은 수소를 수소 공급라인(L120) 또는 연료 공급라인(L200)에서 혼합기(210)의 상류에 전달할 수 있다.
제2 가스 배출라인(L231)은 크래킹 모듈(260)에서 생성된 질소와, 제1 가스분기라인(L221)으로부터 크래킹 모듈(260)로 공급되어 열 분해에 사용된 가스를 가스 배출라인(L220)으로 전달할 수 있다. 이때, 제1 가스분기라인(L221)을 통해 크래킹 모듈(260)을 거친 가스는 암모니아의 열 분해에 열 에너지를 공급한 상태이므로, 버너(250)에서 배출되는 가스 대비 상대적으로 저온일 수 있으며, 제1 열교환기(220)에서 요구되는 온도 대비 상대적으로 저온일 수 있다. 따라서, 제2 가스 배출라인(L231)은 가스 배출라인(L220)에서 제1 열교환기(220)의 하류에 연결되도록 마련되어, 질소와 가스를 가스 배출라인(L220)을 통해 유동하는 가스에 합류시킬 수 있다.
제2 가스분기라인(L222)은 가스 배출라인(L220)으로부터 분기하여 제2 가스 배출라인(L231)으로 가스를 공급할 수 있다. 바람직하게는, 제2 가스분기라인(L222)은 제1 가스분기라인(L221)으로부터 분기하여 제2 가스 배출라인(L231)에 연결되는 것일 수 있으며, 가스의 유량을 조절하기 위한 제2 가스분기밸브(252)가 마련될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료로 수소, 액화가스 및 암모니아 중 하나 이상을 사용할 수 있는 다중연료 시스템으로 마련되며, 수소 및 액화가스 중 하나 이상을 사용하는 경우의 연료 공급 방법과 제어부(400)를 이용한 연료전지 스택(310)의 내부 온도 조절 방법은 전술한 실시예와 동일하다. 추가적으로, 본 실시예에 따른 제어부(400)는 연료전지 스택(310)의 온도에 따라 크래킹 모듈(260)로 공급되는 가스의 유량을 제어하여, 수소 생성량을 조절하여 연료전지 스택(310)의 온도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아 공급부(150)에서 공급되는 암모니아만을 연료로 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 암모니아 공급부(150)에서 공급되는 암모니아는 암모니아 공급라인(L150)을 통해 연료전지 운전부(200)에 공급될 수 있다. 액화가스 공급밸브(111), 수소 공급밸브(121) 및 스팀 공급밸브(131)는 닫힌 상태일 수 있다. 암모니아는 크래킹 모듈(260)로 공급되어 버너(250)로부터 공급되어 제1 가스분기라인(L221)을 통해 공급되는 가스를 이용하여 열 분해될 수 있다. 암모니아가 분해되어 생성되는 수소는 제2 수소 공급라인(L230)을 통해 연료 공급라인(L200)으로 공급되어 유동하며, 제1 열교환기(220)에서 버너(250)로부터 공급되는 가스에 의해 예열될 수 있다. 제1 열교환기(220)에서 예열된 수소는 개질기(230)를 거쳐 연료전지 스택박스(300)로 공급될 수 있다. 이때, 개질기(230) 내에서는 어떠한 화학적 반응이 일어나지는 않고, 가스 배출라인(L220)을 따라 유동하는 가스를 이용하여 수소를 추가로 가열하는 과정만이 수행될 수 있다. 수소는 연료공급라인(L310)을 통해 연료전지 스택(310)의 연료극에 공급될 수 있다. 공기 공급부(140)로부터 연료전지 스택(310)의 공기극에 대한 공기의 공급은 전술한 실시예의 내용으로 갈음한다.
제어부(400)는 연료전지 스택(310)에 마련되는 온도 센서(312)로부터 연료전지 스택(310)의 내부 온도에 대한 정보를 수신할 수 있다. 연료전지 스택(310)에서 수소를 공급받아 전기를 생산함에 따라, 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 높아질 수 있다. 제어부(400)는 연료전지 스택의 내부 온도가 1000℃를 초과하는 고온이 되거나, 500 내지 1000℃ 범위 내에서 미리 정해진 온도 값을 초과하는 온도가 되는 경우, 제1 가스분기라인(L221) 상에 마련되는 제1 가스분기밸브(251)의 개도를 낮추어 크래킹 모듈(260)에서 생성되어 연료 공급라인(L200)으로 공급되는 수소의 유량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 크래킹 모듈(260)에 연결되는 제2 수소 공급라인(L230)을 통해 공급되는 수소의 유량을 감소시켜 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템이 암모니아와 수소 및 액화가스 중 하나 이상을 함께 연료로 사용하는 경우에는, 전술한 실시예에 따른 연료전지 스택(310)의 내부 온도 제어 방법이 이용될 수 있다. 연료전지 스택(310)의 내부 온도가 미리 정해진 값 미만인 경우에는 전술한 제어부(400)의 제어 방법이 반대로 적용될 수 있으며, 제어부(400)는 연료전지 스택(310)의 내부 온도를 500 내지 1000℃ 범위 내로 유지시킬 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 암모니아 운반선 또는 추진선과 같이 암모니아를 저장하는 선박에 적용될 수 있으며, 암모니아 저장탱크에서 발생하는 암모니아의 증발가스를 우선적으로 연료전지에 대한 연료로 소비하고, 부족분은 액화가스나 수소로 충당할 수 있게 되어 암모니아의 외부 배출에 의한 낭비를 최소화할 수 있다. 또한, 하나 이상의 연료를 이용하여 전기를 생산할 때, 공급되는 연료의 종류에 따른 연료전지 스택(310)의 내부 온도 제어 방법을 제공하여 발전 효율을 극대화한 상태로 유지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 시스템의 개념도이다.
도시하지 않았으나, 종래 연료전지 시스템에서는 단일의 핫박스에 연료전지 스택과 연료전지 스택에 대해 공급하기 위한 연료를 처리하는 혼합기, 개질기, 열교환기, 버너 등의 구성을 모두 포함시킨 상태로 모듈화하는 것이 일반적이었다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 공급부(100), 연료전지 운전부(200) 및 연료전지 스택박스(300)를 포함한다. 연료전지 스택박스(300)는 복수 개의 연료전지 스택(310a, 310b, 310c)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 하나 이상의 연료전지 스택박스(300)에 대해 복수 개의 연료전지 운전부(200)를 구비할 수 있으며, 앞선 실시예와 달라지는 점을 중심으로 설명하고 동일한 부분은 앞선 실시예의 내용으로 갈음한다.
도시하지 않았으나, 본 실시예에 따른 연료 공급부(100)는, 액화가스 공급부(110), 수소 공급부(120), 스팀 공급부(130) 및 암모니아 공급부(150) 등을 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 다중연료를 이용하는 연료전지 시스템이며, 연료전지 운전부는 이러한 다중연료를 처리하여 연료전지 스택(310)에 공급하기 위해 마련되는 것일 수 있다.
본 실시예에서 연료전지 운전부(200)는 모듈 형태로 마련되어 하나 이상이 연료 공급부(100) 및 연료전지 스택박스(300)와 각각 연결되어 사용될 수 있다. 구체적으로, 연료전지 시스템은 공급되는 연료의 종류에 대응하거나 이보다 많은 개수의 연료전지 운전부(200)를 포함할 수 있으며, 연료전지 운전부(200)는 복수 개의 연료전지 운전부들을 포괄하여 지칭할 수 있다.
연료전지 운전부(200)가 모듈 형태로 마련된다는 것은, 연료전지 운전부(200)로 공급되는 특정한 연료를 처리하여 수소를 포함하는 연료를 준비하고, 이를 연료전지 스택(310)을 포함하는 연료전지 스택박스(300)로 공급하기 위한 구성 요소들을 포함한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 연료전지 운전부(200)는 연료나 공기를 이송하기 위한 배관, 배관에 마련되는 밸브, 연료나 공기의 이송 압력이 부족한 경우 가압하기 위한 펌프나 블로워, 개질기, 열교환기, 크래킹 모듈, 버너, 센서 등의 구성 요소들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 연료전지 시스템을 구비하는 선박에는 연료 공급부(100)로서 액화가스 공급부(110), 수소 공급부(120), 스팀 공급부(130) 및 암모니아 공급부(150)를 포함할 수 있다. 도시하지 않았으나, 액화가스 공급부(110)는 액화천연가스와 액화석유가스를 각각의 공급라인을 통해 공급하는 것일 수 있다. 이러한 경우, 연료전지 운전부(200)는 액화천연가스를 공급받는 제1 연료전지 운전부(200a), 액화석유가스를 공급받는 제2 연료전지 운전부(200b), 수소를 공급받는 제3 연료전지 운전부(200c) 및 암모니아를 공급받는 제4 연료전지 운전부(200d)를 포함할 수 있다. 각각의 연료전지 운전부(200)는 공기 공급부(140)로부터 공기를 공급받아 전술한 제2 열교환기(240)에서 예열한 뒤, 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다.
제1 연료전지 운전부(200a)는 액화가스 공급부(110)로부터 액화천연가스를 공급받아 처리하여 수소를 포함하는 연료를 준비할 수 있고, 이를 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다. 제1 연료전지 운전부(200a)는 도 1에서 설명한 것과 같은 연료전지 운전부(200)의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 연료전지 운전부(200a)는 혼합기(210), 제1 열교환기(220), 개질기(230), 제2 열교환기(240) 및 버너(250) 등을 포함할 수 있다. 제1 연료전지 운전부(200a)는 액화가스로서 액화천연가스만을 공급받고, 스팀 공급부(130)로부터 스팀을 공급받아 개질기(230)에서 액화천연가스를 개질하여 수소를 포함하는 연료를 준비하는 것일 수 있으나, 전술한 실시예에서와 같이 수소 공급부(120)로부터 공급되는 수소도 이용할 수 있다.
제2 연료전지 운전부(200b)는 액화가스 공급부(110)로부터 액화석유가스를 공급받아 처리하여 수소를 포함하는 연료를 준비할 수 있고, 이를 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다. 제2 연료전지 운전부(200b) 또한 도 1에서 설명한 것과 같은 연료전지 운전부(200)의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 연료전지 운전부(200b)는 혼합기(210), 제1 열교환기(220), 개질기(230), 제2 열교환기(240) 및 버너(250) 등을 포함할 수 있다. 제2 연료전지 운전부(200b)는 액화가스로서 액화석유가스만을 공급받고, 스팀 공급부(130)로부터 스팀을 공급받아 개질기(230)에서 액화석유가스를 개질하여 수소를 포함하는 연료를 준비하는 것일 수 있으나, 전술한 실시예에서와 같이 수소 공급부(120)로부터 공급되는 수소도 이용할 수 있다.
제3 연료전지 운전부(200c)는 수소 공급부(120)로부터 수소를 공급받아 처리할 수 있고, 이를 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다. 제3 연료전지 운전부(200c)는 도 1에서 설명한 것과 같은 연료전지 운전부(200)에서 일부 구성이 생략된 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 연료전지 운전부(200c)는 제1 열교환기(220), 제2 열교환기(240) 및 버너(250)만을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제3 연료전지 운전부(200c)는 수소만을 공급받아 제1 열교환기(220)에서 예열하여 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다.
제4 연료전지 운전부(200d)는 암모니아 공급부(150)로부터 암모니아를 공급받아 처리하여 수소를 포함하는 연료를 준비할 수 있고, 이를 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다. 제4 연료전지 운전부(200d)는 도 2에서 설명한 것과 같은 연료전지 운전부(200)의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제4 연료전지 운전부(200d)는 혼합기(210), 제1 열교환기(220), 개질기(230), 제2 열교환기(240), 버너(250) 및 크래킹 모듈(260) 등을 포함할 수 있다. 제4 연료전지 운전부(200d)는 암모니아만을 공급받아, 이를 크래킹 모듈(260)로 공급하여 수소를 포함하는 연료를 준비하는 것일 수 있으나, 전술한 실시예에서와 같이 액화가스 공급부(110)로부터 공급되는 액화가스나 수소 공급부(120)로부터 공급되는 수소도 이용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전술한 것과 같은 네 개의 연료전지 운전부(200)를 포함하여, 네 가지의 다중연료를 사용할 수 있게 된다. 예를 들어, 연료 공급부(100)에 연결되는 연료 공급라인(L100)은 제1 연료전지 운전부(200a)에 대해서는 액화천연가스만을 공급하고, 제2 연료전지 운전부(200b)에 대해서는 액화석유가스만을 공급하고, 제3 연료전지 운전부(200c)에 대해서는 수소만을 공급하고, 제4 연료전지 운전부(200d)에 대해서는 암모니아만을 공급할 수 있다. 각각의 연료전지 운전부(200)는 연료공급라인(L310)을 통해 수소를 포함하는 연료를 하나의 연료전지 스택박스(300)에 공급할 수 있다. 공기 공급부(140)에 연결되는 공기 공급라인(L140)은 각각의 연료전지 운전부(200)에 공기를 공급할 수 있으며, 공기는 연료전지 운전부(200) 내에서 예열되어 공기 공급라인(L320)을 통해 연료전지 스택박스(300)로 공급될 수 있다. 연료전지 스택박스(300)로 공급되는 연료 및 공기는 각각의 연료전지 스택(310a, 310b, 310c)으로 공급될 수 있다. 연료전지 스택(310)에서 배출되는 가스는 연료극배출라인(L330) 및 공기극배출라인(L340)을 통해 다시 각각의 연료전지 운전부(200)로 전달되어 해당 운전부(200)의 버너(250), 제1 열교환기(220) 또는 크래킹 모듈(260)로 공급되어 활용될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 이를 구비하는 선박은, 연료전지 운전부(200)를 모듈 형태로 구성하여, 선박에서 연료전지에 대해 공급 가능한 연료의 종류가 결정됨에 따라 이에 맞는 연료전지 운전부(200)를 연료 공급부(100)와 연료전지 스택박스(300)에 각각 연결하여 간편하게 사용할 수 있다. 따라서, 종래 연료전지 운전부(200) 내에 포함된 구성들과 연료전지 스택박스(300) 내에 배치되는 연료전지 스택(310)이 하나의 모듈로 구성되는 시스템에 비해 다중연료에 대한 보다 유연한 대처가 가능하게 된다.
예를 들어, 선박은 액화천연가스만을 공급할 수 있는 상황일 수 있다. 이러한 경우, 연료 공급부(100)와 연료전지 스택박스(300) 사이에는 제1 연료전지 운전부(200a)를 연결하여 사용할 수 있다. 이후, 선박은 수소만을 공급할 수 있는 상황에 처할 수 있다. 이때는, 제1 연료전지 운전부(200a)와 연료 공급부(100) 및 연료전지 스택박스(300)의 연결을 해제하고, 제3 연료전지 운전부(200c)를 연결하여 연료전지 스택(310)을 구동할 수 있게 된다.
전술한 것과 같이, 액화가스 공급라인(L110), 스팀 공급라인(L130), 연료공급라인(L310) 및 공기공급라인(L320)은 연료 공급부(100), 공기 공급부(140), 연료전지 운전부(200) 및 연료전지 스택박스(300) 사이에서 분리 가능하게 마련되는 것일 수 있으므로, 사용 연료가 변경됨에 따라 각 라인을 분리하고, 연료전지 운전부(200)를 다른 모듈로 교체한 뒤 다시 대응되는 라인을 연결하는 방식으로 간편한 교체가 가능해진다. 즉, 연료전지 운전부(200)는 연료 공급부(100), 공기 공급부(140) 및 연료전지 스택박스(300) 각각과 분리 가능하게 연결되는 것일 수 있다.
본 실시예에서 연료전지 운전부(200)는 처리할 수 있는 연료의 종류가 상이할 수 있으며, 하나의 연료전지 운전부(200)가 하나 이상의 연료를 처리할 수도 있다. 예를 들어, 제4 연료전지 운전부(200d)의 경우, 암모니아를 비롯하여 액화가스나 수소까지 모두 처리하여 연료로 준비할 수 있다. 그러나, 선박에서는 상대적으로 많은 유량의 연료를 처리하여야 하며, 선박은 건조 후 20 내지 30년에 달하는 장기간의 수명을 가지므로, 연료의 종류에 따라 혼합기(210)와 개질기(230) 등의 가동 여부를 계속 변경하게 되면 해당 구성의 유지 및 보수 비용이 증대될 수 있다. 이에, 본 실시예와 같이 연료 종류에 맞는 모듈 형태의 연료전지 운전부(200)를 사용할 수 있도록 구성하고, 필요에 따라 복수 개로 연결할 수 있도록 마련하면, 연료전지 시스템 전체를 교체할 필요 없이 연료전지 운전부(200)만의 간편한 유지 및 보수를 구현할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 공급부(100), 연료전지 운전부(200) 및 연료전지 스택박스(300)를 포함한다.
본 실시예에서는 하나의 연료전지 스택박스(300)에 복수 개의 연료전지 스택(310a, 310b)을 포함할 수 있으며, 앞선 실시예와 달라지는 점을 중심으로 설명하고 동일한 부분은 앞선 실시예의 내용으로 갈음한다.
연료 공급부(100)는 연료 공급라인(L100)을 통해 연료를 연료전지 운전부(200)에 공급할 수 있으며, 공기 공급부(140)는 공기 공급라인(L140)을 통해 공기를 연료전지 운전부(200)에 공급할 수 있다. 연료전지 운전부(200)는 전술한 실시예와 같이 연료를 처리하고 공기를 예열하여 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택박스(300)는 내부에 복수 개의 연료전지 스택(310a, 310b)이 배치되는 공간을 제공할 수 있으며, 복수 개의 연료전지 스택(310a, 310b)은 연료와 공기의 흐름을 기준으로 서로 직렬로 연결될 수 있다.
도 4를 참조하면, 복수 개의 연료전지 스택(310a, 310b)이 직렬로 연결된다는 것은, 연료전지 스택(310a, 310b)들의 연료극들끼리 및 공기극들끼리 직렬로 연결된다는 것을 의미한다. 연료전지 스택박스(300)는 연료전지 운전부(200)로부터 수소를 포함하는 연료 및 공기를 각각 공급받을 수 있다. 최초 연료전지 운전부(200)로부터 공급되는 연료는 제1 연료공급라인(L310a)을 통해 제1 연료전지 스택(310a)의 연료극에 공급되며, 연료전지 운전부(200)로부터 공급되는 공기는 제1 공기공급라인(L320a)를 통해 제1 연료전지 스택(310a)의 공기극에 공급된다. 제1 연료전지 스택(310a)은 연료 및 공기를 공급받아 전기화학반응을 수행하여 전기를 생산할 수 있으며, 연료극 및 공기극에서 각각 가스를 배출할 수 있다. 도시하지 않았으나, 제1 연료전지 스택(310a)의 연료극에서 배출되는 가스는 제2 연료전지 스택(310b)의 연료극으로 공급될 수 있으며, 제1 연료전지 스택(310a)의 공기극에서 배출되는 가스는 제2 연료전지 스택(310b)의 공기극으로 공급될 수 있다. 제1 연료전지 스택(310a)의 연료극에서 배출되는 가스 중에는 제1 연료전지 스택(310a)에서 사용되지 않은 미사용 연료가 포함되어 있으며, 제1 연료전지 스택(310a)의 공기극에서 배출되는 가스 중에는 제1 연료전지 스택(310a)에서 사용되지 않은 산소가 포함되어 있다. 제2 연료전지 스택(310b)은 제1 연료전지 스택(310a)에서 사용하지 않은 연료와 산소를 공급받아 전기화학반응을 수행하여 전기를 생산할 수 있게 된다.
동일한 방식으로 두 개 이상의 연료전지 스택(310)을 직렬로 연결하여 사용할 수 있음이 이해될 것이다. 즉, 연료전지 스택(310)은 연료극이 상기 연료전지 스택(310)과 인접하는 연료전지 스택(310)의 연료극과 연결되며, 공기극이 상기 연료전지 스택(310)과 인접하는 연료전지 스택(310)의 공기극과 연결될 수 있다.
복수 개의 연료전지 스택(310) 중 연료와 공기의 흐름을 기준으로 최후단에 연결되어, 미사용 연료를 포함하는 가스와 산소를 포함하는 가스를 공급받는 연료전지 스택(310)은 전기를 생산한 뒤, 연료극배출라인(L330) 및 공기극배출라인(L340)을 통해 각각의 전극에서 생성되는 가스를 배출할 수 있다. 연료극배출라인(L330) 및 공기극배출라인(L340)을 통해 배출되는 가스는 연료전지 운전부(200)로 전달되어 전술한 버너(250)로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 버너(250)는 가스 중의 미사용 연료를 완전 연소시키는 것일 수 있으며, 버너(250)에서 연소 또는 가열된 가스는 연료전지 운전부(200)에서 연료 및 공기의 가열에 사용된 후 배출되어, 폐열회수부(500)로 공급될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 복수 개의 연료전지 스택(310)을 직렬로 연결함에 따라, 연료 및 공기의 흐름을 기준으로 하류에 위치하는 연료전지 스택(310)에 공급되는 연료 및 공기의 농도가, 상류에 위치하는 연료전지 스택(310)에 공급되는 연료 및 공기의 농도 대비 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 상대적으로 상류에 위치한 연료전지 스택(310) 대비 하류에 위치한 연료전지 스택(310)의 전압이 상대적으로 낮을 수 있다. 선박은 필요에 따라 모든 연료전지 스택(310)에서 동일한 전력을 생산해야 할 수 있다. 이러한 경우, 상대적으로 하류에 위치한 연료전지 스택(310)에서는 상대적으로 많은 전류가 인출되어야 하며, 이는 하류에 위치한 연료전지 스택(310)의 내구성 저하로 이어지게 된다.
이에, 본 실시예에 따른 선박은 연료전지 스택박스(300) 내의 연료전지 스택(310)들의 배치 위치를 주기적으로 변경하여 상대적으로 하류에 위치한 연료전지 스택(310)의 내구성 저하를 방지해줄 수 있다. 예를 들어, 선박은 주기적으로 복수 개의 연료전지 스택(310)을 연료와 공기의 흐름을 기준으로 각각의 후단에 연결되는 연료전지 스택(310)의 위치로 변경하고, 최후단에 연결되는 연료전지 스택(310)은 최상단에 연결되는 연료전지 스택의 위치로 변경할 수 있다. 예를 들어, 연료 및 공기의 흐름을 기준으로 첫 번째에 위치한 제1 연료전지 스택(310a)은 일정 기간 구동한 후에 두 번째에 위치한 제2 연료전지 스택(310b)의 위치로 옮기고, 제2 연료전지 스택(310b)은 그 다음 위치로 옮기며, 가장 마지막에 위치한 연료전지 스택(310)을 제1 연료전지 스택(310a)이 있었던 첫 번째 자리로 옮길 수 있다. 이러한 경우, 첫 번째 자리로 옮겨진 연료전지 스택(310)이 연료전지 운전부(200)로부터 연료와 공기를 공급받을 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 복수 개의 연료전지 스택(310)을 동일한 종류의 전극을 기준으로 직렬로 연결하여, 직전 연료전지 스택(310)에서 배출되는 가스 중의 미사용 연료를 이용하여 발전할 수 있도록 하여 연료의 낭비를 최소화할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 포함되는 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료 공급부(100), 연료전지 운전부(200), 연료전지 스택박스(300) 및 제2 제어부(600)를 포함하며, 앞선 실시예와 달라지는 점을 중심으로 설명하고 동일한 부분은 앞선 실시예의 내용으로 갈음한다.
연료 공급부(100)는 연료 공급라인(L100)을 통해 연료를 연료전지 운전부(200)에 공급할 수 있으며, 공기 공급부(140)는 공기 공급라인(L140)을 통해 공기를 연료전지 운전부(200)에 공급할 수 있다. 연료전지 운전부(200)는 전술한 실시예와 같이 연료를 처리하고 공기를 예열하여 연료전지 스택박스(300)로 공급할 수 있다.
도시하지 않았으나, 연료 공급부(100)와 공기 공급부(140)는 각각 선박 내에 마련되는 압축기 등의 유틸리티를 이용하여 고압으로 가압된 연료와 공기를 공급할 수 있다. 예를 들어, 선박 내에서는 연료와 공기를 10 내지 15 bar로 가압하여 선박의 엔진이나 가스연소유닛, 보일러 등의 수요처에 공급할 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 수요처로 공급되기 위해 가압된 연료와 공기를 연료전지 스택(310)으로 공급하여 이용할 수 있다. 이에 따라, 연료 및 공기를 연료전지 운전부(200)까지 공급하기 위한 별도의 펌프나 블로워가 생략될 수 있어 연료전지 시스템이 간소화되고 배관의 크기를 절감할 수 있게 되어 보다 컴팩트한 시스템의 구현이 가능해진다. 또한, 상대적으로 고압의 연료 및 공기가 공급되면, 연료전지 스택(310)에서의 전기 생산 효율이 향상되는 효과가 있다. 그러나, 선박의 유틸리티에서 공급되는 고압의 연료와 공기는 연료전지 스택(310)이 견딜 수 있는 압력을 넘기 때문에, 연료전지 스택(310) 내부와 외부에 과도한 압력 차이를 유발하여 연료전지 스택(310)이 파손되는 문제가 있었다.
본 실시예에서는 연료전지 스택(310) 내부의 압력과 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력을 조절하여, 연료전지 스택(310)의 손상을 방지하면서 전기 생산 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.
구체적으로, 본 실시예에서 연료전지 스택박스(300)는 대기압보다 높은 공기 압력을 견딜 수 있게 마련되는 압력 용기일 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택박스(300)는 대략 15 bar의 압력을 견디도록 마련될 수 있다.
연료전지 스택박스(300)의 내부에는 연료전지 스택(310)이 마련되며, 연료전지 스택(310)에 대해 연결되는 연료공급라인(L310), 공기공급라인(L320), 연료극배출라인(L330) 및 공기극배출라인(L340)에 대해서는 전술한 실시예의 설명으로 갈음한다. 연료전지 스택(310)에는 연료전지 스택(310)의 내부 압력을 감지하기 위한 압력 센서(311)가 마련될 수 있으며, 연료전지 스택박스(300)에도 내부 압력을 감지하기 위한 압력 센서(320)가 마련될 수 있다.
연료전지 스택박스(300)에는 제1 압력조절라인(L350) 및 제2 압력조절라인(L360)이 연결될 수 있다. 제1 압력조절라인(L350)은 선박 내에 마련되는 에어챔버(A)로부터 가압된 공기를 전달받아 연료전지 스택박스(300) 내부로 공급할 수 있다. 제1 압력조절라인(L350) 상에는 공기의 유동을 조절하는 제1 압력조절밸브(321)가 마련될 수 있다. 제2 압력조절라인(L360)은 연료전지 스택박스(300) 내부의 공기를 에어챔버(A) 등으로 다시 리턴할 수 있다. 제2 압력조절라인(L360) 상에는 공기의 유동을 조절하는 제2 압력조절밸브(322)가 마련될 수 있다.
본 실시예는 제2 제어부(600)를 더 포함하며, 제2 제어부(600)는 연료전지 스택(310) 내부의 압력과 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력을 비교하고, 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력을 제어할 수 있다.
구체적으로, 제2 제어부(600)는 압력 센서(311)로부터 연료전지 스택(310) 내부의 압력에 대한 정보를 수신하며, 압력 센서(320)로부터 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력에 대한 정보를 수신하여 서로 비교할 수 있다. 제2 제어부(600)는 연료전지 스택(310) 내부의 압력이 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력과 같거나 이보다 높은 상태로 유지할 수 있다. 바람직하게는, 제2 제어부(600)는 연료전지 스택(310) 내부의 압력이 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력보다 0.1 내지 10% 높은 상태로 유지하여 연료전지 스택(310)이 선박의 유틸리티로부터 고압의 연료와 공기를 공급받더라도 연료전지 스택(310)이 파열되는 현상을 방지할 수 있다.
제2 제어부(600)는 제1 압력조절라인(L350)의 제1 압력조절밸브(321)와 제2 압력조절라인(L360)의 제2 압력조절밸브(322)의 개도를 조절하여, 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력을 연료전지 스택(310) 내부의 압력과 같거나 이보다 낮은 수준으로 유지할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택(310) 내부의 압력이 갑자기 높아지면, 제2 제어부(600)는 제2 압력조절밸브(322)를 폐쇄하고, 제1 압력조절밸브(321)를 개방하여 연료전지 스택박스(300) 내부의 압력을 연료전지 스택(310) 내부의 압력과 동일하게 맞추어 주거나 이보다 미세하게 낮은 상태로 맞추어 유지할 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택박스(300)를 압력 용기로 구성하고 연료전지 스택박스(300)의 내부 압력을 연료전지 스택(310)과 동일하거나 미세하게 낮도록 유지하여, 연료전지 스택(310)의 내구성이 저하되지 않는 한도 내에서 선박의 유틸리티에서 공급되는 고압의 연료와 공기를 공급받을 수 있게 되어 전기 생산 효율이 향상될 수 있다.
도 6의 (a)는 종래 선박에서 연료전지 스택박스가 배치되는 모습을 나타낸 개념도이며, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서 연료전지 스택박스가 배치되는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 종래 연료전지 스택박스(300)는 그 하부면에 마련되는 하나 이상의 지지부(330)를 이용하여 선체(700)에 배치되었다. 이러한 경우, 선박이 항해하거나 선박에 저장되는 화물의 움직임 또는 유틸리티에서 발생하는 진동이 선체(700)를 통해 연료전지 스택박스(300)의 내부에 배치되는 연료전지 스택(310)에 그대로 전달되었다. 연료전지 스택(310)은 세라믹을 포함하는 셀과 금속 분리판을 적층한 구조를 세라믹 재료로 다시 감싸 밀봉한 구조를 가질 수 있는데, 이러한 밀봉 구조는 진동에 취약하여 장기간의 항해 동안 진동에 노출됨에 따라 파손되는 문제가 있었다.
도 6의 (b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택박스(300)는 내부에 하나 이상의 연료전지 스택(310)이 배치되는 공간을 제공하는 것으로, 하부면에 지지부(330)를 마련하되, 지지부(330)는 고정부(350) 상에 고정되며, 고정부(350)는 액추에이터(360)를 통해 선체(700)에 연결되도록 마련될 수 있다.
연료전지 스택박스(300)는 하부면에 센서부(340)를 더 구비할 수 있다. 센서부(340)는 지지부(330)에 의해 연료전지 스택박스(300)와 고정부(350) 사이의 이격된 공간에 배치될 수 있으며, 센서부(340)는 고정부(350)로부터 미리 정해진 거리(D1)만큼 이격되도록 배치될 수 있다. 센서부(340)는 후술할 고정부(350)와 선체(700) 사이의 거리(D2) 또는 센서부(340)로부터 선체(700) 사이의 거리(D1+D2)를 감지하여 선체(700)로부터의 진동 전달 여부를 감지할 수 있다. 센서부(340)가 감지하는 거리는 양 지점 사이의 최단 거리를 의미한다.
고정부(350)는 일면에 하나 이상의 지지부(330)를 고정하고, 상기 일면에 대한 대향면에 액추에이터(360)와 연결되는 것일 수 있다. 바람직하게는, 고정부(350)는 연료전지 스택박스(300)가 설치되는 선체(700)의 면에 평행한 판 형상일 수 있다.
액추에이터(360)는 선체(700)의 진동을 흡수하여 기계적인 일로 변환하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(360)는 유압으로 작동하여 그 높이가 조절되는 실린더일 수 있다.
도시하지 않았으나, 본 실시예에 따른 선박은 제어부를 구비하여, 센서부(340)로부터 고정부(350)와 선체(700) 사이 거리(D2)에 대한 정보를 수신할 수 있다. 제어부는 상기 거리(D2)의 변화량을 계산하여 액추에이터(360)가 선체(700)로부터 전달되는 진동에 대한 반대 진동을 생성하도록 제어할 수 있다. 액추에이터(360)는 제어부로부터 진동 신호를 수신하여 실린더의 피스톤 운동을 통한 반대 진동을 생성할 수 있으며, 선체(700)로부터 전달되는 진동과 생성되는 진동을 상쇄시킬 수 있다. 반대 진동은, 선박으로부터 전달되는 진동과 동일한 진폭, 진동수를 가지되, 반대되는 위상을 갖는 것일 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택박스(300)의 하부에 센서부(340)와 액추에이터(360)를 구비하여, 선체(700)로부터 전달되는 진동을 상쇄하도록 마련하여, 진동으로부터 연료전지 스택(310)을 보호할 수 있게 된다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 연료 공급부 110: 액화가스 공급부
111: 액화가스 공급밸브 120: 수소 공급부
121: 수소 공급밸브 130: 스팀 공급부
131: 스팀 공급밸브 140: 공기 공급부
141: 공기 공급밸브 150: 암모니아 공급부
200: 연료전지 운전부 210: 혼합기
220: 제1 열교환기 230: 개질기
231: 압력 센서 232: 온도 센서
240: 제2 열교환기 250: 버너
251: 제1 가스분기밸브 252: 제2 가스분기밸브
260: 크래킹 모듈 300: 연료전지 스택박스
310: 연료전지 스택 311: 압력 센서
312: 온도 센서 320: 압력 센서
321: 제1 압력조절밸브 322: 제2 압력조절밸브
330: 지지부 340: 센서부
350: 고정부 360: 액추에이터
400: 제어부 500: 폐열회수부
600: 제2 제어부 700: 선체
L100, L200: 연료 공급라인 L110: 액화가스 공급라인
L120: 수소 공급라인 L130: 스팀 공급라인
L140, L210: 공기 공급라인 L150: 암모니아 공급라인
L220: 가스 배출라인 L221: 제1 가스분기라인
L222: 제2 가스분기라인 L230: 제2 수소 공급라인
L231: 제2 가스 배출라인 L310: 연료공급라인
L320: 공기공급라인 L330: 연료극배출라인
L340: 공기극배출라인 L350: 제1 압력조절라인
L360: 제2 압력조절라인

Claims (9)

  1. 수소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 선박으로서,
    a) 액화가스와 스팀, b) 액화가스와 수소, 또는 c) 수소를 연료전지 스택으로 공급하는 연료 공급라인;
    공기를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 공기 공급라인;
    상기 연료 공급라인 상에 마련되며, 액화가스를 개질하여 수소를 생성하는 개질기; 및
    상기 연료전지 스택의 온도에 따라, 상기 연료 공급라인 및 상기 공기 공급라인 중 적어도 하나를 통해 공급되는 유체의 유량을 조절하는 제어부를 포함하는, 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 가스를 가열하는 버너; 및
    상기 버너에서 가열된 가스를 상기 선박의 폐열회수부로 공급하는 가스 배출라인을 더 포함하며,
    상기 가스 배출라인은,
    가열된 가스를 상기 개질기로 공급하여, 상기 개질기로 공급되는 유체를 가열하는 것인, 선박.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은,
    a) 액화가스와 스팀을 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고,
    상기 개질기는,
    액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 것이며,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 연료 공급라인을 통해 공급되는 유체의 유량을 감소시키는 것인, 선박.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은,
    a) 액화가스와 스팀을 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고,
    상기 개질기는,
    액화가스를 스팀으로 개질하여 수소를 생성하는 것이며,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 가스 배출라인을 통해 상기 개질기로 공급되는 가열된 가스의 유량을 감소시키는 것인, 선박.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은,
    액화가스를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 액화가스 공급라인 및 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 수소 공급라인을 포함하여, b) 액화가스와 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고,
    상기 개질기는,
    상기 가스 배출라인을 통해 공급되는 가열된 가스로 액화가스와 수소를 가열하는 것이며,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 액화가스 공급라인을 통해 공급되는 액화가스의 유량을 증가시키고, 상기 수소 공급라인을 통해 공급되는 수소의 유량을 감소시키는 것인, 선박.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액화가스 공급라인을 통해 상기 연료전지 스택으로 공급되는 액화가스는, 상기 연료전지 스택에서 생성되는 물에 의해 개질되어 수소를 생성하는 것인, 선박.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은,
    c) 수소를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 것이고,
    상기 개질기는,
    상기 가스 배출라인을 통해 공급되는 가열된 가스로 수소를 가열하는 것이며,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택의 온도가 미리 정해진 온도를 초과하면, 상기 공기 공급라인을 통해 공급되는 공기의 유량을 증가시키는 것인, 선박.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 공급라인은,
    상기 개질기의 상류에 마련되어 상기 버너에서 가열된 가스로 상기 연료 공급라인을 통해 공급되는 유체를 가열하는 제1 열교환기를 더 포함하며,
    상기 공기 공급라인은,
    상기 버너에서 가열된 가스로 상기 공기 공급라인을 통해 공급되는 공기를 가열하는 제2 열교환기를 더 포함하는 것인, 선박.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 버너는,
    상기 연료전지 스택의 연료극 배출가스를 연료로 이용하여 상기 연료전지 스택의 공기극 배출가스를 가열하는 것인, 선박.
KR1020200143846A 2020-10-30 2020-10-30 연료전지 및 이를 포함하는 선박 KR102535403B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200143846A KR102535403B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200143846A KR102535403B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220058799A true KR20220058799A (ko) 2022-05-10
KR102535403B1 KR102535403B1 (ko) 2023-05-24

Family

ID=81591944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200143846A KR102535403B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102535403B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102555437B1 (ko) * 2022-06-03 2023-07-13 (주)에프씨아이 Soe-sofc-ccs 하이브리드 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140148177A (ko) * 2013-06-21 2014-12-31 두산중공업 주식회사 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법
KR20170042768A (ko) * 2014-08-19 2017-04-19 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 연료 전지를 위한 다중 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140148177A (ko) * 2013-06-21 2014-12-31 두산중공업 주식회사 연료전지, 이를 포함한 발전 시스템 및 방법
KR20170042768A (ko) * 2014-08-19 2017-04-19 와트 퓨얼 셀 코퍼레이션 연료 전지를 위한 다중 개질가능 연료 전달 시스템 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102555437B1 (ko) * 2022-06-03 2023-07-13 (주)에프씨아이 Soe-sofc-ccs 하이브리드 시스템
WO2023234553A1 (ko) * 2022-06-03 2023-12-07 (주)에프씨아이 Soe-sofc-ccs 하이브리드 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR102535403B1 (ko) 2023-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102269400B1 (ko) 선박
KR102271156B1 (ko) 선박
KR102474938B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102535403B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058801A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058800A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102424868B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058271A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058272A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR20220058273A (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102424861B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102586782B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박
KR102464902B1 (ko) 연료전지 및 이를 포함하는 선박

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant