KR20230030298A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system. The fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes: a reformer that generates hydrogen and carbon monoxide by receiving hydrocarbon fuel; a high-temperature fuel cell that generates power by receiving hydrogen from the reformer; a low-temperature fuel cell that generates power by receiving unreacted hydrogen from the high-temperature fuel cell; and a power management device that manages power generated by the high-temperature fuel cell and the low-temperature fuel cell.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system.

연료전지는 연료극에서의 수소 산화 반응과 공기극에서의 산소 환원 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 이러한 연료전지는 화석연료를 전기 에너지로 변환시키는 과정에서 이산화탄소의 배출을 기존의 발전 방식에 비해 획기적으로 낮을 수 있다는 장점이 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electrical energy through a hydrogen oxidation reaction at an anode and an oxygen reduction reaction at an air cathode. Such a fuel cell has the advantage of significantly lowering the emission of carbon dioxide in the process of converting fossil fuel into electrical energy compared to conventional power generation methods.

이와 같은 연료전지는 고온에서 반응하여 전기 에너지를 생성하는 고온형 연료전지와, 저온에서 반응하여 전기 에너지를 생성하는 저온형 연료전지를 포함한다.Such a fuel cell includes a high-temperature fuel cell generating electrical energy by reacting at a high temperature and a low-temperature fuel cell generating electrical energy by reacting at a low temperature.

종래에 저온형 연료전지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 경우에, 수소를 연료로 사용하여 전기 에너지를 생성하되 낮은 온도에서 구동되므로 전기 에너지 생성시 발생되는 폐열을 활용할 수 없어서 전체적인 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.Conventionally, when electric energy is generated using a low-temperature fuel cell, hydrogen is used as a fuel to generate electric energy, but since it is operated at a low temperature, waste heat generated during electric energy generation cannot be utilized, resulting in a decrease in overall energy efficiency. There is a problem.

또한, 종래에는 고온형 연료전지에 연료와 공기를 공급하여 전기 에너지를 생성하였으나 해당 전기 에너지 생성시에 발생되는 고온의 배가스를 전기 에너지 생성에 효율적으로 활용할 수 있는 방안이 미흡한 실정에 있다.In addition, in the prior art, electric energy was generated by supplying fuel and air to a high-temperature fuel cell, but a method for efficiently utilizing high-temperature exhaust gas generated during electric energy generation for electric energy generation is insufficient.

한편, 이러한 연료전지는 배출가스의 규제를 받는 선박에서도 널리 보급되는 추세인데, 기존에 선박에 적용된 연료전지 시스템은 한 종류의 연료전지를 사용하여 전력 활용 방식이 획일적이기 때문에 다양한 소비 전력 패턴이 요구되는 선박에서는 시스템 개선이 요구되고 있다.On the other hand, these fuel cells tend to be widely used in ships subject to emission regulations. Existing fuel cell systems applied to ships use a single type of fuel cell and have a uniform power utilization method, so various power consumption patterns are required. Improvements in the system are required for ships that are becoming

본 발명의 실시예는 고온형 연료전지와 저온형 연료전지를 효율적으로 운용할 수 있는 연료전지 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a fuel cell system capable of efficiently operating a high-temperature fuel cell and a low-temperature fuel cell.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 탄화 수소 연료(hydrocarbon fuel)를 공급받아 수소와 일산화탄소를 생성하는 개질기와, 상기 개질기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산 고온형 연료전지와, 상기 고온형 연료전지에서 미반응된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 저온형 연료전지, 그리고 상기 고온형 연료전지와 상기 저온형 연료전지에서 생성된 전력을 관리하는 전력 관리 장치를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a fuel cell system includes a reformer receiving hydrocarbon fuel to generate hydrogen and carbon monoxide, a high-temperature fuel cell receiving hydrogen from the reformer and generating power, and the high-temperature type fuel cell. A low-temperature fuel cell that generates power by receiving unreacted hydrogen from a fuel cell, and a power management device that manages power generated by the high-temperature fuel cell and the low-temperature fuel cell.

상기한 연료전지 시스템은 상기 개질기에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 개질기에 열 에너지를 공급하는 열 에너지 공급부를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a fuel supply unit supplying fuel to the reformer and a thermal energy supply unit supplying thermal energy to the reformer.

상기 고온형 연료전지는 상기 개질기로부터 수소를 공급받는 제1 연료극과, 산소를 공급받는 제1 공기극, 그리고 상기 제1 연료극과 상기 제1 공기극 사이에 개재된 제1 전해질을 포함할 수 있다.The high-temperature fuel cell may include a first fuel electrode receiving hydrogen from the reformer, a first air electrode receiving oxygen, and a first electrolyte interposed between the first fuel electrode and the first air electrode.

상기 저온형 연료전지는 상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 미반응된 수소와 물을 공급받는 제2 연료극과, 산소와 물을 공급받는 제2 공기극, 그리고 상기 제2 연료극과 상기 제2 공기극 사이에 개재된 제2 전해질을 포함할 수 있다.The low-temperature fuel cell includes a second anode for receiving unreacted hydrogen and water discharged from the first fuel electrode of the high-temperature fuel cell, a second air electrode for receiving oxygen and water, and the second fuel cell and the second fuel cell. A second electrolyte interposed between the second air electrodes may be included.

상기한 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에 산소를 공급하는 압축기와, 상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 수소와 물을 상기 압축기가 상기 제1 공기극에 공급하는 산소와 열교환시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system described above includes a compressor supplying oxygen to the first cathode of the high-temperature fuel cell, and the compressor supplying hydrogen and water discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell to the first cathode. It may further include a first heat exchanger for exchanging heat with oxygen.

상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에서 배출된 산소는 회수된 후 상기 제1 공기극으로 재공급될 수 있다.Oxygen discharged from the first cathode of the high-temperature fuel cell may be recovered and then re-supplied to the first cathode.

상기한 연료전지 시스템은 상기 제2 공기극의 배출 가스로부터 수증기를 회수하는 물 회수 장치와, 상기 물 회수 장치가 회수한 물로 상기 제2 공기극 및 상기 개질기에 공급할 수분을 생성하는 가습기, 그리고 상기 물 회수 장치가 회수한 물을 상기 가습기로 공급하는 펌프를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system described above includes a water recovery device that recovers water vapor from exhaust gas of the second cathode, a humidifier that generates moisture to be supplied to the second cathode and the reformer with water recovered by the water recovery device, and the water recovery device. The device may further include a pump supplying the recovered water to the humidifier.

상기 가습기는 상기 저온형 연료전지의 상기 제2 공기극에 수분과 함께 산소를 공급할 수 있다.The humidifier may supply oxygen along with moisture to the second cathode of the low-temperature fuel cell.

상기한 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 수소를 상기 가습기가 상기 개질기로 공급하는 수분과 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시키는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system described above may further include a second heat exchanger for vaporizing the hydrogen discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell by exchanging heat with moisture supplied from the humidifier to the reformer to vaporize the moisture.

상기한 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에서 배출된 산소 및 상기 개질기의 배출 가스를 상기 가습기가 상기 개질기로 공급하는 수분과 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system described above further includes a third heat exchanger for vaporizing the moisture into water vapor by exchanging heat between oxygen discharged from the first cathode of the high-temperature fuel cell and exhaust gas of the reformer with moisture supplied to the reformer by the humidifier can include

상기한 연료전지 시스템은 상기 개질기 및 상기 고온형 연료전지를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전하는 핫박스를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a hot box for accommodating the reformer and the high-temperature fuel cell therein to conserve thermal energy.

상기한 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 제1 전력 변환 장치와, 상기 저온형 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 제2 전력 변환 장치를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system described above includes a first power converter for converting power generated by the high-temperature fuel cell from direct current to alternating current and supplying the converted power to the power management device, and converting power generated by the low-temperature fuel cell from direct current to alternating current. A second power converter for converting and supplying the converted power to the power management device may be further included.

상기 전력 관리 장치는 상기 제1 전력 변환 장치에서 생성된 전력으로 기저 부하를 관리하고, 상기 제2 전력 변환 장치에서 생성된 전력으로 첨두 부하를 관리할 수 있다.The power management device may manage a base load with power generated by the first power converter and manage a peak load with power generated by the second power converter.

상기한 연료전지 시스템은 상기 제1 전력 변환 장치, 상기 제2 전력 변환 장치, 및 상기 전력 관리 장치 중 하나 이상으로부터 전력을 공급받아 저장하거나 저장된 전력을 공급하는 전기 에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include an electric energy storage unit receiving and storing power supplied from at least one of the first power converter, the second power converter, and the power management device, or supplying the stored power.

상기 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)이고, 상기 저온형 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)일 수 있다.The high-temperature fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC), and the low-temperature fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). ) can be.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 고온형 연료전지와 저온형 연료전지를 효율적으로 운용하여 사용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a fuel cell system can efficiently operate and use a high-temperature fuel cell and a low-temperature fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구체적인 구성도이다.1 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.It is advised that the drawings are schematic and not drawn to scale. Relative dimensions and proportions of parts in the drawings are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the drawings, and any dimensions are illustrative only and not limiting. And like structures, elements or parts appearing in two or more drawings, like reference numerals are used to indicate like features.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.The embodiments of the present invention specifically represent ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the diagram are expected. Therefore, the embodiment is not limited to the specific shape of the illustrated area, and includes, for example, modification of the shape by manufacturing.

또한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 가진다. 본 명세서에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.In addition, all technical terms and scientific terms used in this specification have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined. All terms used herein are selected for the purpose of more clearly describing the present invention and are not selected to limit the scope of rights according to the present invention.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '포함하는', '구비하는', '갖는' 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.In addition, expressions such as 'comprising', 'including', 'having', etc. used in this specification imply the possibility of including other embodiments, unless otherwise stated in the phrase or sentence in which the expression is included. It should be understood in open-ended terms.

또한, 본 명세서에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.In addition, singular expressions described in this specification may include plural meanings unless otherwise stated, and this applies to singular expressions described in the claims as well.

또한, 본 명세서에서 사용되는 '제1', '제2' 등의 표현들은 복수의 구성 요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.In addition, expressions such as 'first' and 'second' used in this specification are used to distinguish a plurality of components from each other, and do not limit the order or importance of the components.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)을 설명한다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 선박에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.Hereinafter, a fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 . For example, the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention can be used to supply power to ships.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 개질기(200), 고온형 연료전지(300), 저온형 연료전지(500), 및 전력 관리 장치(800)를 포함할 수 있다.1 and 2, a fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention includes a reformer 200, a high-temperature fuel cell 300, a low-temperature fuel cell 500, and power management. device 800.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 연료 공급부(280), 열 에너지 공급부(250), 압축기(230), 제1 열교환기(410), 제2 열교환기(420), 제3 열교환기(430), 물 회수 장치(650), 가습기(640), 펌프(680), 핫박스(hot box, 350), 제1 전력 변환 장치(810), 제2 전력 변환 장치(820), 및 전기 에너지 저장부(840)를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention includes a fuel supply unit 280, a thermal energy supply unit 250, a compressor 230, a first heat exchanger 410, and a second heat exchanger 420. , a third heat exchanger 430, a water recovery device 650, a humidifier 640, a pump 680, a hot box 350, a first power converter 810, a second power converter ( 820), and an electrical energy storage unit 840 may be further included.

개질기(200)는 탄화 수소 연료(hydrocarbon fuel)를 공급받아 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산할 수 있다. 또한, 개질기(200)는 탄화 수소 연료를 공급받아 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산하기 위해 필요한 열 에너지를 외부로부터 공급받을 수 있다.The reformer 200 may receive hydrocarbon fuel and produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). In addition, the reformer 200 may receive a supply of hydrocarbon fuel and heat energy required to produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) from the outside.

또한, 개질기(200)는 후술할 가습기(640)로부터 수증기를 공급받을 수 있다. 수증기는 개질기(200)가 탄화 수소 연료로 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산하는데 요구될 수 있다.In addition, the reformer 200 may receive water vapor from a humidifier 640 to be described later. Steam may be required for the reformer 200 to produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) as hydrocarbon fuel.

연료 공급부는 개질기(200)가 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산하기 위해 필요한 탄화 수소 연료를 공급할 수 있다.The fuel supply unit may supply hydrocarbon fuel required for the reformer 200 to produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).

열 에너지 공급부(250)는 개질기(200)는 탄화 수소 연료를 공급받아 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산하기 위해 필요한 열 에너지를 공급할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지 공급부(250)는 버너 또는 전기 히터를 포함하거나 선박에서 배출되는 고온의 배기가스를 활용할 수도 있다.The heat energy supply unit 250 may supply heat energy necessary for the reformer 200 to receive hydrocarbon fuel and produce hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). For example, the thermal energy supply unit 250 may include a burner or an electric heater, or utilize high-temperature exhaust gas discharged from a ship.

이와 같은 열 에너지 공급부(250)는 열 에너지를 지속적으로 공급하여 개질기(200)에서 수소를 생산할 수 있는 분위기 온도까지 상승시키는 동시에 고온형 연료전지(300)도 승온을 시킬 수 있다.Such a heat energy supply unit 250 continuously supplies heat energy to raise the temperature of the atmosphere at which hydrogen can be produced in the reformer 200 and simultaneously raises the temperature of the high-temperature fuel cell 300 .

고온형 연료전지(300)는 개질기(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 예를 들어, 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)를 포함할 수 있다. 여기서, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 전해질로 산소 이온 또는 수소 이온을 통과시킬 수 있는 고체산화물을 이용할 수 있으며, 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 전해질로 용융탄산염을 이용할 수 있다.The high-temperature fuel cell 300 may generate power by receiving hydrogen from the reformer 200 . For example, the high-temperature fuel cell may include a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC). Here, the solid oxide fuel cell (SOFC) may use a solid oxide capable of passing oxygen ions or hydrogen ions as an electrolyte, and the molten carbonate fuel cell (MCFC) may use a molten carbonate as an electrolyte.

구체적으로, 고온형 연료전지(300)는 개질기(200)로부터 수소를 공급받는 제1 연료극(310)과, 산소를 공급받는 제1 공기극(320), 그리고 제1 연료극(310)과 제1 공기극(320) 사이에 개재된 제1 전해질(320)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 공기극(320)에는 후술할 압축기(230)가 산소를 공급할 수 있다. 그리고 제1 전해질(330)은 산소 이온 또는 수소 이온을 통과시킬 수 있는 고체산화물이거나 용융탄산염일 수 있다.Specifically, the high-temperature fuel cell 300 includes a first fuel electrode 310 receiving hydrogen from the reformer 200, a first air electrode 320 receiving oxygen, and the first fuel electrode 310 and the first air electrode. It may include a first electrolyte 320 interposed between (320). In this case, a compressor 230 to be described later may supply oxygen to the first cathode 320 . And, the first electrolyte 330 may be a solid oxide or molten carbonate capable of passing oxygen ions or hydrogen ions.

또한, 고온형 연료전지(300)는 켜고 끄는 것이 저온형 연료전지(500)와 비교하여 상대적으로 쉽지 않으므로, 지속적으로 가동 상태를 유지해야 한다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)에서 고온형 연료전지(300)는 선박의 기저 부하를 담당하게 된다.In addition, since turning on and off of the high-temperature fuel cell 300 is relatively difficult compared to the low-temperature fuel cell 500, it must be continuously operated. Accordingly, in the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention, the high-temperature fuel cell 300 takes charge of the ship's base load.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온형 연료전지(300)의 제1 연료극에서는 미반응된 수소(H2)와 물(H2O)이 배출될 수 있다. 이때, 개질기(200)에서 생성된 일산화탄소는 고온형 연료전지(300)에서 최대한으로 소모되어 고온형 연료전지(300)의 제1 연료극(310)에는 수소 위주의 가스가 배출될 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, unreacted hydrogen (H 2 ) and water (H 2 O) may be discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell 300 . At this time, carbon monoxide generated in the reformer 200 is maximally consumed in the high-temperature fuel cell 300, and hydrogen-oriented gas may be discharged from the first anode 310 of the high-temperature fuel cell 300.

저온형 연료전지(500)는 고온형 연료전지(300)에서 미반응된 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 예를 들어, 저온형 연료전지(500)는 고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)를 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 전해질로 고분자 이온 교환막을 이용할 수 있다.The low-temperature fuel cell 500 may generate power by receiving unreacted hydrogen from the high-temperature fuel cell 300 . For example, the low-temperature fuel cell 500 may include a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). Here, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) may use a polymer ion exchange membrane as an electrolyte.

또한, 저온형 연료전지(500)는 복수개로 구성되어 하나의 저온형 연료전지 스택 그룹을 형성할 수 있다.In addition, a plurality of low-temperature fuel cells 500 may be configured to form one low-temperature fuel cell stack group.

구체적으로, 저온형 연료전지(500)는 고온형 연료전지(300)의 제1 연료극(310)에서 배출된 미반응된 수소와 물을 공급받는 제2 연료극(510)과, 산소와 물을 공급받는 제2 공기극(520), 그리고 제2 연료극(510)과 제2 공기극(520) 사이에 개재된 제2 전해질(530)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 공기극(520)에는 후술할 가급기(640)가 산소와 수분을 공급할 수 있다. 그리고 제2 전해질(530)은 고분자 이온 교환막일 수 있다.Specifically, the low-temperature fuel cell 500 includes a second anode 510 receiving unreacted hydrogen and water discharged from the first anode 310 of the high-temperature fuel cell 300, and supplying oxygen and water. A receiving second air electrode 520 and a second electrolyte 530 interposed between the second fuel electrode 510 and the second air electrode 520 may be included. In this case, a gas charger 640 to be described later may supply oxygen and moisture to the second air electrode 520 . And the second electrolyte 530 may be a polymeric ion exchange membrane.

또한, 저온형 연료전지(500)는 켜고 끄는 것이 고온형 연료전지(300)와 비교하여 상대적으로 용이하므로, 순간적으로 필요한 전력을 생산하는데 유리하다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)에서 저온형 연료전지(500)는 선박의 첨두 부하를 담당하게 된다.In addition, since the low-temperature fuel cell 500 is relatively easy to turn on and off compared to the high-temperature fuel cell 300, it is advantageous to instantaneously generate required power. Accordingly, in the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention, the low-temperature fuel cell 500 is responsible for the peak load of the ship.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저온형 연료전지(500)의 제2 연료극(510)에는 별도로 만련된 개질기가 수소를 공급하지 않고 고온형 연료전지(300)에서 미반응된 수소(H2)가 공급되어 연료로 사용된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 저온형 연료전지(500)에 연료를 공급하기 위한 개질기가 필요하지 않게 된다. 또한, 하나의 개질기로 고온형 연료전지(300)와 저온형 연료전지(500)에 모두 연료를 공급할 필요도 없다. 하나의 개질기로 서로 다른 2종류의 연료전지(300, 500)에 연료를 공급하게 되면 구성이 복잡해질 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서는 개질기(200)가 고온형 연료전지(300)에만 수소를 공급하면 되므로, 개질기(200)를 컴팩트(compact)하고 간소하게 구성할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a separately operated reformer does not supply hydrogen to the second fuel electrode 510 of the low-temperature fuel cell 500, and hydrogen unreacted in the high-temperature fuel cell 300 (H 2 ) is supplied and used as fuel. That is, in one embodiment of the present invention, a reformer for supplying fuel to the low-temperature fuel cell 500 is not required. In addition, it is not necessary to supply fuel to both the high-temperature fuel cell 300 and the low-temperature fuel cell 500 with one reformer. When fuel is supplied to two different types of fuel cells 300 and 500 with one reformer, the configuration may become complicated. However, since the reformer 200 only needs to supply hydrogen to the high-temperature fuel cell 300 in one embodiment of the present invention, the reformer 200 can be compactly and simply configured.

압축기(230)는 고온형 연료전지(300)의 제1 공기극(310)에 산소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 압축기(230)는 산소가 포함된 압축 공기를 고온형 연료전지(300)로 공급할 수 있다.The compressor 230 may supply oxygen to the first cathode 310 of the high-temperature fuel cell 300 . For example, the compressor 230 may supply compressed air containing oxygen to the high-temperature fuel cell 300 .

그리고 고온형 연료전지(300)에 공급된 후 미반응된 산소는 고온형 연료전지(300)의 제1 공기극(310)에서 배출되고, 배출된 산소는 회수되어 제1 공기극(310)으로 재공급될 수 있다. 이때, 제1 공기극(310)에서 배출된 산소는 압축기(230)가 고온형 연료전지(300)로 공급하는 산소와 합류될 수 있다.After being supplied to the high-temperature fuel cell 300, unreacted oxygen is discharged from the first cathode 310 of the high-temperature fuel cell 300, and the oxygen discharged is recovered and re-supplied to the first cathode 310. It can be. At this time, oxygen discharged from the first cathode 310 may be combined with oxygen supplied from the compressor 230 to the high-temperature fuel cell 300 .

제1 열교환기(410)는 고온형 연료전지(300)의 제1 연료극(310)에서 배출된 수소와 물을 압축기(230)가 제1 공기극(310)에 공급하는 산소와 열교환시킬 수 있다. 즉, 제1 열교환기(410)는 고온형 연료전지(300)의 제1 공기극(320)에 공급되는 산소의 온도를 승온시켜, 고온형 연료전지(300)에 공급되는 산소에 의해 고온형 연료전지(300)의 온도가 낮아지는 것을 억제 또는 최소화할 수 있다.The first heat exchanger 410 may heat exchange hydrogen and water discharged from the first fuel electrode 310 of the high-temperature fuel cell 300 with oxygen supplied from the compressor 230 to the first air electrode 310 . That is, the first heat exchanger 410 raises the temperature of the oxygen supplied to the first air electrode 320 of the high-temperature fuel cell 300, and uses the oxygen supplied to the high-temperature fuel cell 300 to generate the high-temperature fuel. A decrease in the temperature of the battery 300 may be suppressed or minimized.

물 회수 장치(650)는 저온형 연료전지(500)의 제2 공기극(520)의 배출 가스로부터 수증기를 회수하여 액체 상태의 물로 저장할 수 있다.The water recovery device 650 may recover water vapor from exhaust gas of the second cathode 520 of the low-temperature fuel cell 500 and store it as liquid water.

펌프(680)는 물 회수 장치(650)가 회수한 물을 후술할 가습기(640)로 공급할 수 있다. 물 회수 장치(650)에 의해 수분이 제거된 산소 또는 산소를 포함한 공기는 경우에 따라 다시 저온형 연료전지(500)의 제2 공기극(520)으로 공급되거나 외부로 배출되어 저장되거나 다른 용도로 사용될 수 있다.The pump 680 may supply the water recovered by the water recovery device 650 to a humidifier 640 to be described later. Oxygen or oxygen-containing air from which moisture is removed by the water recovery device 650 is supplied to the second cathode 520 of the low-temperature fuel cell 500 or discharged to the outside and stored or used for other purposes, depending on the case. can

가습기(640)는 물 회수 장치(650)가 회수한 물로 저온형 연료전지(500)의 제2 공기극(520) 및 개질기(200)에 공급할 수분을 생성할 수 있다. 이때, 가습기(640)는 저온형 연료전지(500)의 제2 공기극(520)에 수분과 함께 산소를 공급할 수도 있다.The humidifier 640 may generate moisture to be supplied to the second cathode 520 and the reformer 200 of the low-temperature fuel cell 500 with water recovered by the water recovery device 650 . In this case, the humidifier 640 may supply oxygen along with moisture to the second cathode 520 of the low-temperature fuel cell 500 .

제2 열교환기(420)는 가습기(640)가 개질기(200)로 공급하는 수분을 고온형 연료전지(300)의 제1 연료극(310)에서 배출된 수소와 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시킬 수 있다.The second heat exchanger 420 heat-exchanges moisture supplied from the humidifier 640 to the reformer 200 with hydrogen discharged from the first anode 310 of the high-temperature fuel cell 300 to vaporize the moisture into water vapor. there is.

제3 열교환기(430)는 가습기(640)가 개질기(200)로 공급하는 수분을 고온형 연료전지(300)의 제1 공기극(320)에서 배출된 산소 및 개질기(200)의 배출 가스와 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시킬 수 있다.The third heat exchanger 430 heats the moisture supplied from the humidifier 640 to the reformer 200 with oxygen discharged from the first cathode 320 of the high-temperature fuel cell 300 and the exhaust gas of the reformer 200 This can turn the moisture into water vapor.

이와 같이, 가습기(640)가 개질기(200)로 공급하는 수분은 제2 열교환기(420)와 제3 열교환기(430)를 거치면서 수증기로 기화되고, 개질기(200)에는 수증기가 공급될 수 있게 된다.In this way, the moisture supplied from the humidifier 640 to the reformer 200 is vaporized into water vapor while passing through the second heat exchanger 420 and the third heat exchanger 430, and the water vapor can be supplied to the reformer 200. there will be

핫박스(hot box, 350)는 개질기(200) 및 고온형 연료전지(300)를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전할 수 있다. 이와 같이, 핫박스(350)를 통해 개질기(200)와 고온형 연료전지(300)가 안정적이고 효율적으로 고온 상태를 유지할 수 있게 된다.The hot box 350 may accommodate the reformer 200 and the high-temperature fuel cell 300 therein to conserve thermal energy. In this way, the reformer 200 and the high-temperature fuel cell 300 can stably and efficiently maintain a high-temperature state through the hot box 350 .

제1 전력 변환 장치(inverter)(810)는 고온형 연료전지(300)에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 후술할 전력 관리 장치(800)로 공급할 수 있다.The first power converter 810 may convert the power generated by the high-temperature fuel cell 300 from direct current to alternating current and supply the power to the power management device 800 to be described later.

제2 전력 변환 장치(820)상기 저온형 연료전지(500)에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 후술할 전력 관리 장치(800)로 공급할 수 있다.The second power converter 820 may convert the power generated by the low-temperature fuel cell 500 from direct current to alternating current and supply the power to the power management device 800 to be described later.

전력 관리 장치(800)는 고온형 연료전지(300)와 저온형 연료전지(400)에서 생성된 전력을 관리할 수 있다.The power management device 800 may manage power generated by the high-temperature fuel cell 300 and the low-temperature fuel cell 400 .

구체적으로, 전력 관리 장치(800)는 고온형 연료전지(300)는 기저 부하를 담당하고, 저온형 연료전지(400)는 첨두 부하를 담당하도록 제어할 수 있다. 즉, 전력 관리 장치(800)는 제1 전력 변환 장치(810)에서 생성된 전력으로 기저 부하를 관리하고, 제2 전력 변환 장치(820)에서 생성된 전력으로 첨두 부하를 관리할 수 있다.Specifically, the power management device 800 may control the high-temperature fuel cell 300 to take charge of a base load and the low-temperature fuel cell 400 to take charge of a peak load. That is, the power management device 800 may manage a base load with power generated by the first power converter 810 and manage a peak load with power generated by the second power converter 820 .

전기 에너지 저장부(840)는 제1 전력 변환 장치(810), 제2 전력 변환 장치(820), 및 전력 관리 장치(800) 중 하나 이상으로부터 전력을 공급받아 저장하거나 저당된 전력을 공급할 수 있다.The electrical energy storage unit 840 may receive power from at least one of the first power conversion device 810, the second power conversion device 820, and the power management device 800 to supply stored or mortgaged power. .

도 2에서 참조부호 900은 선박에서 전기를 필요로 하는 각종 전기 장치, 즉 기저 부하 및 첨두 부하를 나타낸다.In FIG. 2 , reference numeral 900 denotes various electrical devices that require electricity in a ship, that is, a base load and a peak load.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)은 고온형 연료전지(300)와 저온형 연료전지(400)를 효율적으로 운용하여 사용할 수 있다.With this configuration, the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention can efficiently operate and use the high-temperature fuel cell 300 and the low-temperature fuel cell 400 .

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(101)에서는 선박의 기저 부하는 온오프(On/Off)가 상대적으로 어려운 고온형 연료전지(300)가 담당하고, 첨두 부하는 온오프(On/Off)가 상대적으로 용이하고 순간적으로 필요한 전력을 생산하는데 유리한 저온형 연료전지(500)가 담당하도록 하여 효율적인 전력 운용이 가능하다.Specifically, in the fuel cell system 101 according to an embodiment of the present invention, the base load of the ship is handled by the high-temperature fuel cell 300, which is relatively difficult to turn on/off, and the peak load is Efficient power management is possible by letting the low-temperature fuel cell 500, which is relatively easy to turn on/off and is advantageous for instantaneously producing necessary power, take charge.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 하나의 개질기(200)로 고온형 연료전지(300)에만 수소를 공급하면 되므로, 개질기(200)를 컴팩트(compact)하고 간소하게 구성할 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, since hydrogen only needs to be supplied to the high-temperature fuel cell 300 with one reformer 200, the reformer 200 can be compactly and simply configured.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains can understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. will be.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting, and the scope of the present invention is indicated by the following detailed description of the claims, the meaning and scope of the claims, and All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be construed as being included in the scope of the present invention.

101: 연료전지 시스템
200: 개질기
230: 압축기
250: 열 에너지 공급부
280: 연료 공급부
300: 고온형 연료전지
310: 제1 연료극
320: 제1 공기극
330: 제1 전해질
410: 제1 열교환기
420: 제2 열교환기
430: 제3 열교환기
500: 저온형 연료전지
510: 제2 연료극
520: 제2 공기극
530: 제2 전해질
640: 가습기
650: 물 회수 장치
800: 전력 관리 장치
810: 제1 전력 변환 장치
820: 제2 전력 변환 장치
840: 전기 에너지 저장부101: fuel cell system
200: reformer
230: compressor
250: thermal energy supply unit
280: fuel supply unit
300: high-temperature fuel cell
310: first fuel electrode
320: first air electrode
330: first electrolyte
410: first heat exchanger
420: second heat exchanger
430: third heat exchanger
500: low-temperature fuel cell
510: second fuel electrode
520: second air electrode
530: second electrolyte
640: Humidifier
650: water recovery device
800: power management device
810: first power converter
820: second power converter
840: electrical energy storage unit

Claims (15)

탄화 수소 연료(hydrocarbon fuel)를 공급받아 수소와 일산화탄소를 생성하는 개질기;
상기 개질기로부터 수소를 공급받아 전력을 생산 고온형 연료전지;
상기 고온형 연료전지에서 미반응된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 저온형 연료전지; 및
상기 고온형 연료전지와 상기 저온형 연료전지에서 생성된 전력을 관리하는 전력 관리 장치
를 포함하는 연료전지 시스템.a reformer that receives hydrocarbon fuel and generates hydrogen and carbon monoxide;
a high-temperature fuel cell that receives hydrogen from the reformer and produces electric power;
a low-temperature fuel cell generating power by receiving unreacted hydrogen from the high-temperature fuel cell; and
A power management device for managing power generated by the high-temperature fuel cell and the low-temperature fuel cell
A fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서,
상기 개질기에 연료를 공급하는 연료 공급부와;
상기 개질기에 열 에너지를 공급하는 열 에너지 공급부
를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 1,
a fuel supply unit supplying fuel to the reformer;
Thermal energy supplier supplying thermal energy to the reformer
A fuel cell system further comprising a. 제1항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는,
상기 개질기로부터 수소를 공급받는 제1 연료극과;
산소를 공급받는 제1 공기극; 그리고
상기 제1 연료극과 상기 제1 공기극 사이에 개재된 제1 전해질
을 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 1,
The high-temperature fuel cell,
a first anode receiving hydrogen from the reformer;
a first air electrode receiving oxygen; and
A first electrolyte interposed between the first fuel electrode and the first air electrode
A fuel cell system comprising a. 제3항에 있어서,
상기 저온형 연료전지는,
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 미반응된 수소와 물을 공급받는 제2 연료극과;
산소와 물을 공급받는 제2 공기극; 그리고
상기 제2 연료극과 상기 제2 공기극 사이에 개재된 제2 전해질
을 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 3,
The low-temperature fuel cell,
a second anode receiving unreacted hydrogen and water discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell;
a second air electrode receiving oxygen and water; and
A second electrolyte interposed between the second fuel electrode and the second air electrode
A fuel cell system comprising a. 제3항에 있어서,
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에 산소를 공급하는 압축기와;
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 수소와 물을 상기 압축기가 상기 제1 공기극에 공급하는 산소와 열교환시키는 제1 열교환기
를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 3,
a compressor supplying oxygen to the first cathode of the high-temperature fuel cell;
A first heat exchanger for exchanging heat between hydrogen and water discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell with oxygen supplied from the compressor to the first cathode.
A fuel cell system further comprising a. 제3항에 있어서,
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에서 배출된 산소는 회수된 후 상기 제1 공기극으로 재공급되는 연료전지 시스템.According to claim 3,
The fuel cell system of claim 1 , wherein oxygen discharged from the first cathode of the high-temperature fuel cell is recovered and supplied to the first cathode again. 제4항에 있어서,
상기 제2 공기극의 배출 가스로부터 수증기를 회수하는 물 회수 장치와;
상기 물 회수 장치가 회수한 물로 상기 제2 공기극 및 상기 개질기에 공급할 수분을 생성하는 가습기; 그리고
상기 물 회수 장치가 회수한 물을 상기 가습기로 공급하는 펌프
를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 4,
a water recovery device for recovering water vapor from exhaust gas of the second air cathode;
a humidifier generating moisture to be supplied to the second air electrode and the reformer from the water recovered by the water recovery device; and
A pump supplying the water recovered by the water recovery device to the humidifier
A fuel cell system further comprising a. 제7항에 있어서,
상기 가습기는 상기 저온형 연료전지의 상기 제2 공기극에 수분과 함께 산소를 공급하는 연료전지 시스템.According to claim 7,
The humidifier supplies oxygen along with moisture to the second air electrode of the low-temperature fuel cell. 제7항에 있어서,
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 연료극에서 배출된 수소를 상기 가습기가 상기 개질기로 공급하는 수분과 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시키는 제2 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 7,
The fuel cell system further includes a second heat exchanger for vaporizing the moisture into water vapor by exchanging heat with the moisture supplied from the humidifier to the reformer with the hydrogen discharged from the first anode of the high-temperature fuel cell. 제7항에 있어서,
상기 고온형 연료전지의 상기 제1 공기극에서 배출된 산소 및 상기 개질기의 배출 가스를 상기 가습기가 상기 개질기로 공급하는 수분과 열교환시켜 수분을 수증기로 기화시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 7,
and a third heat exchanger for vaporizing the moisture into water vapor by exchanging heat between the oxygen discharged from the first cathode of the high-temperature fuel cell and the exhaust gas of the reformer and the moisture supplied to the reformer by the humidifier. Fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 개질기 및 상기 고온형 연료전지를 내부에 수용하여 열 에너지를 보전하는 핫박스를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 1,
The fuel cell system further includes a hot box accommodating the reformer and the high-temperature fuel cell therein to conserve thermal energy. 제1항에 있어서,
상기 고온형 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 제1 전력 변환 장치와;
상기 저온형 연료전지에서 생성된 전력을 직류에서 교류로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 공급하는 제2 전력 변환 장치
를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 1,
a first power converter for converting the power generated by the high-temperature fuel cell from direct current to alternating current and supplying the converted power to the power management device;
A second power converter for converting the power generated by the low-temperature fuel cell from direct current to alternating current and supplying the converted power to the power management device.
A fuel cell system further comprising a. 제12항에 있어서,
상기 전력 관리 장치는 상기 제1 전력 변환 장치에서 생성된 전력으로 기저 부하를 관리하고, 상기 제2 전력 변환 장치에서 생성된 전력으로 첨두 부하를 관리하는 연료전지 시스템.According to claim 12,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the power management device manages a base load with power generated by the first power converter and manages a peak load with power generated by the second power converter. 제12항에 있어서,
상기 제1 전력 변환 장치, 상기 제2 전력 변환 장치, 및 상기 전력 관리 장치 중 하나 이상으로부터 전력을 공급받아 저장하거나 저장된 전력을 공급하는 전기 에너지 저장부를 더 포함하는 연료전지 시스템.According to claim 12,
The fuel cell system further includes an electric energy storage unit receiving and storing power supplied from at least one of the first power converter, the second power converter, and the power management device, or supplying the stored power. 제1항에 있어서,
상기 고온형 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)이고,
상기 저온형 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)인 연료전지 시스템.According to claim 1,
The high-temperature fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC),
The low-temperature fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) fuel cell system.
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