KR20230064041A - 선박용 연료전지 시스템 - Google Patents

선박용 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230064041A
KR20230064041A KR1020210148836A KR20210148836A KR20230064041A KR 20230064041 A KR20230064041 A KR 20230064041A KR 1020210148836 A KR1020210148836 A KR 1020210148836A KR 20210148836 A KR20210148836 A KR 20210148836A KR 20230064041 A KR20230064041 A KR 20230064041A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
unit
auxiliary
fuel
main
Prior art date
Application number
KR1020210148836A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102664939B1 (ko
Inventor
김필근
김상명
변영진
안수경
우일국
Original Assignee
대우조선해양 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 대우조선해양 주식회사 filed Critical 대우조선해양 주식회사
Priority to KR1020210148836A priority Critical patent/KR102664939B1/ko
Publication of KR20230064041A publication Critical patent/KR20230064041A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102664939B1 publication Critical patent/KR102664939B1/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
    • H01M8/04007—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
    • 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
    • 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
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • 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
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • 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
    • 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
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • 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
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • 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

Landscapes

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

Abstract

선박용 연료전지 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은, 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)로서 연료극, 전해질 및 공기극으로 구성되는 복수 개의 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 연료전지스택을 포함하는 주 연료전지부; 주 연료전지부의 내부에 설치되며 주 연료전지부의 초기 기동시 연료전지스택의 온도를 승온시키는 버너; 및 주 연료전지부의 초기 기동시 연료전지스택의 온도를 승온시키기 위한 추가적인 열을 제공하는 보조 승온부를 포함하고, 상기 보조 승온부는, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 마련되는 보조 연료전지; 및 보조연료전지에 의해 생산되는 전기에 의해 가동되어 가열된 공기를 생산하는 에어히터를 포함한다.

Description

선박용 연료전지 시스템 {Fuel cell System for Ships}
본 발명은 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고온형 연료전지에 속하는 고체산화물 연료전지의 단점인 시동 시간을 단축할 수 있는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다.
선박에서 사용되는 에너지원으로는 HFO(Heavy Fuel Oil) 등의 연료유나 천연가스(Natural gas)와 같은 것들이 제안되어 사용되고 있다. 또한, 최근 화석 에너지 고갈의 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지로서 수소 에너지가 각광받고 있으며, 수소 에너지의 이용 매체인 연료전지에 대한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통하여 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 일반적인 열기관에 비해 에너지 변환 효율이 월등히 높기 때문에 연료 소비와 오염물질 및 온실가스 배출을 크게 감소시킬 수 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell), 인산 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell/Proton Excahnge Membrane Fuel Cell) 등으로 구분된다. 이들은 기본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 각각 다르다.
알칼리 연료전지와 고분자 전해질막 연료전지의 경우 상온에서 100℃ 이하에서 가동되고, 인산 연료전지는 약 150 내지 200℃ 부근에서 가동된다. 그리고 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지는 고온형 연료전지로서 일반적으로 약 600 내지 1,000℃의 고온에서 가동된다.
특히, 고체산화물 연료전지는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지로서, 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등 각종 탄화수소계 연료를 적용할 수 있어 사용 가능한 연료의 범위가 넓고, 고온에서 작동하므로 상대적으로 가격이 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 점에서 선박용 연료전지로서 주목받고 있다.
그런데 상기와 같이 운전 온도가 대략 600 내지 1,000℃에 육박하는 고온형 연료전지는, 투입되는 원료료 물질을 예열하는 장치가 필수적으로 요구되고 정상 운전을 유지하기 위해서는 고온 상태의 온도를 유지해야 하는데, 이러한 작동조건은 연료전지의 ON/OFF를 쉽게 할 수 없는 제약조건이 된다.
보다 구체적으로는, 고온형 연료전지는 초기 기동시 가스와 공기가 내부 버너(burner)로 공급되고, 버너에 의해 가열된 공기가 연료전지 스택(stack)을 고온의 작동조건(600 내지 1,000℃)까지 승온시키게 되는데, 이와 같이 연료전지 스택을 작동조건인 고온 상태로 형성하기까지 수에서 수십 시간 동안 장시간이 소요(승온 작업에 대략 12시간이 소요)된다.
이와 같이 고체산화물 연료전지와 같은 고온형 연료전지는 즉각적인 구동이 어렵기 때문에, 선박에 배치되는 경우에는 출항 후 작동 중지가 어렵고 운항 종료시까지 계속 가동되어야 하므로, 불필요한 연료 소모를 발생시키고 선박의 운용 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
즉, 고온형 연료전지에 속하는 고체산화물 연료전지는 부하 추종성이 떨어지고 정지 후 기동시 소요 시간이 길기 때문에 현재 개발된 연료전지 시스템 단독으로는 선박에 적용하기에는 무리가 있으며, 고체산화물 연료전지를 선박에 탑재하고자 할 때에는 상기와 같은 문제점이 반드시 해결되어야 한다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고온형 연료전지에 속하는 고체산화물 연료전지의 시동시 소요되는 예열 시간을 현저히 단축시킬 수 있는 선박용 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)로서 연료극, 전해질 및 공기극으로 구성되는 복수 개의 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 연료전지스택을 포함하는 주 연료전지부; 상기 주 연료전지부의 내부에 설치되며 상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택의 온도를 승온시키는 버너; 및 상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택의 온도를 승온시키기 위한 추가적인 열을 제공하는 보조 승온부를 포함하고, 상기 보조 승온부는, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 마련되는 보조 연료전지; 및 상기 보조연료전지에 의해 생산되는 전기에 의해 가동되어 가열된 공기를 생산하는 에어히터를 포함하는, 선박용 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.
상기 주 연료전지부는 복수 개로 구비되며, 상기 선박의 항해 중에 상기 선박 내 필요한 전력 수요 예측을 통하여 상기 복수 개의 주 연료전지부 중 필요한 것만 가동하고 나머지는 운전을 중지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박용 연료전지 시스템은, 상기 주 연료전지부 및 상기 보조 연료전지의 연료극에 수소를 공급하기 위한 연료공급부; 및 상기 주 연료전지부 및 상기 보조 연료전지의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 연료공급부는, 탄화수소 계열의 연료를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크에 저장된 연료를 개질반응시켜 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 외부 개질기; 상기 외부 개질기에서 생성된 개질가스를 상기 주 연료전지부의 연료극으로 공급하는 주 연료공급라인; 및 상기 외부 개질기에서 생성된 개질가스를 상기 보조 연료전지의 연료극으로 공급하는 보조 연료공급라인을 포함할 수 있다.
상기 연료공급부는, 상기 보조 연료공급라인 상에 설치되며 상기 보조 연료전지의 연료극으로 공급되는 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하는 수소 정제장치를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 연료전지는, 상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택을 승온시키는 추가적인 열을 제공하는 동력원으로서 동작되고, 상기 주 연료전지부의 초기 기동시를 제외하고는 동작을 중지하거나 또는 상기 선박 내 필요한 별도의 전력 공급원으로서 동작될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상대적으로 시동 시간이 짧은 고분자 전해질막 연료전지에 의해 발생되는 전기로 에어히터를 구동하여 고체산화물 연료전지의 스택에 추가열을 전달함으로서 고체산화물 연료전지의 초기 기동을 보조하고, 이를 통하여 고체산화물 연료전지의 시동 시간을 현저하게 단축(고온형 연료전지의 단점 보완)할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막 연료전지를 통해 고체산화물 연료전지의 초기 기동전력을 추가적으로 확보함으로써 고체산화물 연료전지의 시동에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 고체산화물 연료전지가 전기화학반응에 필요한 적정 온도까지 신속하게 도달할 수 있게 됨에 따라 선박의 항해 중에도 ON/OFF 동작이 가능하여 선박의 효율적인 운용이 가능해진다.
또한, 본 발명의 의하면, 선박 내 필요한 전력 수요 예측을 통한 연료전지 시스템의 예측 운전을 통하여, 선박의 전력 소모가 적은 조건에서는 다수의 고체산화물 연료전지 중 일부의 작동을 중지하고 필요한 것만 가동하여 선박 내 전력을 충당할 수 있으며, 따라서 불필요한 연료의 저감이 가능하고 선박의 효율적인 운용이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 및 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되어 있다거나 '접속'되어 있다고 언급될 때에는 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있으나 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서, 이에 의하여 본 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명의 실시예들은 이 분야의 통상의 기술자에게 다양한 응용을 가질 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은, 고체산화물 연료전지로 마련되는 주 연료전지부(100); 및 주 연료전지부(100)의 초기 기동시 주 연료전지부(100)의 연료전지스택(111)을 가열하기 위한 추가 열원을 제공하는 보조 승온부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
주 연료전지부(100)는, 연료전지스택(111)과 M-BOP(Mechanical Malance Of Plant, 112)로 구성되는 핫박스(hot box, 110) 및 E-BOP(Electrical Balance Of Plant)와 제어기로 구성되는 콜드박스(cold box, 미도시)를 포함할 수 있다.
연료전지스택(111)은 산소 이온전도성 전해질(electrolyte)의 양면에 연료극(anode) 및 공기극(cathode)이 위치하는 SOFC 타입으로서, 연료극, 전해질 및 공기극으로 구성되는 여러 개의 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 스택으로 구성될 수 있다.
M-BOP(112)는 연료전지스택(111)에 연료인 수소와 공기(산소)를 공급하기 위한 기계적 장치를 통칭하는 것으로서, 기화기(vapourizer), 개질기(reformer), 이그나이터(igniter), 열교환기 등을 포함할 수 있다.
또한, 고온형 연료전지에 속하는 고체산화물 연료전지의 작동시에는 연료전지스택(111)을 고온의 작동조건으로 형성해주어야 하며, 이를 위하여 M-BOP(112)는 연료전지스택(111)을 고온으로 승온해주기 위한 버너(미도시)를 더 포함할 수 있다.
그러나 전술한 바와 같이 핫박스(110) 내부에 설치되는 버너(미도시) 만으로는 빠른 시간 내에 연료전지스택(111)을 고온의 작동조건으로 승온하기가 쉽지 않다는 문제점이 있었는데, 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안되는 것으로서, 연료전지 시스템의 초기 기동시 연료전지스택(111)의 온도를 승온시키기 위한 추가적인 열을 제공하는 보조 승온부(200)를 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 초기 기동시 핫박스(110) 내부에 설치되는 버너(미도시)에 의해 연료전지스택(111)의 승온이 이루어지며, 이와 동시에 보조 승온부(200)에 의해 추가적인 열을 공급받아 기존 대비 빠른 속도로 연료전지스택(111)의 승온이 이루어질 수 있게 된다.
보조 승온부(200)는, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)로 마련되는 보조 연료전지(210); 및 보조 연료전지(210)에 의해 생성되는 전기에 의해 가동되는 에어히터(220)를 포함할 수 있다.
고분자 전해질막 연료전지는 수소이온을 전도할 수 있는 나피온(nafion)이라는 고분자 전해질막을 사용하며, 전해질막을 유지하기 위해 약 100℃ 미만의 온도에서 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지이다.
특히 고분자 전해질막 연료전지는 운전온도가 낮고 시동 및 부하 반응시간이 빠르다는 특성을 가지는데, 본 발명은 이와 같이 고분자 전해질막 연료전지의 시동 시간이 짧다는 장점을 이용하는 것으로, 고분자 전해질막 연료전지로 마련되는 보조 연료전지(210)를 초기 기동전력으로 활용하여 주 연료전지부(100)의 기동시 연료전지스택(111)의 승온에 필요한 추가적인 열을 신속하게 공급해 줌으로써 주 연료전지부(100)의 빠른 시동이 가능하도록 보조하는 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막 연료전지의 시동 및 부하 반응시간이 매우 빠르다는 특성을 주 연료전지부(100)의 초기 기동시 필요한 추가적인 열을 신속하게 공급하는 데에 이용할 수 있을 것이라는 점에 착안한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지로 마련되는 보조 연료전지(210)는 주 연료전지부(100)의 초기 기동시 빠르게 동작되어 전기를 생산하고, 생산된 전기를 이용하여 에어히터(220)를 가동하며, 에어히터(220)에 의해 가열된 공기가 핫 박스(110) 내부의 연료전지스택(111)을 승온시키는 추가적인 열원으로서 공급될 수 있다.
보조 연료전지(210)는 주 연료전지부(100)의 초기 기동시를 제외하고는 동작을 중지하거나 또는 선박 내 필요한 별도의 전력 공급원으로서 활용될 수 있다.
주 연료전지부(100)는 연료전지스택(111)의 연료극으로 공급된 수소와 공기극으로 공급된 공기의 산소를 이용하여 전기화학반응에 의해 선박에 필요한 전력을 생산할 수 있으며, 선박 내 전력 수요를 충당하기 위하여 복수 개로 마련될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은, 주 연료전지부(100) 및 보조 연료전지(210)의 연료극에 수소를 공급하기 위한 연료공급부(300) 및 주 연료전지부(100) 및 보조 연료전지(210)의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기공급부(400)를 더 포함할 수 있다.
연료공급부(300)는 주 연료전지부(100) 및 보조 연료전지(210)의 연료극에 수소를 공급하기 위한 것으로서, 저장탱크(310)에 저장된 연료를 개질반응시켜 수소(H2)를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기(320)를 포함할 수 있다.
저장탱크(310)에 저장되는 연료는 개질반응을 통해 수소를 생산할 수 있는 것으로서, 대표적인 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)를 비롯하여 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, LPG), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(LEG: Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas), 메탄올(Methanol, MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 등과 같은 탄화수소 계열의 액화가스 연료일 수 있다.
또한, 상기의 연료는 개질이나 분리 등의 공정에 의해 수소를 생산할 수 있는 모든 연료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 개질 가능한 연료는 해상 가스유(MGO: Marine Gas Oil)나 해상 디젤유(MDO: Marine Diesel Oil) 또는 일반 중유(HFO: Heavy Fuel Oil) 등을 포함할 수도 있는데, 이 경우에는 액상 연료를 분해하여 메탄(CH4)을 생성하는 메탄화(methanation)를 거쳐 개질이 용이하도록 할 수 있다.
개질기(320)는 저장탱크(310)에 저장된 연료를 개질반응시켜 수소를 포함하는 개질가스를 생성한다. 여기서 연료의 개질(fuel reforming)이란 저장탱크(310) 내에 원료로서 제공되는 연료를 연료전지에서 요구하는 수소를 포함하는 연료로서 전환하는 것을 의미한다.
개질기(320)는 도면에 도시된 바와 같이 주 연료전지부(100) 전의 연료공급라인 상에 설치되어 주 연료전지부(100)의 외부에 설치되는 외부 개질기 형태로 구성될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 주 연료전지부(100)의 연료전지스택(111) 내부에서 개질이 이루어지는 내부 개질기 형태로 구비되거나, 주 연료전지부(100)의 내외부에 외부 개질기 및 내부 개질기 형태로 모두 배치되는 것도 가능하다.
다만, 본 발명에서는 저장탱크(310) 내에 저장되는 연료가 개질반응을 거친 후 주 연료전지부(100) 뿐만 아니라 보조 연료전지(210)로 공급되어야 하는 경우가 있으므로, 도면에 도시된 바와 같이 개질기(320)가 적어도 외부 개질기 형태로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 도면에는 생략되었으나, 연료공급부(300)는 저장탱크(310)에 액체 상태로 저장된 연료를 기화시켜 개질기(320)로 전달하는 기화기; 개질기(320)로 전달되는 연료에 포함된 불순물을 제거하는 필터나 황 성분을 제거하는 탈황기; 개질기(320)로 전달되는 연료 또는 개질기(320)에서 생성된 개질가스를 가열하는 히터 등을 더 포함할 수 있다.
개질기(320)에서 생성된 수소를 포함하는 개질가스는 주 연료전지부(100)에 마련되는 연료전지스택(111)의 연료극으로 공급될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 주 연료전지부(100)의 초기 기동시 추가적인 열을 제공하기 위한 목적으로 보조 연료전지(210)가 가동되는 경우, 개질기(320)에서 생성된 개질가스는 보조 연료전지(210)의 연료극으로도 공급될 수 있다.
다만, 고체산화물 연료전지의 경우에는 개질가스에 포함된 수소 뿐만 아니라 일산화탄소(CO)도 연료로서 사용이 가능하지만, 고분자 전해질막 연료전지의 경우에는 일산화탄소에 의해 연료전지 스택의 전극 촉매를 피독하여 연료전지의 수명을 단축시킬 수 있다.
따라서, 개질기(320)로부터 보조 연료전지(210)의 연료극으로 개질가스를 공급하는 연료공급라인 상에는 개질가스의 일산화탄소 농도를 줄이기 위한 목적으로 수소 정제장치(330) 설치될 수 있다. 수소 정제장치(330)는 수성가스화반응기(WGS: Water Gas Shift reactor)일 수 있다.
공기공급부(400)는 주 연료전지부(100)의 연료전지스택(111)의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 블로워(blower) 또는 공기 압축기(compressor)를 포함하여 구성될 수 있다.
공기공급부(400)를 통해 주 연료전지부(100)의 연료전지스택(111)으로 공급되는 공기는 설비가 손상을 입는 것을 방지하기 위하여 습기 및 이물질이 제거된 상태여야 하며, 고체산화물 연료전지로 마련되는 주 연료전지부(111)의 작동 온도가 대략 600 내지 1,000℃로 형성되므로 공기의 온도가 높은 상태일 때 작동 효율이 좋다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명은 보조 승온부(200)에서 생산되는 고온의 공기가 주 연료전지부(100)의 연료전지스택(111)의 공기극으로도 공급될 수 있도록 시스템을 구성할 수 있다.
한편, 보조 연료전지(31) 또한 동작을 위해서는 공기극으로 공기를 공급받아야 하는데, 이때 보조 연료전지(31)의 공기극도 공기공급부(400)로부터 공기를 공급받도록 시스템을 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상대적으로 시동 시간이 짧은 고분자 전해질막 연료전지에 의해 발생되는 전기로 에어히터를 구동하여 고체산화물 연료전지의 스택에 추가열을 전달함으로서 고체산화물 연료전지의 초기 기동을 보조하고, 이를 통하여 고체산화물 연료전지의 시동 시간을 현저하게 단축(고온형 연료전지의 단점 보완)할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막 연료전지를 통해 고체산화물 연료전지의 초기 기동전력을 추가적으로 확보함으로써 고체산화물 연료전지의 시동에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 고체산화물 연료전지가 전기화학반응에 필요한 적정 온도까지 신속하게 도달할 수 있게 됨에 따라 선박의 항해 중에도 ON/OFF 동작이 가능하여 선박의 효율적인 운용이 가능해진다.
또한, 본 발명의 의하면, 선박 내 필요한 전력 수요 예측을 통한 연료전지 시스템의 예측 운전을 통하여, 선박의 전력 소모가 적은 조건에서는 다수의 고체산화물 연료전지 중 일부의 작동을 중지하고 필요한 것만 가동하여 선박 내 전력을 충당할 수 있으며, 따라서 불필요한 연료의 저감이 가능하고 선박의 효율적인 운용이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 주 연료전지
10: 연료공급부
11: 저장탱크
12: 개질기
20: 공기공급부
30: 초기 기동 보조부
31: 보조 연료전지
32: 에어히터
33: 수소 정제장치

Claims (6)

  1. 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)로서 연료극, 전해질 및 공기극으로 구성되는 복수 개의 단위 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 연료전지스택을 포함하는 주 연료전지부;
    상기 주 연료전지부의 내부에 설치되며 상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택의 온도를 승온시키는 버너; 및
    상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택의 온도를 승온시키기 위한 추가적인 열을 제공하는 보조 승온부를 포함하고,
    상기 보조 승온부는,
    고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 마련되는 보조 연료전지; 및
    상기 보조연료전지에 의해 생산되는 전기에 의해 가동되어 가열된 공기를 생산하는 에어히터를 포함하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 연료전지부는 복수 개로 구비되며, 상기 선박의 항해 중에 상기 선박 내 필요한 전력 수요 예측을 통하여 상기 복수 개의 주 연료전지부 중 필요한 것만 가동하고 나머지는 운전을 중지하는 것을 특징으로 하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 연료전지부 및 상기 보조 연료전지의 연료극에 수소를 공급하기 위한 연료공급부; 및
    상기 주 연료전지부 및 상기 보조 연료전지의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기공급부를 더 포함하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    탄화수소 계열의 연료를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크에 저장된 연료를 개질반응시켜 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 외부 개질기;
    상기 외부 개질기에서 생성된 개질가스를 상기 주 연료전지부의 연료극으로 공급하는 주 연료공급라인; 및
    상기 외부 개질기에서 생성된 개질가스를 상기 보조 연료전지의 연료극으로 공급하는 보조 연료공급라인을 포함하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    상기 보조 연료공급라인 상에 설치되며 상기 보조 연료전지의 연료극으로 공급되는 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하는 수소 정제장치를 더 포함하는,
    선박용 연료전지 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 연료전지는, 상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택을 승온시키는 추가적인 열을 제공하는 동력원으로서 동작되고, 상기 주 연료전지부의 초기 기동시를 제외하고는 동작을 중지하거나 또는 상기 선박 내 필요한 별도의 전력 공급원으로서 동작되는 것을 특징으로 하는,
    선박용 연료전지 시스템.
KR1020210148836A 2021-11-02 2021-11-02 선박용 연료전지 시스템 KR102664939B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210148836A KR102664939B1 (ko) 2021-11-02 2021-11-02 선박용 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210148836A KR102664939B1 (ko) 2021-11-02 2021-11-02 선박용 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230064041A true KR20230064041A (ko) 2023-05-10
KR102664939B1 KR102664939B1 (ko) 2024-05-13

Family

ID=86386514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210148836A KR102664939B1 (ko) 2021-11-02 2021-11-02 선박용 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102664939B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231290A (ja) * 2001-01-26 2002-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム
KR20130089308A (ko) * 2012-02-02 2013-08-12 삼성중공업 주식회사 선박용 연료전지시스템
KR101447865B1 (ko) * 2012-09-19 2014-10-07 삼성중공업 주식회사 선박용 연료 전지 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002231290A (ja) * 2001-01-26 2002-08-16 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 燃料電池システム
KR20130089308A (ko) * 2012-02-02 2013-08-12 삼성중공업 주식회사 선박용 연료전지시스템
KR101447865B1 (ko) * 2012-09-19 2014-10-07 삼성중공업 주식회사 선박용 연료 전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR102664939B1 (ko) 2024-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2124282B1 (en) Reformer system, fuel cell system, and their operation method
KR100971745B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 운전방법
JP5255230B2 (ja) 燃料電池システム
KR102238761B1 (ko) 선박
KR102190939B1 (ko) 선박
KR20120133660A (ko) 하이브리드 시스템 및 이를 구비하는 선박
KR101418422B1 (ko) 선박용 연료전지의 단독 기동 시스템
KR102355411B1 (ko) 선박
JP2008217999A (ja) 高温型燃料電池システムの運転方法
KR102355412B1 (ko) 연료전지 시스템 및 이를 구비한 선박
KR102664939B1 (ko) 선박용 연료전지 시스템
JP5463006B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
KR101696550B1 (ko) 선박
KR20170015823A (ko) 선박
KR102200361B1 (ko) 선박
KR102190936B1 (ko) 선박
JP5738319B2 (ja) 燃料電池システム
KR102190945B1 (ko) 선박
KR100818488B1 (ko) 연료 개질 방법과 개질기
KR101643103B1 (ko) 선박
KR102175550B1 (ko) 선박
KR102252149B1 (ko) 선박
KR102190934B1 (ko) 선박
KR102190943B1 (ko) 선박
KR102190944B1 (ko) 선박

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right