KR20230155567A - 선박용 공기 공급 장치, 이를 포함하는 선박, 및 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법 - Google Patents

선박용 공기 공급 장치, 이를 포함하는 선박, 및 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법 Download PDF

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KR20230155567A
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진 프란코이스 티솟
제리 케이네넨
데니엘 루스크
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터보 시스템즈 스위츠랜드 엘티디.
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Abstract

선박용 공기 공급 장치(100)가 설명된다. 공기 공급 장치(100)는 연료 전지(110) 및 선박의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(120)를 포함한다. 연료 전지(110)의 배기 가스 출구(111)는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스(120)에 공급하기 위해 배기 가스 라인(112)을 통해 공기 윤활 디바이스(120)와 연결된다. 또한, 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(100)를 포함하는 선박(200) 뿐만 아니라 선박의 공기 윤활 디바이스(120)에 공기를 공급하는 방법이 설명된다.

Description

선박용 공기 공급 장치, 이를 포함하는 선박, 및 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법
본 개시내용의 실시예는 물 마찰 저항을 감소시키기 위한 공기 윤활식 선박의 공기 공급 장치에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용의 실시예는 선박의 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용의 실시예는 공기 공급 장치에 연료 전지를 설치하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박은 해상 항행 중에 선박의 저부의 그 침수 표면 상에서 물의 마찰 저항을 받는다. 특히, 예를 들어 화물선과 같은 대형 선박의 경우, 선박의 선체 저항의 상당한 부분은 선박의 저부에서의 외부 물의 상대 유동에 의해 발생된 마찰 저항으로부터 발생한다.
선박의 선체 마찰 저항을 감소시키기 위해, 특히 선박의 선체의 주변으로 공기를 배출함으로써, 공기 윤활이 사용될 수 있다. 마찰 저항의 감소는 큰 연비 개선 효과를 갖고, 따라서 선박의 CO2 배출을 감소시키기 위한 효과적인 수단을 나타낸다.
최신 기술에는, 선체 윤활을 위한 공기 기포의 생성을 위한 다양한 시스템 및 접근법이 있다. 예를 들어, 선체 윤활을 위한 공기 기포의 발생을 위해, 종래 기술은 별개의 또는 전용 기계 전기 압축기 또는 송풍기의 사용을 교시하고 있다.
그러나, 특히 에너지 소비 및 친환경성에 관하여, 개선된 선체 윤활을 위한 방법 및 시스템에 대한 지속적인 요구가 있다.
전술된 점을 고려하여, 독립항에 따른 선박용 공기 공급 장치, 공기 공급 장치를 포함하는 선박, 선박의 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법, 및 공기 공급 장치에 연료 전지를 설치하는 방법이 제공된다. 추가의 양태, 장점, 및 특징은 종속항, 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해진다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 선박용 공기 공급 장치가 제공된다. 공기 공급 장치는 연료 전지 및 선박의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스를 포함한다. 연료 전지의 배기 가스 출구는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스에 공급하기 위해 배기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스와 연결된다.
이에 따라, 종래의 공기 윤활식 선박에 사용되는 장치에 비교하여, 본 개시내용의 공기 공급 장치는 에너지 소비 및 친환경성에 관하여 개선된다.
본 개시내용의 추가의 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 포함하는 선박이 제공된다.
본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 선박의 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법이 제공된다. 방법은 배기 가스를 연료 전지로부터 공기 윤활 디바이스에 공급하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 선박용 공기 공급 장치가 제공된다. 공기 공급 장치는 연료 전지, 선박의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스, 및 가압 라인 시스템에 가압 유체를 제공하기 위해 가압 라인 시스템에 연결되는 압축기를 포함한다. 가압 라인 시스템은 압축기로부터 가압 유체를 연료 전지에 제공하기 위해 연료 전지에 연결된다. 가압 라인 시스템은 공기 윤활 디바이스에 가압 유체를 제공하기 위해 공기 윤활 디바이스에 또한 연결된다.
이에 따라, 종래의 공기 윤활식 선박에 사용되는 장치에 비교하여, 본 개시내용의 공기 공급 장치는 에너지 소비 및 친환경성에 관하여 개선된다.
본 개시내용의 추가의 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 포함하는 선박이 제공된다.
본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 선박용 공기 공급 장치에 연료 전지를 설치하는 방법이 제공된다. 공기 공급 장치는 선박의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스, 및 공기 윤활 디바이스에 가압 유체를 제공하기 위한 압축기를 포함한다. 방법은 흡기 가스 라인 또는 분기형 흡기 가스 라인을 통해 압축기 출구와 연료 전지의 입구를 연결하는 단계를 포함한다. 방법은 배기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스의 입구를 연료 전지의 배기 가스 출구와 연결하는 단계, 또는 분기형 흡기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스의 입구를 압축기 출구와 연결하는 단계를 더 포함한다.
통상의 기술자는 이하의 상세한 설명을 숙독하고 첨부 도면을 볼 때, 부가의 특징과 장점을 인식할 수 있을 것이다.
본 개시내용의 전술된 특징이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 상기에 간략하게 요약된 본 개시내용의 더 구체적인 설명이 실시예를 참조하여 이루어질 수도 있다. 첨부 도면은 본 개시내용의 실시예에 관한 것이고 이하에 설명된다:
도 1은 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 선박의 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법의 실시예를 예시하기 위한 블록도를 도시하고 있다.
도 4는 본 명세서에 설명된 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 5a는 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 5b는 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 6은 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 7은 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 8은 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 9는 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
도 10은 본 명세서에 설명된 추가의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 갖는 선박의 개략도를 도시하고 있다.
이제 그 하나 이상의 예가 각각의 도면에 예시되어 있는 다양한 실시예를 상세히 참조할 것이다. 각각의 예는 설명으로서 제공된 것이고 한정으로서 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 일 실시예의 부분으로서 예시되거나 설명된 특징부는 임의의 다른 실시예에 또는 함께 사용되어 또 다른 실시예를 생성할 수 있다. 본 개시내용은 이러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
이하의 도면의 설명 내에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 일반적으로, 개별 실시예에 대한 차이점만이 설명된다. 달리 명시되지 않으면, 일 실시예의 부분 또는 양태의 설명은 다른 실시예의 대응 부분 또는 양태에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
도 1을 예시적으로 참조하여, 본 개시내용에 따른 선박(200)용 공기 공급 장치(100)가 설명된다. 본 명세서에 설명되는 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(100)는 연료 전지(110) 및 선박(200)의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(120)를 포함한다. 특히, 공기 윤활 디바이스(120)는 선체 윤활을 위한 공기 기포 발생을 위해 구성된다. 더 구체적으로, 통상적으로 공기 윤활 디바이스는 선체의 흘수선 아래의 외부 표면으로 공기를 배출함으로써 선체의 저부 표면 상에 공기층을 발생 또는 형성하기 위해 구성된다. 달리 말하면, 선박의 선체 마찰 저항을 감소시키기 위해, 특히 선박의 선체의 주변, 특히 선체 아래로 공기를 배출함으로써, 공기 윤활이 사용될 수 있다. 이에 따라, 선박과 물 사이의 마찰 저항이 유리하게 감소될 수 있다. 도 1에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 연료 전지(110)의 배기 가스 출구(111)는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스(120)에 공급하기 위해 배기 가스 라인(112)을 통해 공기 윤활 디바이스(120)와 연결된다.
이에 따라, 본 명세서에 설명된 바와 같은 공기 공급 장치의 실시예는, 공기 윤활식 선박을 위해 사용되는 종래의 장치에 비교하여 개선된 에너지 효율 및 친환경성을 유리하게 제공한다.
도 2를 예시적으로 참조하면, 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지(110)는 연료 전지(110)에 가압 공기를 제공하기 위해 압축기(130)에 연결된다. 달리 말하면, 연료 전지(110)는 공기 윤활 디바이스에 가압 유동을 공급하는 데 유익할 수 있는 가압 연료 전지일 수 있다. 이에 따라, 선박의 에너지 효율이 개선될 수도 있다. 또한, 선박의 전세계 탄소 발자국이 감소될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지(110)는 도 2에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 연료 공급부(140)에 연결된다. 연료 공급부(140)는 연료 전지(110)에 연료를 제공하기 위해 구성된다. 특히, 연료는 수소, 메탄, 메탄올, 암모니아 또는 임의의 다른 적합한 연료 중 적어도 하나일 수 있다. 이에 따라, 중유와 같은 해상 운송에 사용되는 종래의 연료에 비교하여, 친환경성이 개선될 수 있다.
도 2를 예시적으로 참조하면, 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(100)는 애프터 버너, 산화기, 터빈, 팽창기, 열 교환기, 스로틀, 특히 플랩, 및 재순환 디바이스로부터 선택되는 적어도 하나의 구성요소(150)를 더 포함한다. 도 2에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 통상적으로 적어도 하나의 구성요소(150)는 배기 가스 라인(112)에 연결된다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 추가 구성요소(150) 중 하나 이상을 제공하는 것은 공기 공급 장치, 특히 글로벌 시스템의 성능을 개선시키기 위해 유익할 수도 있다. 적어도 하나의 구성요소(150)의 각각은 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(100)는 배기 가스 라인(112)에 연결된 유동 제어 디바이스(160)를 더 포함한다. 특히, 유동 제어 디바이스는 밸브 또는 플랩일 수 있다. 예를 들어, 유동 제어 디바이스(160)는 적어도 하나의 구성요소(150)에 직렬로, 특히 적어도 하나의 구성요소(150)의 하류에 제공될 수도 있다. 대안적으로, 유동 제어 디바이스(160)는 적어도 하나의 구성요소(150)와 병렬로 제공될 수 있다. 이에 따라, 공기 윤활 디바이스(120)로의 공기 공급량이 유리하게 조정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지(110)는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 또는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 또는 임의의 다른 연료 전지 유형, 특히 모바일 용례를 위한 임의의 다른 연료 전지이다.
이에 따라, 도 1 및 도 2로부터, 본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치를 포함하는 선박(200)이 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 물-선체 마찰 감소를 위한 더 효율적이고 더 친환경적인 시스템을 갖는 선박이 제공될 수 있고, 이는 전체 운영 비용을 감소될 수 있다. 본 개시내용에서, 용어 "선박"은 보트, 임의의 다른 모든 배를 또한 포함할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 블록도를 예시적으로 참조하여, 본 개시내용에 따른 선박(200)의 공기 윤활 디바이스(120)에 공기를 공급하는 방법(300)의 실시예가 설명된다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 방법은 연료 전지(110)로부터 공기 윤활 디바이스(120)로 배기 가스를 공급하는 단계(도 3a에 블록 310으로 표시됨)를 포함한다. 통상적으로, 연료 전지의 배기 가스는 O2-부족 공기 및/또는 증기이다. 특히, 연료 전지로부터 공기 윤활 디바이스로 배기 가스를 공급하는 단계는 통상적으로 특히 터보차저를 추진하기 위해 배기 가스 정지 에너지(rest energy)를 사용하지 않고, 배기 가스를 공기 윤활 디바이스로 직접 유도하는 단계를 포함한다.
도 3b를 예시적으로 참조하면, 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 방법(300)은 연료 전지(110)에 가압 공기를 제공하는 단계(도 3b에 블록 320으로 표시됨)를 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 방법(300)은 공기 윤활 디바이스(120)로부터 배기 가스를 배출하기 전에, 애프터 버너, 산화기, 터빈, 팽창기, 열 교환기, 스로틀, 특히 플랩 및, 재순환 디바이스로부터 선택된 적어도 하나의 구성요소(150)를 통해 배기 가스를 안내하는 단계(도 3b에 블록 330으로 표시됨)를 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 방법(300)은 유동 제어 디바이스(160)를 사용하여 공기 윤활 디바이스(120)에 제공되는 배기 가스 유동을 제어하는 단계(도 3b에 블록 340으로 표시됨)를 더 포함한다. 특히, 유동 제어 디바이스(160)는 밸브 또는 플랩이다.
통상적으로, 선박(200)의 공기 윤활 디바이스(120)에 공기를 공급하는 방법(300)은 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(100)를 사용하는 단계(도 3b에 블록 350으로 표시됨)를 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 달리 말하면, 선박(200)의 공기 윤활 디바이스(120)에 공기를 공급하는 방법(300)은 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공급 장치(100)를 채용함으로써 수행될 수 있다. 또한, 방법 블록 310, 320, 330, 340 및 350의 특정 조합은 단지 예일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다. 달리 말하면, 방법 블록 320, 330, 340 및 350은 방법(300)의 메인 블록 310과 임의로 조합될 수 있는 선택적인 부가의 방법 특징을 나타낸다. 더 구체적으로, 연료 전지(110)로부터 공기 윤활 디바이스(120)로 배기 가스를 공급하는 단계(도 3a 및 도 3b에 블록 310으로 표시됨)는 본 명세서에 예시적으로 설명된 바와 같이 방법 블록 320, 330, 340 및 350 중 하나 이상과 조합될 수 있다.
따라서, 상기의 관점에서, 최신 기술과 비교하여, 본 명세서에 설명된 실시예는 개선된 에너지 효율 및 친환경성을 유리하게 제공하여, CO2 배출 및 운영 비용이 감소될 수 있게 된다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 종래 기술에 대조적으로, 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치는 연료 전지로부터 공기 윤활 디바이스로 에너지 및 배기 유체를 보내도록 구성된다는 점이 지적된다. 특히, 본 개시내용의 실시예는 연료 전지로부터의 선체 윤활 입력부에 배기 가스(예를 들어, O2-부족 공기 및 증기)를 직접 제공하기 위해 구성될 수 있다. 달리 말하면, 본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지의 배기 가스 출구가 배기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스와 직접 연결되어, 연료 전지로부터의 배기 가스가 공기 윤활 디바이스로 직접 유도되게 된다.
도 4를 예시적으로 참조하여, 본 개시내용의 양태에 따른 선박(700)용 공기 공급 장치(400)가 설명된다. 본 명세서에 설명되는 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(400)는 연료 전지(410) 및 선박(700)의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(420)를 포함한다.
특히, 공기 윤활 디바이스(420)는 선체 윤활을 위한 공기 기포 발생을 위해 구성된다. 통상적으로, 공기 윤활 디바이스는 선체의 흘수선 아래의 외부 표면으로 공기를 배출함으로써 선체의 저부 표면 상에 공기층을 발생 또는 형성하기 위해 구성된다. 달리 말하면, 선박의 선체 마찰 저항 공기를 감소시키기 위해, 특히 선박의 선체의 주변, 특히 선체 아래로 공기를 배출함으로써, 윤활이 사용될 수 있다. 유리하게, 선박과 물 사이의 마찰 저항이 감소될 수 있다. 선체 항력은 일반적으로 선박 연료 소비의 주 부분을 나타낸다. 예시적으로, 선체 아래에 공기 기포를 주입하는 것은 선박의 소비를 최대 약 10%만큼 개선시킬 수도 있다. 공기 기포 주입에 의한 연료 소비는 추진 모드(디젤, 가스, 배터리에 의한 전기, 연료 전지, 하이브리드)에 무관하게 본질적으로 모든 유형의 선박에 대해 개선될 수 있다.
용어 "공기" 윤활 디바이스(420)가 본 출원 전반에 걸쳐 사용되지만, "공기" 윤활 디바이스(420)는 공기에 의한 용례에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 연료 전지(410)로부터 발생하는 배기 가스는 공기 윤활 디바이스(420) 내에 도입될 수도 있다(선택적으로 추가 가압 방식으로). 이 경우, 배기 가스는 단순히 공기에 대응할 수도 있지만, (고도로) 습한 공기에 또한 대응할 수도 있고, 추가 가스 또는 입자를 함유할 수도 있다(입자는 이 경우 통상적으로 환경에 유해하지 않음). 따라서, 공기가 바람직하게 사용되지만, "공기" 윤활 디바이스(420)는 임의의 유형의 가압 유체로 완전히 동작할 수도 있고, 공기에 의해 동작되는 것에 한정되지 않는다.
기체 기포를 발생하기 위해, 공기 공급 장치(400)는 압축기(430)를 포함한다. 압축기(430)는 가압 라인 시스템에 가압된 유체를 제공하기 위해 가압 라인 시스템에 연결된다. 가압 라인 시스템은, 이들에 한정되는 것은 아니지만 배기 가스 라인(412, 512), 흡기 가스 라인(414), 분기형 흡기 가스 라인(514), 제1 분기 흡기 라인(515), 및 제2 분기 흡기 라인(516) 중 하나 이상과 같은 여러 개별 가스 라인 또는 라인 섹션의 매니폴드에 대응할 수도 있다.
도 4에 도시되어 있는 예시적인 실시예에서, 가압 라인 시스템은 배기 가스 라인(412) 및 압축기와 연료 전지(410)를 유체 연결하는 흡기 가스 라인(참조 번호로 표기되지 않음)을 포함한다.
가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)은 압축기(430)로부터 가압 유체를 연료 전지(410)에 제공하기 위해 연료 전지(410)에 또한 연결된다. 달리 말하면, 연료 전지(410)는 (몇몇 실시예에서) 공기 윤활 디바이스에 가압 유동을 공급하기 위해 유익할 수 있는 가압 연료 전지이다. 이에 따라, 선박의 에너지 효율이 개선될 수도 있다. 또한, 선박의 전세계 탄소 발자국이 감소될 수 있다. 연료 전지의 가압은 연료 전지 효율 및 전력 밀도 개선에 유리하다.
연료 전지(410)에 제공되는 가압 유체는 통상적으로 압축 공기이다. 실시예에서, 압축기 출구와 연료 전지(410)의 입구는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 흡기 가스 라인에 의해 직접 연결될 수도 있다. 다른 실시예에서, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 압축기와 연료 전지(410)를 연결하는 추가 구성요소가 가스 라인 내에 배열될 수도 있다.
가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)은 공기 윤활 디바이스(420)에 가압 유체를 제공하기 위해 공기 윤활 디바이스(420)에 또한 연결된다. 공기 윤활 디바이스(420)로 운반되는 가압 유체는, 예를 들어 연료 전지의 가압 공기 또는 습한 공기와 같은 배기 가스일 수도 있다.
본 개시내용의 실시예는 이 목적으로 단지 하나의 압축기 또는 압축기 시스템만을 요구하면서 가압 유체를 갖는 공기 윤활 디바이스 뿐만 아니라 연료 전지의 모두를 제공하는 것을 허용한다. 본 개시내용의 공기 공급 장치는 종래 기술 시스템에 비교하여 구현이 덜 복잡하고 더 간단하다. 더욱이, 본 발명의 공기 공급 장치는 공기 압축 작업을 감소시키고 따라서 연료 전지와 공기 윤활 디바이스의 모두를 모두 가압하기 위해 요구되는 에너지 소비를 감소시킨다. 압축기와 공기 윤활 디바이스가 선박에 이미 존재하는 경우, 공기 공급 장치는 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 이미 존재하는 시스템에 새로 개장(retrofit)될 수 있다. 이러한 경우, 에너지적으로 말하면, 연료 전지는 따라서 "무료"로 가압된다. 연료 전지는 다양한 목적으로 선박에 제공될 수도 있는데, 예를 들어 연료 전지는 선박 추진을 위해 사용될 수도 있지만, 또한 선박 상의 다른 전기 디바이스에 전력 공급하는 것과 같은 다른 목적으로도 사용될 수도 있다. 본 개시내용의 공기 공급 장치는 연료 전지를 선박 상에 설치하는 목적과 무관하게 실시될 수도 있다. 본 개시내용의 공기 공급 장치는 연료 전지(들)를 가압 유체로 동작 상태로 유지하면서 그리고 바람직하게는 가압 유체의 에너지의 적어도 일부를 회수하면서(아래에 추가로 설명되는 바와 같이) 특정 상황(선박이 이동하지 않는 경우와 같이)에 공기 윤활 시스템을 가동 중지하는 것을 허용할 수 있다.
실시예에 따르면, 연료 전지(410)의 배기 가스 출구(411)는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스(420)에 공급하기 위해 가압 라인 시스템의 배기 가스 라인(412)을 통해 공기 윤활 디바이스(420)와 연결된다. 도 4, 도 5a, 도 5b 및 도 6은 이러한 실시예의 예를 도시하고 있다. 연료 전지의 배기 가스를 공기 윤활 디바이스에 공급함으로써, 가압 유체가 공기 윤활 디바이스를 위해 추가로 사용되기 때문에, 압력 엔탈피의 일부를 회수하기 위해 연료 전지의 하류에 팽창기 또는 터빈의 추가가 반드시 요구되지는 않는다. 공기 윤활 디바이스를 위한 가압 유체의 추가 사용은, 열역학적 변환(상이한 형태의 에너지 사이의)이 감소되고, 공기 공급 장치의 기계적 복잡성이 감소하기 때문에, 더 적은 효율 손실을 야기한다.
다른 실시예에 따르면, 압축기(430)의 압축기 출구는 압축기 출구로부터 공기 윤활 디바이스(420)로 가압 유체를 공급하기 위해 가압 라인 시스템의 분기형 흡기 가스 라인(514)을 통해 공기 윤활 디바이스(420)와 연결된다. 본 실시예에서, 가압 유체는 통상적으로 가압 공기일 수도 있다. 그 예시적인 실시예가 예를 들어, 도 7에 도시되어 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 분기부는 분기부의 더 하류에서 통합되거나 병합되지 않는 적어도 2개의 분기 라인에 대응한다. 본 실시예에서, 연료 전지(410)로부터 발생하는 가압 유체 또는 배기 가스는 바람직하게는 공기 윤활 디바이스(420)로 운반되지 않을 수도 있다. 대신에, 연료 전지(410)로부터 발생하는 가압 유체 또는 배기 가스는 압력 엔탈피의 일부를 회수하는 것과 같은 다른 목적으로 사용될 수도 있다.
분기형 흡기 가스 라인(514)은 연료 전지(410)에 연결된 제1 분기 흡기 라인(515) 및 공기 윤활 디바이스(420)에 연결된 제2 분기 흡기 라인(516)을 포함할 수도 있다. 도 8 내지 도 10은 제1 및 제2 분기 흡기 라인(515, 516)의 예를 도시하고 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(400)는 가압 라인 시스템, 특히 분기형 흡기 가스 라인(514) 또는 흡기 가스 라인(414) 또는 배기 가스 라인(412)에 연결된 연료 전지 바이패스(415)를 더 포함한다. 도 5a는 흡기 가스 라인(414)에 연결된 연료 전지 바이패스(415)를 포함하는 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도 5a 및 도 6을 추가로 참조하면, 공기 공급 장치는 연료 전지(410)로의 가압 유체의 유동을 독립적으로 제어하기 위해 구성된 연료 전지 바이패스 유동 제어 디바이스(416)를 포함할 수도 있다. 연료 전지 바이패스 유동 제어 디바이스(416)는 선택적으로 또한 공기 윤활 디바이스(420)로의 가압 유체의 유동을 제어하기 위해 구성될 수도 있다. 연료 전지 바이패스 유동 제어 디바이스(416)는 바람직하게는 밸브 또는 플랩일 수도 있다. 연료 전지 바이패스 유동 제어 디바이스(416)는 특정 동작 모드에 대해 원하는 바와 같이 압력을 설정하는 것을 허용한다.
일 실시예에서, 공기 공급 장치는 가압 유체를 방출하기 위한 블로우오프 밸브(blow-off valve)(480)를 더 포함할 수도 있다. 블로우오프 밸브(480)의 예가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 블로우오프 밸브(480)는 공기 공급 장치의 구성요소 중 하나 이상을 가압하는 것을 원하지 않는 경우 가압 유체의 상당한 부분 또는 심지어 전체 과압을 분위기로 방출하는 것을 허용한다. 예시적으로, 블로우오프 밸브(480)는 배기 가스 라인(412, 512)에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지의 가압이 특정 용례를 위해 요구되지만, 공기 윤활 디바이스의 가압을 원하지 않는 경우(예를 들어, 선박이 이동하지 않는 경우), 가압 유체는 공기 윤활 디바이스(420) 내에 주입되기 전에 방출될 수도 있다. 블로우오프 밸브(480)는 연료 전지(410)의 하류 및/또는 공기 윤활 디바이스(420)의 상류에 배열될 수도 있다. 공기 공급 장치는 배기 가스 라인(412, 512)과 연결되는 블로우오프 유출 라인을 더 포함할 수도 있다. 블로우오프 밸브(480)는 블로우오프 유출 라인 내에 배열될 수도 있다.
일 예시적인 실시예에서, 블로우오프 밸브(480) 및/또는 블로우오프 유출 라인은 터빈(450)(아래에 추가로 더 상세히 설명됨)의 상류 및/또는 터빈 바이패스(451)(아래에 추가로 더 상세히 설명됨)의 상류에 배열될 수도 있다. 터빈(450)의 상류에 배열되는 블로우오프 밸브(480)의 예가 도 5a에 도시되어 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 블로우오프 밸브(480) 및/또는 블로우오프 유출 라인은 터빈(450)(아래에 추가로 더 상세히 설명됨)의 하류 및/또는 배기 가스 라인(412, 512)과 병합하거나 통합하는 터빈 바이패스(451)(아래에 추가로 더 상세히 설명됨)의 상류에 배열될 수도 있다. 터빈(450)의 하류에 배열되는 블로우오프 밸브(480)의 예가 도 5b에 도시되어 있다. 이는 연료 전지가 가압되고, 공기 윤활 디바이스가 사용중이 아닌 경우(예를 들어, 선박이 이동하지 않는 경우 또는 선박이 항구 또는 얕은 해저에 있는 경우 임의의 잠재적인 손상을 회피하기 위해) 압력 에너지/엔탈피를 다시 회수하는 것을 허용한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(400)는 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)를 더 포함한다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 바람직하게는 밸브 또는 플랩이다. 예를 들어, 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 스로틀 밸브일 수도 있다. 도 6 내지 도 10의 각각은 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)의 예를 도시하고 있다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 바람직하게는 연료 전지(410)의 하류 및/또는 공기 윤활 디바이스(120)의 상류에 배열된다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 바람직하게는 배기 가스 라인(412, 512)과 병합하거나 통합하는 연료 전지 바이패스(415)의 하류에 배열된다. 바람직하게는, 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 배기 가스 라인(412, 512) 및/또는 제2 분기 흡기 라인(516)에 연결된다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 제1 및 제2 분기 흡기 라인(515, 516)의 유동, 및 따라서 연료 전지(410)와 공기 윤활 디바이스(420)에 각각 주입되는 가압 유체의 유동을 조정하는 것을 허용할 수도 있다. 배기 가스 라인(412, 512)(예를 들어, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이)에 연결되는 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 공기 윤활 디바이스 압력에 독립적으로 연료 전지(410)의 충전 압력을 제어하는 가능성을 허용한다. 공기 윤활 디바이스를 위해 요구된 압력은 통상적으로 선박의 흘수 깊이(draft depth)에 의해 결정된다.
일 실시예에서, 공기 공급 장치(400)는 배기 가스 라인(412, 512)에 연결된 터빈(450, 550)을 더 포함한다. 터빈은 도 5a 및 도 8 내지 도 10에 도시되어 있다. 터빈은 연료 전지(410)의 하류 및/또는 공기 윤활 디바이스(420)의 상류에 배열된다. 터빈은 바람직하게는 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)(존재하는 경우)의 상류에 배열된다. 터빈(450, 550)은 바람직하게는 배기 가스 라인(412, 512)과 병합하거나 통합하는 연료 전지 바이패스(415)의 하류에 배열된다. 터빈(450, 550)은 연료 전지(410)로부터 발생하는 배기 가스의 에너지의 일부를 회수하는 것을 허용한다. 예를 들어, 배기 가스가 분위기로 방출되는 경우, 터빈(450, 550)은 에너지의 일부를 회수하는 것을 허용한다. 배기 가스가 공기 윤활 디바이스(420)로 운반되는 경우, 공기 공급 장치(400)는 터빈(450, 550)을 또한 포함할 수도 있다. 공기 윤활 디바이스는 통상적으로 연료 전지(410)에 비교하여 더 낮은 압력 요구를 갖는다. 따라서, 공기 윤활 디바이스(420)를 동작하기 위해 충분히 높은 압력을 여전히 보장하면서, 에너지의 일부가 터빈(450, 550)에 의해 회수될 수도 있다. 더욱이, 터빈은 예를 들어 선박의 속도, 연료 전지 부하 또는 항행의 조건으로 인한 요구에 따라, 연료 전지 및 공기 윤활 디바이스의 충전 압력을 독립적으로 조정하는 것을 허용한다. 터빈(450, 550)은 바람직하게는 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)에 직렬로 및/또는 블로우오프 밸브(480) 및 블로우오프 유출 라인과 병렬로 제공된다.
공기 공급 장치(400)가 터빈(450, 550)을 포함하는 경우, 공기 공급 장치(400)는 터빈 바이패스(451) 및 터빈 바이패스 밸브(452)를 더 포함할 수도 있다. 터빈 바이패스(451)는 도 5a에 도시되어 있다. 터빈 바이패스는 배기 가스 라인(412)에 연결될 수도 있다. 터빈 바이패스(451) 및/또는 터빈 바이패스 밸브(452)는 터빈에 의한 에너지 회수로부터 발생하는 압력 감소를 제한하는 것을 허용한다.
터빈(450)은 고정 기하학 형상의 터빈일 수도 있고 선택적으로 터빈 바이패스(451) 및 터빈 바이패스 밸브(452)를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 터빈(450)은 가변 기하학 형상의 터빈(450)일 수도 있고 선택적으로 터빈 바이패스(451) 및 터빈 바이패스 밸브(452)를 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(400)는 연료 전지(410)에 가압 유체를 제공하기 위해 압축기(430)의 하류 및 연료 전지(410)의 상류에 배열된 고압 압축기(530)를 더 포함한다. 고압 압축기의 예가 도 10에 도시되어 있다. 통상적으로, 고압 압축기(530)는 제1 분기 흡기 라인(515)에 배열된다. 많은 용례에서, 연료 전지는 공기 윤활 시스템에 비교하여 더 높은 압력, 또는 심지어 1단 압축 프로세스에 의해 제공되는 최대 압력보다 더 높은 압력을 필요로 한다. 고압 압축기(530)와 연결하는 압축기(430)는 2단 압축기로서 고려될 수도 있다. 본 실시예에서, 압축기(430)는 또한 저압 압축기라고 칭할 수도 있다. 2단 압축기는 연료 전지(410)에 대한 충전 압력이 충분히 높은 것을 보장한다.
공기 공급 장치(400)는 (저압) 압축기(430)와 고압 압축기(530) 사이에 배열되는 인터쿨러를 더 포함할 수도 있다. 달리 말하면, 인터쿨러가 고압 압축기(530) 상류의 제1 분기 흡기 라인(515)에 배열될 수도 있다. 유리하게는, 인터쿨러는 압축 효율을 개선시킨다.
일 예시적인 실시예에서, 공기 공급 장치(400)는 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 고압 압축기(530), 및 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 터빈(450, 550)을 포함할 수도 있다. 도 10은 고압 압축기(530) 및 터빈(550)을 포함하는 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 예를 들어, 고압 압축기(530)는 4 bar 이상의 압력으로 연료 전지에 가압 유체를 제공하고, 반면 연료 전지로부터 발생하는 배기 가스는 분위기로 방출될 수도 있거나, 또는 통상적으로 예를 들어 1.5 또는 2 bar의 압력을 갖는 가압 유체만을 필요로 할 수도 있는 공기 윤활 디바이스에 제공될 수도 있다. 고압 압축기(530)를 터빈(450, 550)과 조합하는 것은 고압 압축기(530)에 의해 발생된 고압 유체로부터 에너지를 회수하기 위해 특히 유리하다.
일 실시예에서, 고압 압축기(530)는 연료 전지(410)를 통해 공기 윤활 디바이스(420)에 가압 유체를 공급하기 위해 구성된다. 일 실시예에서, 연료 전지(410)의 배기 가스 라인(512)은 분기형 흡기 가스 라인(514), 특히 제2 분기 흡기 라인(516)과 연결된다. 이 연결 라인(518)은 도 10의 우측에 점선으로 그려져 있다. 공기 공급 장치(400)는 연결 라인(518)(도 10에는 도시되어 있지 않음) 내에 배열된 밸브, 플랩 및 추가 터빈 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제2 분기 흡기 라인(516)은 공기 윤활 디바이스(420)의 상류에 유동 제어 디바이스(460, 560, 561) 및/또는 터빈(450, 550)을 더 포함할 수도 있다(도 10에는 도시되어 있지 않음).
공기 공급 장치(400)는 유입 제어 디바이스(570)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 유입 제어 디바이스가 도 9에 도시되어 있다. 유입 제어 디바이스(570)는 압축기(430)의 하류 및 연료 전지(410)의 상류에 배열될 수도 있다. 유입 제어 디바이스(570)는 바람직하게는 연료 전지(410)와 직렬로 배열되고 그리고/또는 제1 분기 흡기 라인(515) 또는 흡기 가스 라인(414)에 배열된다. 유입 제어 디바이스(570)는 바람직하게는 연료 전지 바이패스(415)의 상류에 배열된다. 유입 제어 디바이스(570)는 연료 전지(410)의 충전 압력을 제어하기 위해 구성될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 유입 제어 디바이스(570)는 밸브, 플랩 및 제2 터빈 중 적어도 하나이다.
공기 공급 장치(400)는 유입 제어 디바이스(570)가 제2 터빈인 실시예에서 제2 터빈 바이패스 및/또는 제2 터빈 바이패스 밸브를 포함할 수도 있다. 제2 터빈 바이패스는 제2 터빈을 바이패스하기 위해 구성된다. 공기 공급 장치(400)는 (제1) 터빈 및/또는 (제1) 터빈 바이패스 및/또는 (제1) 터빈 바이패스 밸브를 포함하지 않고 제2 터빈 및/또는 제2 터빈 바이패스 및/또는 제2 터빈 바이패스 밸브를 포함할 수도 있다. 터빈들은 (제1) 터빈이 바람직하게는 배기 가스 라인(412, 512)에 연결되고, 반면 제2 터빈(570)은 바람직하게는 연료 전지(410)의 상류에 배열된다는 점에서 상이하다.
이하에서, 본 발명의 몇몇 바람직한 실시예가 요약될 것이다:
1) 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(400)는 압축기(430), 연료 전지(410), 공기 윤활 디바이스(420), 터빈(450, 550) 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)를 포함한다. 터빈(450, 550), 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)가 배기 가스 라인(412, 512)에 연결된다. 유동 제어 디바이스(560, 560, 561)는 바람직하게는 밸브이다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 터빈(450, 550)의 하류에 배열된다. 배기 가스 라인(412, 512)은 선택적으로 제1 분기 배기 가스 라인과 제2 분기 배기 가스 라인을 갖는 분기형 배기 가스 라인일 수도 있다. 터빈(450, 550), 유동 제어 디바이스(460, 560, 561), 및 공기 윤활 디바이스(420)는 제1 분기 배기 가스 라인에 직렬로 배열될 수도 있다. 제2 분기 배기 가스 라인은 제3 터빈 및 추가 유동 제어 디바이스를 포함할 수도 있다. 제2 분기 배기 가스 라인, 특히 추가 유동 제어 디바이스는 가압 유체를 분위기로 직접 방출하기 위해 구성될 수도 있다. 추가 유동 제어 디바이스는 바람직하게는 제3 터빈의 하류에 배열된다.
2) 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(400)는 압축기(430), 연료 전지(410), 공기 윤활 디바이스(420), 터빈(450, 550) 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)를 포함한다. 터빈(450, 550), 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)가 배기 가스 라인(412, 512)에 연결된다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 바람직하게는 밸브이다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 터빈(450, 550)의 하류에 배열된다. 배기 가스 라인(412, 512)은 선택적으로 제1 분기 배기 가스 라인과 제2 분기 배기 가스 라인을 갖는 분기형 배기 가스 라인일 수도 있다. 터빈(450, 550)은 분기부의 상류에 배열될 수도 있다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561), 및 공기 윤활 디바이스(420)는 제1 분기 배기 가스 라인에 직렬로 배열될 수도 있다. 제2 분기 배기 가스 라인은 추가 유동 제어 디바이스를 포함할 수도 있다. 제2 분기 배기 가스 라인, 특히 추가 유동 제어 디바이스는 가압 유체를 분위기로 직접 방출하기 위해 구성될 수도 있다.
3) 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(400)는 압축기(430), 연료 전지(410), 공기 윤활 디바이스(420), 터빈(450, 550) 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)를 포함한다. 터빈(450, 550), 및 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)가 배기 가스 라인(412, 512)에 연결된다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 바람직하게는 밸브이다. 배기 가스 라인(412, 512)은 선택적으로 제1 분기 배기 가스 라인과 제2 분기 배기 가스 라인을 갖는 분기형 배기 가스 라인일 수도 있다. 유동 제어 디바이스(460, 560, 561), 및 공기 윤활 디바이스(420)는 제1 분기 배기 가스 라인에 직렬로 배열될 수도 있다. 제2 분기 배기 가스 라인은 터빈(450, 550) 및 추가 유동 제어 디바이스를 포함할 수도 있다. 추가 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 터빈(450, 550)의 하류에 배열된다. 제2 분기 배기 가스 라인, 특히 추가 유동 제어 디바이스는 가압 유체를 분위기로 직접 방출하기 위해 구성될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지(410)는 연료 공급부에 연결된다. 연료 공급부는 연료 전지(410)에 연료를 제공하기 위해 구성된다. 특히, 연료는 수소, 메탄, 메탄올, 암모니아 또는 임의의 다른 적합한 연료 중 적어도 하나일 수 있다. 이에 따라, 중유와 같은 해상 운송에 사용되는 종래의 연료에 비교하여, 친환경성이 개선될 수 있다.
공기 공급 장치(400)는 애프터 버너, 산화기, 열 교환기, 및 재순환 디바이스로부터 선택된 적어도 하나의 구성요소를 더 포함할 수도 있다. 통상적으로, 적어도 하나의 구성요소는 배기 가스 라인(412)에 연결된다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 추가 구성요소 중 하나 이상을 제공하는 것은 공기 공급 장치, 특히 글로벌 시스템의 성능을 개선시키기 위해 유익할 수도 있다. 적어도 하나의 구성요소의 각각은 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 적어도 하나의 구성요소에 직렬로, 특히 적어도 하나의 구성요소(450)의 하류에 제공될 수도 있다. 대안적으로, 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 적어도 하나의 구성요소와 병렬로 제공될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 연료 전지(410)는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 또는 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 또는 연료 전지 하이브리드 시스템 또는 임의의 다른 연료 전지 유형, 특히 모바일 용례를 위한 임의의 다른 연료 전지이다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예와 조합될 수 있는 실시예에 따르면, 공기 공급 장치(400)는 복수의 연료 전지 및/또는 복수의 공기 윤활 디바이스를 포함할 수도 있다. 복수의 연료 전지 및/또는 복수의 공기 윤활 디바이스의 각각은 가압 라인 시스템에 연결될 수도 있고 그리고/또는 압축기와 유체 연통할 수도 있다. 압축기(430)는 복수의 연료 전지 및/또는 복수의 공기 윤활 디바이스의 각각에 가압 유체를 제공하기 위해 구성될 수도 있다.
본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치(400)를 포함하는 선박(700)이 제공된다. 따라서, 물-선체 마찰 감소를 위한 더 효율적이고 더 친환경적인 시스템을 갖는 선박이 제공될 수 있고, 이는 전체 운영 비용을 감소될 수 있다. 본 개시내용에서, 용어 "선박"은 보트, 임의의 다른 모든 배를 또한 포함할 수도 있다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 선박용 공기 공급 장치에 연료 전지를 설치하는 방법이 제공된다. 공기 공급 장치는 선박의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스, 및 공기 윤활 디바이스에 가압 유체를 제공하기 위한 압축기를 포함한다. 방법은 연료 전지 및 흡기 가스 라인 또는 분기형 흡기 가스 라인 및 배기 가스 라인을 갖는 가압 라인 시스템을 제공하는 것을 포함할 수도 있다. 방법은 흡기 가스 라인 또는 분기형 흡기 가스 라인을 통해 압축기 출구와 연료 전지의 입구를 연결하는 단계를 더 포함한다. 방법은 배기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스의 입구를 연료 전지의 배기 가스 출구와 연결하는 단계, 또는 분기형 흡기 가스 라인을 통해 공기 윤활 디바이스의 입구를 압축기 출구와 연결하는 단계를 포함한다.
방법은 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 공기 공급 장치, 연료 전지, 및 가압 라인 시스템을 포함할 수도 있다. 더욱이, 방법은 본 명세서에 설명된 임의의 위치(즉, 가압 라인 시스템 내의 위치 및 다른 구성요소의 상류/하류)에 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 임의의 구성요소를 설치하는 단계를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 방법은 터빈 및/또는 유동 제어 디바이스를 설치하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
따라서, 상기의 관점에서, 최신 기술과 비교하여, 본 명세서에 설명된 실시예는 개선된 에너지 효율 및 친환경성을 유리하게 제공하여, CO2 배출 및 운영 비용이 감소될 수 있게 된다는 것이 이해되어야 한다.
전술된 내용은 실시예에 관한 것이지만, 다른 및 추가의 실시예가 기본 범주로부터 벗어나지 않고 안출될 수도 있고, 범주는 이어지는 청구범위에 의해 결정된다.
100: 공기 공급 장치
110: 연료 전지
111: 배기 가스 출구
112: 배기 가스 라인
120: 공기 윤활 디바이스
140: 연료 공급부
150: 구성요소
160: 유동 제어 디바이스
200: 선박
300: 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법
310, 320, 330, 340, 350: 공기 윤활 디바이스에 공기를 공급하는 방법의 방법 단계를 나타내는 블록
400: 공기 공급 장치
410: 연료 전지
411, 511: 배기 가스 출구
412, 512: 배기 가스 라인
414: 흡기 가스 라인
415: 연료 전지 바이패스
416: 연료 전지 바이패스 유동 제어 디바이스
420: 공기 윤활 디바이스
430: 압축기
450, 550: 터빈
451: 터빈 바이패스
452: 터빈 바이패스 밸브
460, 560, 561: 유동 제어 디바이스
480: 블로우오프 밸브
514: 분기형 흡기 가스 라인
515: 제1 분기 흡기 라인
516: 제2 분기 흡기 라인
530: 고압 압축기
570: 유입 제어 디바이스
700: 선박

Claims (32)

  1. 선박(200)용 공기 공급 장치(100)이며,
    - 연료 전지(110), 및
    - 선박(200)의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(120)로서, 연료 전지(110)의 배기 가스 출구(111)가 공기 윤활 디바이스(120)에 배기 가스를 공급하기 위해 배기 가스 라인(112)을 통해 공기 윤활 디바이스(120)와 연결되는, 공기 윤활 디바이스(120)를 포함하는, 공기 공급 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 연료 전지(110)는 연료 전지(110)에 가압 공기를 제공하기 위해 압축기(130)와 연결되는, 공기 공급 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료 전지(110)는 연료 전지(110)에 연료를 제공하기 위해 연료 공급부(140)에 연결되고, 특히 연료는 수소, 메탄, 메탄올, 암모니아 또는 임의의 다른 적합한 연료 중 적어도 하나인, 공기 공급 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 애프터 버너, 산화기, 터빈, 팽창기, 열 교환기, 스로틀, 특히 플랩, 및 재순환 디바이스로부터 선택되는 적어도 하나의 구성요소(150)를 더 포함하고, 적어도 하나의 구성요소(150)는 배기 가스 라인(112)에 연결되는, 공기 공급 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스 라인(112)에 연결된 유동 제어 디바이스(160)를 더 포함하고, 특히 유동 제어 디바이스(160)는 밸브 또는 플랩인, 공기 공급 장치(100).
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 유동 제어 디바이스(160)는 적어도 하나의 구성요소(150)에 직렬로, 특히 적어도 하나의 구성요소(150)의 하류에 제공되고, 또는 유동 제어 디바이스(160)는 적어도 하나의 구성요소(150)와 병렬로 제공되는, 공기 공급 장치(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(110)는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 또는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 또는 모바일 용례를 위한 임의의 다른 연료 전지인, 공기 공급 장치(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(110)의 배기 가스 출구(111)는 배기 가스 라인(112)을 통해 공기 윤활 디바이스(120)와 직접 연결되어, 특히 터보차저를 추진하기 위해 배기 가스 정지 에너지를 사용하지 않고, 연료 전지로부터의 배기 가스가 공기 윤활 디바이스로 직접 유도되게 되는, 공기 공급 장치(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 공기 공급 장치(100)를 포함하는, 선박(200).
  10. 선박(200)의 공기 윤활 디바이스(120)에 공기를 공급하는 방법(300)이며,
    - 연료 전지(110)로부터의 배기 가스를 공기 윤활 디바이스(120)에 공급하는 단계(310)를 포함하는, 방법(300).
  11. 제10항에 있어서, 연료 전지(110)에 가압 공기를 제공하는 단계(320)를 더 포함하는, 방법(300).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 공기 윤활 디바이스(120)로부터 배기 가스를 배출하기 전에, 애프터 버너, 산화기, 터빈, 팽창기, 열 교환기, 스로틀, 특히 플랩, 및 재순환 디바이스로부터 선택된 적어도 하나의 구성요소(150)를 통해 배기 가스를 안내하는 단계(330)를 더 포함하는, 방법(300).
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 제어 디바이스(160), 특히 밸브 또는 플랩을 사용하여 공기 윤활 디바이스(120)에 제공되는 배기 가스 유동을 제어하는 단계(340)를 더 포함하는, 방법(300).
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스는 O2-부족 공기 및/또는 증기인, 방법(300).
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(110)로부터 공기 윤활 디바이스(120)로 배기 가스를 공급하는 단계(310)는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스로 직접 유도하는 단계를 포함하는, 방법(300).
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(110)로부터 공기 윤활 디바이스(120)로 배기 가스를 공급하는 단계(310)는 터보차저를 추진하기 위해 배기 가스 정지 에너지를 사용하지 않고 배기 가스를 공기 윤활 디바이스로 유도하는 단계를 포함하는, 방법(300).
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 공기 공급 장치(100)를 사용하는 단계(350)를 더 포함하는, 방법.
  18. 선박(700)용 공기 공급 장치(400)이며,
    - 연료 전지(410); 및
    - 선박(700)의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(420);
    - 가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)에 가압 유체를 제공하기 위해 가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)에 연결된 압축기(430)를 포함하고,
    가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)은 압축기(430)로부터 가압 유체를 연료 전지(410)에 제공하기 위해 연료 전지(410)에 연결되고,
    가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)은 공기 윤활 디바이스(420)에 가압 유체를 제공하기 위해 공기 윤활 디바이스(420)에 또한 연결되는, 공기 공급 장치(400).
  19. 제18항에 있어서, 연료 전지(410)의 배기 가스 출구(411)는 배기 가스를 공기 윤활 디바이스(420)에 공급하기 위해 가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)의 배기 가스 라인(412)을 통해 공기 윤활 디바이스(420)와 연결되는, 공기 공급 장치(400).
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 압축기(430)의 압축기 출구는 압축기 출구로부터 공기 윤활 디바이스(420)로 가압 유체를 공급하기 위해 가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516)의 분기형 흡기 가스 라인(514)을 통해 공기 윤활 디바이스(420)와 연결되는, 공기 공급 장치(400).
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 가압 라인 시스템(412, 414, 512, 514, 515, 516), 특히 분기형 흡기 가스 라인(514) 또는 흡기 가스 라인(414) 및 배기 가스 라인(412)에 연결된 연료 전지 바이패스(415)를 더 포함하는, 공기 공급 장치(400).
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 분기형 흡기 가스 라인(514)은 연료 전지(410)에 연결된 제1 분기 흡기 라인(515) 및 공기 윤활 디바이스(420)에 연결된 제2 분기 흡기 라인(516)을 포함하는, 공기 공급 장치(400).
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 바람직하게는 배기 가스 라인(412, 512) 또는 제2 분기 흡기 라인(516)에 연결되는 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)를 더 포함하고, 특히 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)는 밸브 또는 플랩이고; 그리고/또는 가압 유체를 방출하기 위한 블로우오프 밸브(480)를 더 포함하고, 바람직하게는 블로우오프 밸브(480)는 배기 가스 라인(412, 512)에 연결되는, 공기 공급 장치(400).
  24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스 라인(412, 512)에 연결된 터빈(450, 550)을 더 포함하고, 선택적으로 터빈(450, 550)은 유동 제어 디바이스(460, 560)에 직렬로, 특히 유동 제어 디바이스(460, 560, 561)의 상류에 제공되는, 공기 공급 장치(400).
  25. 제24항에 있어서, 특히 배기 가스 라인(412)에 연결된 터빈 바이패스(451) 및 터빈 바이패스 밸브(452)를 더 포함하고; 그리고/또는 블로우오프 밸브(480)는 터빈(450)의 하류 및/또는 배기 가스 라인(412, 512)과 병합 또는 통합하는 터빈 바이패스(451)의 상류에 배열되는, 공기 공급 장치(400).
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(410)의 충전 압력을 제어하기 위해 압축기(430)의 하류 및 연료 전지(410)의 상류에 배열된 유입 제어 디바이스(570)를 더 포함하고, 특히 유입 제어 디바이스(570)는 밸브, 플랩 및 제2 터빈 중 적어도 하나인, 공기 공급 장치(400).
  27. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(410)에 가압 유체를 제공하기 위해 압축기(430)의 하류 및 연료 전지(410)의 상류에 배열된 고압 압축기(530)를 더 포함하고, 선택적으로 압축기(430)와 고압 압축기(530) 사이에 배열된 인터쿨러를 더 포함하는, 공기 공급 장치(400).
  28. 제27항에 있어서, 고압 압축기(530)는 연료 전지(410)를 통해 공기 윤활 디바이스(420)에 가압 유체를 공급하기 위해 구성되는, 공기 공급 장치(400).
  29. 제18항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(410)는 연료 전지(410)에 연료를 제공하기 위해 연료 공급부에 연결되고, 특히 연료는 수소, 메탄, 메탄올, 암모니아 또는 임의의 다른 적합한 연료 중 적어도 하나인, 공기 공급 장치(400).
  30. 제18항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지(410)는 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 또는 고체 산화물 연료 전지(SOFC), 연료 전지 하이브리드 시스템 또는 모바일 용례를 위한 임의의 다른 연료 전지인, 공기 공급 장치(400).
  31. 제18항 내지 제30항 중 어느 한 항에 따른 공기 공급 장치(400)를 포함하는, 선박(400).
  32. 선박(400)용 공기 공급 장치(400)에 연료 전지(410)를 설치하는 방법이며, 공기 공급 장치(400)는 선박(400)의 저항 감소를 위한 공기 윤활 디바이스(420), 및 공기 윤활 디바이스(420)에 가압 유체를 제공하기 위한 압축기(430)를 포함하고, 방법은:
    - 흡기 가스 라인(414) 또는 분기형 흡기 가스 라인(514)을 통해 압축기 출구와 연료 전지(410)의 입구를 연결하는 단계; 및
    - 배기 가스 라인(412, 512)을 통해 공기 윤활 디바이스의 입구(420)를 연료 전지(410)의 배기 가스 출구(411)와 연결하는 단계; 또는 분기형 흡기 가스 라인(514)을 통해 공기 윤활 디바이스(420)의 입구를 압축기 출구와 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
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