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KR102664939B1 - Fuel cell System for Ships - Google Patents

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KR102664939B1
KR102664939B1 KR1020210148836A KR20210148836A KR102664939B1 KR 102664939 B1 KR102664939 B1 KR 102664939B1 KR 1020210148836 A KR1020210148836 A KR 1020210148836A KR 20210148836 A KR20210148836 A KR 20210148836A KR 102664939 B1 KR102664939 B1 KR 102664939B1
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김상명
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한화오션 주식회사
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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.A marine fuel cell system is disclosed. The marine fuel cell system according to the present invention is a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a main fuel cell comprising a fuel cell stack in which a plurality of unit cells consisting of an anode, an electrolyte, and an air electrode are connected in series or parallel. chapter; A burner installed inside the main fuel cell unit and raising the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit; and an auxiliary heating unit that provides additional heat to raise the temperature of the fuel cell stack during initial startup of the main fuel cell unit, wherein the auxiliary heating unit is provided with a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). auxiliary fuel cell; and an air heater that is operated by electricity produced by an auxiliary fuel cell and produces heated air.

Figure R1020210148836
Figure R1020210148836

Description

선박용 연료전지 시스템 {Fuel cell System for Ships}Fuel cell system for ships {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.The present invention relates to a marine fuel cell system, and more specifically, to a marine fuel cell system that can shorten the start-up time, which is a disadvantage of solid oxide fuel cells, which are high-temperature fuel cells.

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.Energy sources used in ships include fuel oil such as HFO (Heavy Fuel Oil) and natural gas. In addition, hydrogen energy has recently been in the spotlight as an alternative energy that can solve the problem of fossil energy depletion, and research and development on fuel cells, a medium for using hydrogen energy, are being actively conducted.

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.A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of fuel into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It has a much higher energy conversion efficiency than a typical heat engine, so it can significantly reduce fuel consumption, pollutants, and greenhouse gas emissions. You can.

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.Depending on the type of electrolyte used, fuel cells include alkaline fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel. It is divided into batteries (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell/Proton Excahnge Membrane Fuel Cell). They basically operate on the same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different.

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.Alkaline fuel cells and polymer electrolyte membrane fuel cells operate at room temperature below 100°C, and phosphoric acid fuel cells operate at around 150 to 200°C. Additionally, molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells are high-temperature fuel cells and are generally operated at high temperatures of about 600 to 1,000°C.

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.In particular, a solid oxide fuel cell is a fuel cell that produces electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen using solid ceramic as an electrolyte. It can be used because it can be used with various hydrocarbon fuels such as natural gas, coal gas, and methanol. It is attracting attention as a marine fuel cell because it has a wide range of possible fuels, operates at high temperatures, and allows the use of relatively inexpensive catalysts.

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.However, a high-temperature fuel cell with an operating temperature approaching approximately 600 to 1,000°C as described above essentially requires a device to preheat the input raw materials and must maintain a high temperature in order to maintain normal operation. These operating conditions become constraints that make it difficult to turn the fuel cell on/off easily.

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.More specifically, when a high-temperature fuel cell is initially started, gas and air are supplied to an internal burner, and the air heated by the burner heats the fuel cell stack under high-temperature operating conditions (600 to 1,000°C). The temperature is raised to , and it takes a long time, from several to tens of hours, to form the fuel cell stack at a high temperature, which is the operating condition (approximately 12 hours is required for the temperature increase operation).

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.As high-temperature fuel cells such as solid oxide fuel cells are difficult to operate immediately, when deployed on a ship, it is difficult to stop operation after departure and must continue to operate until the end of the operation, resulting in unnecessary fuel consumption and reducing the operational efficiency of the ship. There was a problem that caused it to drop.

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.In other words, solid oxide fuel cells, which belong to high-temperature fuel cells, have poor load followability and take a long time to start up after stopping, so it is difficult to apply the currently developed fuel cell system alone to ships, and solid oxide fuel cells are used on ships. When attempting to mount it, the above problems must be resolved.

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.The purpose of the present invention to solve the above-described conventional problems is to provide a marine fuel cell system that can significantly shorten the preheating time required when starting a solid oxide fuel cell, which is a high-temperature fuel cell.

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.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

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.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell stack in which a plurality of unit cells consisting of an anode, an electrolyte, and an air electrode are connected in series or parallel. A main fuel cell unit including; A burner installed inside the main fuel cell unit and increasing the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit; and an auxiliary heating unit that provides additional heat to increase the temperature of the fuel cell stack during initial startup of the main fuel cell unit, wherein the auxiliary heating unit is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). An auxiliary fuel cell provided with; And a marine fuel cell system including an air heater that is operated by electricity produced by the auxiliary fuel cell to produce heated air.

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.The main fuel cell units are provided in plural pieces, and during the voyage of the ship, only the necessary ones of the plurality of main fuel cell parts can be operated and the rest can be stopped by predicting the power demand required within the ship.

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.A marine fuel cell system according to one aspect of the present invention includes a fuel supply unit for supplying hydrogen to the anodes of the main fuel cell unit and the auxiliary fuel cell; And it may further include an air supply unit for supplying air to the air electrodes of the main fuel cell unit and the auxiliary fuel cell.

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.The fuel supply unit includes a storage tank for storing hydrocarbon-based fuel; an external reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel stored in the storage tank; a main fuel supply line that supplies reformed gas generated in the external reformer to the anode of the main fuel cell unit; And it may include an auxiliary fuel supply line that supplies reformed gas generated in the external reformer to the anode of the auxiliary fuel cell.

상기 연료공급부는, 상기 보조 연료공급라인 상에 설치되며 상기 보조 연료전지의 연료극으로 공급되는 개질가스 중의 일산화탄소 농도를 저감하는 수소 정제장치를 더 포함할 수 있다.The fuel supply unit may further include a hydrogen purification device installed on the auxiliary fuel supply line and reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas supplied to the anode of the auxiliary fuel cell.

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.The auxiliary fuel cell operates as a power source that provides additional heat to raise the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit, and stops operating except during initial startup of the main fuel cell unit. It can be operated as a separate power source needed within the ship.

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.According to the present invention, the initial startup of the solid oxide fuel cell is assisted by driving an air heater with electricity generated by a polymer electrolyte membrane fuel cell with a relatively short startup time to transfer additional heat to the stack of the solid oxide fuel cell. This has the effect of significantly shortening the start-up time of a solid oxide fuel cell (compensating for the shortcomings of high-temperature fuel cells).

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.In other words, the present invention can dramatically reduce the time required to start the solid oxide fuel cell by additionally securing the initial starting power of the solid oxide fuel cell through the polymer electrolyte membrane fuel cell, and the solid oxide fuel cell can participate in electrochemical reactions. As the required temperature can be quickly reached, ON/OFF operation is possible even while the ship is sailing, enabling efficient operation of the ship.

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.In addition, according to the present invention, through predictive operation of the fuel cell system by predicting the power demand required within the ship, in conditions where the ship's power consumption is low, some of the plurality of solid oxide fuel cells are stopped and only the necessary ones are operated. It can cover the internal power, thereby reducing unnecessary fuel and enabling efficient operation of the ship.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing a marine fuel cell system according to the present invention.

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.Details regarding the purpose and technical configuration of the present invention and its operations and effects will be more clearly understood by the detailed description based on the drawings attached to the specification of the present invention.

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.The terminology used herein is merely used to describe specific embodiments and is not intended to limit the invention. For example, in this specification, 'including' a certain component does not mean excluding other components, but may further include other components, unless specifically stated to the contrary. Furthermore, when a component is mentioned as being 'connected' or 'connected' to another component, it should be understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between.

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.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are provided so that those skilled in the art can easily understand the technical idea of the present invention, and should not be construed as limiting the present invention. The embodiments of the present invention are provided to those skilled in the art. It is natural that it can have various applications.

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.1 is a diagram schematically showing a marine fuel cell system according to the present invention. Referring to Figure 1, the marine fuel cell system according to the present invention includes a main fuel cell unit 100 provided with a solid oxide fuel cell; and an auxiliary heating unit 200 that provides an additional heat source for heating the fuel cell stack 111 of the main fuel cell unit 100 during initial startup of the main fuel cell unit 100.

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.The main fuel cell unit 100 includes a hot box (110) consisting of a fuel cell stack (111), an M-BOP (Mechanical Malance Of Plant, 112), an E-BOP (Electrical Balance Of Plant), and a controller. It may include a cold box (not shown) consisting of.

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.The fuel cell stack 111 is a SOFC type in which an anode and an air electrode are located on both sides of an oxygen ion-conducting electrolyte. Several unit cells consisting of an anode, an electrolyte, and an air electrode are arranged in series or parallel. It may consist of a connected stack.

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.M-BOP (112) refers to a mechanical device for supplying hydrogen and air (oxygen) as fuel to the fuel cell stack 111, and includes a vaporizer, reformer, igniter, and heat exchanger. It may include etc.

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.In addition, when operating a solid oxide fuel cell belonging to a high-temperature fuel cell, the fuel cell stack 111 must be formed under high temperature operating conditions, and for this purpose, the M-BOP 112 heats the fuel cell stack 111 to a high temperature. It may further include a burner (not shown) to raise the temperature.

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.However, as described above, there was a problem that it was not easy to raise the temperature of the fuel cell stack 111 to high temperature operating conditions in a short period of time using only the burner (not shown) installed inside the hot box 110. The present invention As proposed to solve the problem, an auxiliary heating unit 200 that provides additional heat to increase the temperature of the fuel cell stack 111 during initial startup of the fuel cell system may be further included.

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.That is, the marine fuel cell system according to the present invention raises the temperature of the fuel cell stack 111 by a burner (not shown) installed inside the hot box 110 during initial startup, and at the same time, the auxiliary temperature increase unit 200 By receiving additional heat, the temperature of the fuel cell stack 111 can be increased at a faster rate than before.

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.The auxiliary temperature increasing unit 200 includes an auxiliary fuel cell 210 provided as a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC); and an air heater 220 operated by electricity generated by the auxiliary fuel cell 210.

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.Polymer electrolyte membrane fuel cells use a polymer electrolyte membrane called Nafion, which can conduct hydrogen ions, and produce electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen at a temperature below 100°C to maintain the electrolyte membrane. It is a fuel cell.

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.In particular, polymer electrolyte membrane fuel cells have the characteristics of low operating temperature and fast start-up and load response times. The present invention utilizes the advantage of the short start-up time of the polymer electrolyte membrane fuel cell to provide a polymer electrolyte membrane fuel cell. The auxiliary fuel cell 210 provided as an initial starting power is used to quickly supply additional heat necessary to raise the temperature of the fuel cell stack 111 when the main fuel cell unit 100 is started, thereby maintaining the main fuel cell unit 100. This is to assist in enabling quick start-up.

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.In other words, the present invention focuses on the fact that the characteristics of a polymer electrolyte membrane fuel cell, which has a very fast start-up and load response time, can be used to quickly supply additional heat required during initial startup of the main fuel cell unit 100. It was done.

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.The auxiliary fuel cell 210, which is provided with a polymer electrolyte membrane fuel cell, operates quickly upon initial startup of the main fuel cell unit 100 to produce electricity, and operates the air heater 220 using the produced electricity. Air heated by the heater 220 may be supplied as an additional heat source to increase the temperature of the fuel cell stack 111 inside the hot box 110.

보조 연료전지(210)는 주 연료전지부(100)의 초기 기동시를 제외하고는 동작을 중지하거나 또는 선박 내 필요한 별도의 전력 공급원으로서 활용될 수 있다.The auxiliary fuel cell 210 may stop operating except for the initial startup of the main fuel cell unit 100 or may be used as a separate power source required within the ship.

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.The main fuel cell unit 100 can produce the power required for the ship through an electrochemical reaction using hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack 111 and oxygen in the air supplied to the air electrode, and can meet the power demand within the ship. Multiple units may be prepared to cover the total.

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.Meanwhile, the marine fuel cell system according to the present invention includes a fuel supply unit 300 for supplying hydrogen to the anodes of the main fuel cell unit 100 and the auxiliary fuel cell 210, the main fuel cell unit 100, and auxiliary fuel. It may further include an air supply unit 400 for supplying air to the air electrode of the battery 210.

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.The fuel supply unit 300 is for supplying hydrogen to the anodes of the main fuel cell unit 100 and the auxiliary fuel cell 210. The fuel stored in the storage tank 310 is reformed to contain hydrogen (H 2 ). It may include a reformer 320 that generates reformed gas.

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.The fuel stored in the storage tank 310 is capable of producing hydrogen through a reforming reaction, and includes representative liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG), and Liquefied Ethane Gas (LEG). ), LPG (Liquefied Petroleum Gas), Liquefied Ethylene Gas (LEG), Liquefied Propylene Gas, Methanol (MeOH), and hydrocarbons such as Di-Methyl Ether (DME) It may be a series of liquefied gas fuels.

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.Additionally, the above fuel may include any fuel that can produce hydrogen through processes such as reforming or separation. For example, reformable fuel may include marine gas oil (MGO: Marine Gas Oil), marine diesel oil (MDO: Marine Diesel Oil), or general heavy fuel oil (HFO: Heavy Fuel Oil), in which case it is liquid. Reforming can be facilitated through methanation, which decomposes fuel to produce methane (CH 4 ).

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.The reformer 320 performs a reforming reaction on the fuel stored in the storage tank 310 to generate reformed gas containing hydrogen. Here, fuel reforming means converting the fuel provided as a raw material in the storage tank 310 into a fuel containing hydrogen required by the fuel cell.

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.As shown in the drawing, the reformer 320 may be installed on the fuel supply line before the main fuel cell unit 100 and may be configured as an external reformer installed outside the main fuel cell unit 100. However, the present invention It is not limited to this, and is provided in the form of an internal reformer in which reforming occurs inside the fuel cell stack 111 of the main fuel cell unit 100, or in the form of both an external reformer and an internal reformer inside and outside the main fuel cell unit 100. It is also possible to deploy.

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.However, in the present invention, the fuel stored in the storage tank 310 may need to be supplied not only to the main fuel cell unit 100 but also to the auxiliary fuel cell 210 after undergoing a reforming reaction, so as shown in the drawing, a reformer is used. (320) is preferably configured at least in the form of an external reformer.

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.In addition, although omitted in the drawing, the fuel supply unit 300 includes a vaporizer that vaporizes the fuel stored in a liquid state in the storage tank 310 and delivers it to the reformer 320; A filter to remove impurities contained in the fuel delivered to the reformer 320 or a desulfurizer to remove sulfur components; It may further include a heater that heats the fuel delivered to the reformer 320 or the reformed gas generated in the reformer 320.

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.The reformed gas containing hydrogen generated in the reformer 320 may be supplied to the anode of the fuel cell stack 111 provided in the main fuel cell unit 100. In addition, as described above, when the auxiliary fuel cell 210 is operated for the purpose of providing additional heat during the initial startup of the main fuel cell unit 100, the reformed gas generated in the reformer 320 is used in the auxiliary fuel cell ( 210) can also be supplied as an anode.

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.However, in the case of a solid oxide fuel cell, not only hydrogen contained in the reformed gas but also carbon monoxide (CO) can be used as fuel, but in the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell, the electrode catalyst of the fuel cell stack is poisoned by carbon monoxide and the fuel is consumed. This may shorten the life of the battery.

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.Accordingly, a hydrogen purification device 330 may be installed on the fuel supply line that supplies reformed gas from the reformer 320 to the anode of the auxiliary fuel cell 210 for the purpose of reducing the carbon monoxide concentration of the reformed gas. The hydrogen purification device 330 may be a water gas shift reactor (WGS).

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. The air supply unit 400 is intended to supply air to the air electrode of the fuel cell stack 111 of the main fuel cell unit 100, and may be configured to include a blower or an air compressor.

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.The air supplied to the fuel cell stack 111 of the main fuel cell unit 100 through the air supply unit 400 must be free of moisture and foreign substances to prevent damage to the equipment, and is used as a solid oxide fuel cell. Since the operating temperature of the main fuel cell unit 111 is approximately 600 to 1,000° C., the operating efficiency is good when the air temperature is high.

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.Considering this, the present invention can configure a system so that high-temperature air produced in the auxiliary temperature increasing unit 200 can be supplied to the air electrode of the fuel cell stack 111 of the main fuel cell unit 100. .

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.Meanwhile, the auxiliary fuel cell 31 must also receive air through the air electrode in order to operate. In this case, the system can be configured so that the air electrode of the auxiliary fuel cell 31 also receives air from the air supply unit 400.

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.According to the present invention, the initial startup of the solid oxide fuel cell is assisted by driving an air heater with electricity generated by a polymer electrolyte membrane fuel cell with a relatively short startup time to transfer additional heat to the stack of the solid oxide fuel cell. This has the effect of significantly shortening the start-up time of a solid oxide fuel cell (compensating for the shortcomings of high-temperature fuel cells).

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.In other words, the present invention can dramatically reduce the time required to start the solid oxide fuel cell by additionally securing the initial starting power of the solid oxide fuel cell through the polymer electrolyte membrane fuel cell, and the solid oxide fuel cell can participate in electrochemical reactions. As the required temperature can be quickly reached, ON/OFF operation is possible even while the ship is sailing, enabling efficient operation of the ship.

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.In addition, according to the present invention, through predictive operation of the fuel cell system by predicting the power demand required within the ship, in conditions where the ship's power consumption is low, some of the plurality of solid oxide fuel cells are stopped and only the necessary ones are operated. It can cover the internal power, thereby reducing unnecessary fuel and enabling efficient operation of the ship.

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.The present invention is not limited to the described embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, such modifications or variations should be considered to fall within the scope of the claims of the present invention.

1: 주 연료전지
10: 연료공급부
11: 저장탱크
12: 개질기
20: 공기공급부
30: 초기 기동 보조부
31: 보조 연료전지
32: 에어히터
33: 수소 정제장치1: Main fuel cell
10: Fuel supply unit
11: storage tank
12: Reformer
20: Air supply unit
30: Initial maneuvering assistant
31: Auxiliary fuel cell
32: Air heater
33: Hydrogen purification device

Claims (6)

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;
상기 주 연료전지부의 초기 기동시 상기 연료전지스택의 온도를 승온시키기 위한 추가적인 열을 제공하는 보조 승온부;
상기 주 연료전지부 및 보조 연료전지의 연료극에 수소를 공급하기 위한 연료공급부; 및
상기 주 연료전지부 및 보조 연료전지의 공기극에 공기를 공급하기 위한 공기공급부;
를 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 에어히터; 를 포함하며,
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 연료공급라인; 을 포함하는,
선박용 연료전지 시스템.A solid oxide fuel cell (SOFC) is a main fuel cell unit including a fuel cell stack in which a plurality of unit cells consisting of an anode, an electrolyte, and an air electrode are connected in series or parallel;
A burner installed inside the main fuel cell unit and increasing the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit;
an auxiliary heating unit that provides additional heat to increase the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit;
a fuel supply unit for supplying hydrogen to the anodes of the main fuel cell unit and the auxiliary fuel cell unit; and
The main fuel cell unit and An air supply unit for supplying air to the air electrode of the auxiliary fuel cell;
Including,
The auxiliary temperature increasing unit includes an auxiliary fuel cell provided with a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC); and an air heater that is operated by electricity produced by the auxiliary fuel cell to produce heated air. Includes,
The fuel supply unit includes a storage tank for storing hydrocarbon-based fuel; an external reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming the fuel stored in the storage tank; a main fuel supply line that supplies reformed gas generated in the external reformer to the anode of the main fuel cell unit; and an auxiliary fuel supply line that supplies reformed gas generated in the external reformer to an anode of the auxiliary fuel cell. Including,
Marine fuel cell system. 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.In claim 1,
The main fuel cell units are provided in plural pieces, and during the voyage of the ship, only the necessary ones are operated and the rest are stopped by predicting the power demand required within the ship.
Marine fuel cell system. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 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.In claim 1,
The fuel supply unit,
Further comprising a hydrogen purification device installed on the auxiliary fuel supply line and reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas supplied to the anode of the auxiliary fuel cell,
Marine fuel cell system. 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.In claim 1,
The auxiliary fuel cell operates as a power source that provides additional heat to raise the temperature of the fuel cell stack upon initial startup of the main fuel cell unit, and stops operating except during initial startup of the main fuel cell unit. Characterized in that it operates as a separate power source required within the ship,
Marine fuel cell system.
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