KR102316740B1 - Fuel cell system for a ship - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택; 혼합탱크로부터 상기 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인; 상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인; 상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인; 상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인; 선박에서 해수로부터 담수를 생성하고, 상기 캐소드 배출라인에 물을 공급하는 조수기; 상기 혼합탱크에서 발생되는 가스를 상기 전지스택에 분사하여 상기 전지스택의 온도를 조절하는 열교환유닛;을 포함한다.A fuel cell system for a ship according to the present invention includes: a battery stack having a cathode inlet and outlet, and an anode inlet and outlet; an anode supply line for supplying the fuel mixture from the mixing tank to the anode input part; an anode discharge line connecting the anode discharge unit and the mixing tank; a cathode supply line for supplying a fluid to the cathode inlet; a cathode discharge line for discharging the fluid from the cathode discharge unit; a freshwater generator for generating fresh water from seawater in a ship and supplying water to the cathode discharge line; and a heat exchange unit for controlling the temperature of the battery stack by spraying the gas generated from the mixing tank to the battery stack.

Figure R1020170068778
Figure R1020170068778

Description

선박용 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR A SHIP}Marine fuel cell system {FUEL CELL SYSTEM FOR A SHIP}

본 발명은 선박용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 연료전지 스택부를 포함하는 선박용 연료전지 시스템에 관한 것이다The present invention relates to a fuel cell system for a ship, and more particularly, to a fuel cell system for a ship including a fuel cell stack unit that converts chemical energy into electrical energy.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen contained in hydrocarbon-based substances such as methanol, ethanol, and natural gas and oxygen in the air.

연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 알칼리 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, alkali fuel cells, and the like, according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells basically operates on the same principle, but the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other.

이들 중 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 상기 고분자 전해질 연료전지는 일반적으로 수소 가스를 연료로 사용하나, 수소 가스의 보관, 이동의 불편함으로 인해 수소를 포함한 탄화수소를 개질(reform)하여 생성된 수소를 연료로 사용할 수 있다.Among them, the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has significantly higher output characteristics than other fuel cells, lower operating temperature, fast start-up and response characteristics, and portable electronic devices such as portable electronic devices. ) It has a wide range of applications, such as power sources for transportation, such as power sources or power sources for automobiles, as well as distributed power sources such as stationary power plants in houses and public buildings. The polymer electrolyte fuel cell generally uses hydrogen gas as a fuel, but hydrogen generated by reforming hydrocarbons including hydrogen can be used as a fuel due to the inconvenience of storage and movement of hydrogen gas.

한편, 고분자 전해질 연료 전지와 유사하나 액상의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)가 있다. 직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질 연료전지와 달리 액상의 연료를 사용함에 따라 연료 이동, 보관, 공급이 용이하며, 특히 앞서 언급한 개질기를 사용할 필요가 없기 때문에 연료전지 시스템을 소형화할 수 있다는 장점이 있다.On the other hand, there is a direct methanol fuel cell (DMFC) similar to the polymer electrolyte fuel cell but using liquid methanol as a direct fuel. Unlike the polymer electrolyte fuel cell, the direct methanol fuel cell uses liquid fuel, so it is easy to move, store, and supply fuel. .

상술한 직접 메탄올 연료전지는 예를 들어 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 메탄올 연료와 산소와의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 이러한 스택은 통상 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 분리판(bipolar plate)로 이루어진 단위 연료전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.The above-described direct methanol fuel cell includes, for example, a stack, a fuel tank, and a fuel pump. The stack is a device that generates electrical energy through an electrochemical reaction between methanol fuel and oxygen. Such a stack typically has a structure in which several to tens of unit fuel cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate are stacked. Here, the membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called “fuel electrode” or “oxidation electrode”) and a cathode electrode (called “air electrode” or “reduction electrode”) are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. have

대한민국 등록특허 10-0811982(2008년03월03일. 등록)Republic of Korea Patent Registration 10-0811982 (March 03, 2008. Registered)

본 발명은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 효율적으로 제어함과 동시에 인체 독성 및 발화성을 가진 가스의 누출 시 위험을 방지할 수 있는 안전장치를 구비한 선박용 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell system for a ship having a safety device capable of efficiently controlling heat generated from a fuel cell stack and at the same time preventing a risk in case of leakage of a gas having toxicity and ignitable properties to the human body.

본 발명의 일 측면에 따르면, 캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택; 혼합탱크로부터 상기 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인; 상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인; 상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인; 상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인; 선박에서 해수로부터 담수를 생성하고, 상기 혼합탱크에 물을 공급하는 조수기; 전지스택에서 발생되어 상기 혼합탱크로부터 공급되는 가스를 상기 전지스택에 분사하여 상기 전지스택의 온도를 조절하는 열교환유닛;을 포함하는 선박용 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, a battery stack having a cathode inlet and outlet, an anode inlet and outlet; an anode supply line for supplying the fuel mixture from the mixing tank to the anode input part; an anode discharge line connecting the anode discharge unit and the mixing tank; a cathode supply line for supplying a fluid to the cathode inlet; a cathode discharge line for discharging the fluid from the cathode discharge unit; a freshwater generator for generating fresh water from seawater in a ship and supplying water to the mixing tank; A fuel cell system for ships including a; a heat exchange unit for controlling the temperature of the battery stack by spraying the gas generated in the battery stack and supplied from the mixing tank to the battery stack can be provided.

상기 열교환유닛은 상기 전지스택을 둘러싸는 하우징; 및 상기 하우징에 가스를 공급하는 가스 공급라인; 및 상기 하우징에서 가스를 수요처로 공급하기 가스배출라인;을 포함한다.The heat exchange unit may include a housing surrounding the battery stack; and a gas supply line for supplying gas to the housing. and a gas discharge line for supplying the gas from the housing to the consumer.

상기 가스 공급라인은 가스의 온도를 조절하기 위한 열교환기; 및 가스공급펌프;를 포함한다.The gas supply line includes a heat exchanger for controlling the temperature of the gas; and a gas supply pump.

상기 하우징에서 수요처로 상기 가스를 배출하는 가스배출라인은 가스를 가압하는 압축기; 상기 가스와의 열교환을 수행하는 쿨러; 압축된 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기; 및 상기 불연성가스를 일시적으로 저장하는 저장탱크;가 마련될 수 있다.The gas discharge line for discharging the gas from the housing to the consumer includes a compressor for pressurizing the gas; a cooler performing heat exchange with the gas; a moisture eliminator for removing moisture contained in the compressed gas; and a storage tank for temporarily storing the incombustible gas.

상기 가스는 전지스택에서 발생되어 혼합탱크로부터 공급되는 것으로 주성분을 CO2로 하는 불연성가스로 볼 수 있다.The gas is generated from the battery stack and supplied from the mixing tank, and it can be seen as a non-flammable gas whose main component is CO 2 .

상기 선박은 엔진 등에 설치된 터보차져를 포함하고, 상기 터보차져에서 발생되는 공기를 상기 캐소드 투입부에 공급할 수 있다.The ship may include a turbocharger installed in an engine, etc., and may supply air generated from the turbocharger to the cathode inlet.

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 캐소드 배출물은 선외로 배출시키고, 선박에 있는 조수기에서 생성된 청수를 혼합탱크(21)로 공급할 수 있다. 캐소드 배출물을 응축시켜 회수하여 애노드에서 계속해서 재사용하는 것은 추가적인 증류수 제조에 소요되는 비용과 공간을 절약하려는 목적이나, 배출물 내의 용존 산소가 애노드로 유입되어 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 폐쇄형태로 계속 물을 재사용하는 것은 배관의 수명을 줄이는 단점이 있다.In the fuel cell system for a ship according to the present invention, the cathode discharge may be discharged overboard, and fresh water generated from a fresh water generator in the ship may be supplied to the mixing tank 21 . The purpose of condensing and recovering the cathode effluent and continuing to reuse it at the anode is to save the cost and space required for additional distilled water production, but dissolved oxygen in the effluent flows into the anode and degrades the performance. Reusing it has the disadvantage of shortening the life of the pipe.

또한, 열교환유닛으로 혼합탱크에서 배출되는 불연성가스, 예를 들어 CO2를 활용하여 전지스택을 냉각할 수 있다. 혼합탱크에서 배출되는 CO2로 이루어지는 불연성가스를 냉각 매체로 사용하게 되면, 혹시 모를 스택에서의 메탄올 유출 시에 메탄올과 반응하지 않아 안전하며, 또한 불연성효과로 인해 발화성이 있는 메탄올에 의한 화재를 원천적으로 막을 수 있다. 또한 전지스택은 출력을 많이 낼수록 열이 많이 발생하는데, 이 경우 전기화학반응도 많이 발생하여 CO2발생량도 많아진다. 즉, 더 많은 냉각이 필요할 때 CO2 의 발생량도 비례하여서 증가하게 되므로, 전지스택을 쿨링하기에 용이한 장점을 가진다.In addition, it is possible to cool the battery stack by using a non-combustible gas discharged from the mixing tank as a heat exchange unit, for example, CO 2 . If non-combustible gas composed of CO 2 discharged from the mixing tank is used as a cooling medium, it is safe because it does not react with methanol when methanol is leaked from the stack. can be prevented with Further cell stack to generate much more a lot of heat to be output, by the reaction a lot of electrochemical occurs when CO 2 generation amount is also increased. That is, when more cooling is required, the amount of CO 2 generated is also proportionally increased, so it is easy to cool the battery stack.

또한, 전지스택을 쿨링한 불연성가스는 따로 저장하여, 이후 선박에 필요한 다른 수요처에 분사하여 사용 가능하다. 예를 들면 선박의 엔진룸과 같은 밀폐된 공간에서의 화재에 소화제로 사용할 수 있다.In addition, the non-combustible gas cooled by the battery stack can be stored separately and then used by spraying it to other demanding destinations required for the ship. For example, it can be used as an extinguishing agent for fires in enclosed spaces such as the engine room of a ship.

도 1은 종래 기술에 의한 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선박용 연료전지 시스템을 도시한다.1 is a block diagram showing the configuration of a direct methanol fuel cell system according to the prior art.
2 shows a fuel cell system for a ship according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are presented in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. The present invention is not limited to the embodiments presented herein and may be embodied in other forms. The drawings may omit the illustration of parts irrelevant to the description in order to clarify the present invention, and may slightly exaggerate the size of the components to help understanding.

일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 탄화수소를 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 산소는 순수한 산소 형태로 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프 등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Hydrogen may supply pure hydrogen directly to the fuel cell system, or may supply hydrogen by reforming hydrocarbons such as methanol, ethanol, and natural gas. Oxygen may be supplied to the fuel cell system in the form of pure oxygen, or oxygen contained in ordinary air may be supplied using an air pump or the like.

연료전지는 상온 또는 100 이하에서 작동하는 고분자 전해질 및 직접 메탄올 연료전지, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 800 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells include polymer electrolyte and direct methanol fuel cells operating at room temperature or below 100, phosphoric acid fuel cells operating at around 150-200°C, molten carbonate fuel cells operating at high temperatures of 600-700°C, and operating at high temperatures above 800°C. It is classified as a solid oxide fuel cell. Each of these fuel cells has the same basic principle of generating electricity, but the type of fuel used, catalyst, electrolyte, etc. are different from each other.

연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료로서 수소 대신에 액상의 메탄올을 물과 혼합한 후 연료로 사용한다. 직접 메탄올 연료전지는 전해질막과, 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지는 막-전극 어셈플리(Membrane Electrode Assembly : MEA)를 구비한다. 전해질막으로는 플루오르화 중합체 등을 사용하는데, 플루오르화 중합체는 메탄올이 지나치게 빠르게 스며들어, 농도가 높은 메탄올을 연료로 사용하는 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질막을 투과해 버리는 크로스오버(crossover)현상이 발생하여 연료전지 성능이 감소된다. 따라서 메탄올의 농도를 낮추기 위하여 메탄올과 물을 혼합한 적정한 농도의 메탄올 수용액을 연료전지 시스템에 공급하게 된다.Direct methanol fuel cell (DMFC) among fuel cells uses liquid methanol as a fuel instead of hydrogen as a fuel after mixing it with water. A direct methanol fuel cell includes an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly (MEA) comprising an anode electrode and a cathode electrode in contact with both surfaces of the electrolyte membrane. A fluorinated polymer is used as the electrolyte membrane, but methanol permeates too quickly into the fluorinated polymer, and when methanol with a high concentration is used as fuel, the crossover phenomenon in which unreacted methanol permeates through the electrolyte membrane occurs. As a result, fuel cell performance is reduced. Therefore, in order to lower the concentration of methanol, an aqueous methanol solution having an appropriate concentration obtained by mixing methanol and water is supplied to the fuel cell system.

이러한 직접 메탄올 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여, 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.Although such a direct methanol fuel cell has a lower power density than a fuel cell that uses hydrogen as a direct fuel, the energy density per volume of methanol used as fuel is high and storage is easy, which is advantageous in situations where low power and long-term operation are required. have. In addition, since an additional device such as a reformer that reforms fuel to generate hydrogen is unnecessary, it is very advantageous for miniaturization.

도 1은 종래 기술에 의한 직접 메탄올 연료전지 시스템을 도시한 블록도를 나타내는데, 이하에서는 이를 참조하여 직접 메탄올 연료전지에 대해 설명하기로 한다. 1 is a block diagram illustrating a direct methanol fuel cell system according to the prior art. Hereinafter, a direct methanol fuel cell will be described with reference to this.

직접 메탄올 연료전지는 캐소드 및 애노스에서 회수된 물과 연료탱크(61)에서 공급되는 고농도 메탄올을 혼합해서 적당한 농도 (예를 들면 1M)의 메탄올 수용액을 혼합탱크(21)에 저장한다. 메탄올 수용액의 농도를 맞추기 위해서 혼합탱크(21)에는 메탄올 농도 센서(21c)가 설치되어 있고, 메탄올 수용액의 농도가 낮아지게 되면 메탄올 연료펌프(62)를 가동하여 혼합탱크(21)내에로 고농도의 메탄올을 공급하여 적절한 메탄올 농도를 유지하도록 한다. 또한 혼합탱크(21)에는 레벨센서(미도시)도 설치되어 있다. 메탄올 수용액의 수위가 낮아지게 되면, 캐소드 배출라인에 설치된 분리기(52)에 저장된 물을 워터펌프(53)를 통해서 공급하여 일정한 수위를 유지하도록 한다. 메탄올 수용액은 피드펌프(22)로 애노드 투입부(10a)를 통해 전지스택(10)에 공급되며, 전지스택(10)에서 반응하지 않은 미반응 물질 및 반응생성물인 CO2 가스는 애노드 토출구(10b)를 통해서 배출된다. 이때 이것의 온도는 전지스택(10)의 온도, 즉 40~90 정도이며 이를 열교환하여 온도를 낮춘 후 혼합탱크(21)로 다시 회수하여 액체(미반응 메탄올 및 물)는 재사용하고 가스인 CO2는 외부로 배출한다. The direct methanol fuel cell mixes the water recovered from the cathode and the anode with the high concentration methanol supplied from the fuel tank 61 and stores an aqueous methanol solution having an appropriate concentration (eg, 1M) in the mixing tank 21 . In order to match the concentration of the aqueous methanol solution, a methanol concentration sensor 21c is installed in the mixing tank 21, and when the concentration of the aqueous methanol solution is lowered, the methanol fuel pump 62 is operated to bring the high concentration of the methanol solution into the mixing tank 21. Methanol is supplied to maintain an appropriate methanol concentration. Also, a level sensor (not shown) is installed in the mixing tank 21 . When the water level of the aqueous methanol solution is lowered, the water stored in the separator 52 installed in the cathode discharge line is supplied through the water pump 53 to maintain a constant water level. The methanol aqueous solution is supplied to the battery stack 10 through the anode input part 10a by the feed pump 22, and the unreacted material and the reaction product CO 2 gas that did not react in the battery stack 10 are supplied to the anode outlet 10b. ) is released through At this time, its temperature is the temperature of the battery stack 10, that is, about 40 to 90, and after lowering the temperature by heat exchange, it is recovered back to the mixing tank 21, the liquid (unreacted methanol and water) is reused, and the gas, CO 2 is discharged to the outside.

공기는 송풍기(41), 필터기(42), 캐소드 투입부(10c)를 통해서 전지스택(10)으로 공급되며, 전지스택(10)에서 반응하고 남은 가스, 즉 캐소드 배출가스는 (cathode off gas)는 캐소드 토출부(10d)를 통해서 배출된다. 이 때 캐소드 배출가스에는 전지스택(10)의 전기화학반응으로 생성된 물 및 수증기를 포함하고 있어, 이를 응축기(51)에서 열교환하여 응축한 후 분리기(52)에서 물과 가스로 분리한 뒤, 물은 혼합탱크(21)로 재회수하여 사용하며, 응축되지 않는 가스는 외부로 배출한다.Air is supplied to the battery stack 10 through the blower 41, the filter 42, and the cathode inlet 10c, and the gas remaining after reacting in the battery stack 10, that is, the cathode exhaust gas (cathode off gas) ) is discharged through the cathode discharge unit 10d. At this time, the cathode exhaust gas contains water and water vapor generated by the electrochemical reaction of the battery stack 10, and after condensing it by heat exchange in the condenser 51, it is separated into water and gas in the separator 52, Water is recovered and used in the mixing tank 21, and the non-condensed gas is discharged to the outside.

도 1을 참조하면, 직접 메탄올 연료전지는 도시된 바와 같이 메탄올과 산소의 화학반응에 의해서 전기를 생성하는 전지스택(10)과, 전지스택(10)에 공급하고자 하는 고농도 연료를 저장하는 연료탱크(61)와, 전지스택(10)으로부터 배출되는 미반응 연료를 회수하는 응축기(31)와, 응축기(31)로부터 배출되는 미반응 연료와 연료탱크(61)로부터 배출되는 고농도 연료를 혼합시킨 메탄올 수용액을 저장하는 혼합탱크(21)를 구비한다. Referring to FIG. 1 , the direct methanol fuel cell includes a battery stack 10 that generates electricity by a chemical reaction between methanol and oxygen, and a fuel tank that stores high-concentration fuel to be supplied to the battery stack 10 as shown. (61), a condenser 31 for recovering unreacted fuel discharged from the battery stack 10, and methanol in which unreacted fuel discharged from the condenser 31 and high-concentration fuel discharged from the fuel tank 61 are mixed A mixing tank 21 for storing the aqueous solution is provided.

전지스택(10)에는 전해질막과, 전해질막의 양측에 제공된 캐소드 전극 및 애노드 전극으로 이루어진 막-전극 어셈블리(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 포함하는 단위 전지가 복수 개 제공된다. 그리고 이러한 전지스택(10)은 애노드 투입부(10a)와 애노드 토출부(10b), 캐소드 투입부(10c)와 캐소드 토출부(10d)를 가진다.The battery stack 10 is provided with a plurality of unit cells including an electrolyte membrane, and a membrane-electrode assembly (MEA) comprising a cathode electrode and an anode electrode provided on both sides of the electrolyte membrane. In addition, the battery stack 10 has an anode input portion 10a, an anode discharge portion 10b, a cathode input portion 10c, and a cathode discharge portion 10d.

애노드 전극은 혼합탱크(21)로부터 공급되는 혼합 연료에 포함된 메탄올을 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시킨다. 이 때 생성된 수소이온(H+)은 전해질막을 통해서 캐소드 전극으로 이동하게 되고, 상기 전자는 외부회로를 통해 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극에서는 외부에서 공급되는 공기 중의 산소, 상기 수소이온과 상기 전자와의 전기화학적 반응에 의해 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 또한 상기 전기화학 반응은 발열반응으로 열도 동시에 발생시킨다. 발생된 전기 에너지는 전력 변환장치(미도시)를 통해 전류/전압 등이 출력 규격에 맞게 변환되어 외부 부하로 출력된다. The anode electrode oxidizes methanol contained in the mixed fuel supplied from the mixing tank 21 to generate hydrogen ions (H + ) and electrons (e-). The generated hydrogen ions (H + ) move to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are transferred to the cathode electrode through an external circuit. In the cathode electrode, electricity is generated while generating water by an electrochemical reaction between oxygen in the air supplied from the outside, and the hydrogen ions and the electrons. In addition, the electrochemical reaction generates heat at the same time as an exothermic reaction. The generated electric energy is converted into current/voltage according to the output standard through a power converter (not shown) and output to an external load.

또한, 연료전지는 연료탱크(61)내 고농도 연료를 혼합탱크(21)로 전달하기 위한 연료펌프(62) 및 혼합탱크(21)내 혼합연료를 연료 전지 스택의 애노드로 전달하기 위한 피드펌프(22)를 포함하며, 연료 전지 시스템의 발전 상태에 따라 연료펌프(62) 및 피드펌프(22), 응축기(31)의 동작을 제어하기 위한 구동 제어부(미도시)를 구비할 수 있다. 구동 제어부는 혼합탱크(21)로부터 전지스택(10)의 애노드 전극에 공급되는 메탄올 혼합 연료의 농도를 일정하게 유지하는 등의 작업을 수행하여 연료전지 시스템의 발전효율을 안정적으로 유지시킨다. In addition, the fuel cell includes a fuel pump 62 for delivering the high concentration fuel in the fuel tank 61 to the mixing tank 21 and a feed pump for delivering the mixed fuel in the mixing tank 21 to the anode of the fuel cell stack ( 22), and may include a driving controller (not shown) for controlling the operations of the fuel pump 62 , the feed pump 22 , and the condenser 31 according to the power generation state of the fuel cell system. The driving control unit maintains the power generation efficiency of the fuel cell system stably by performing an operation such as maintaining a constant concentration of the methanol mixed fuel supplied from the mixing tank 21 to the anode electrode of the battery stack 10 .

애노드 토출부(10b)에서는 미반응 연료와 전기화학반응의 생성물인 CO2 및 물이 혼합되어 배출된다. 배출되는 미반응 연료는 응축기(31)로 이동하며, 응축기(31)에서 응축된 미반응 연료는 혼합탱크(21)로 수집된다. 미반응 연료에 함유된 이산화탄소 등 기체 성분은 혼합탱크(21)에서 분리되어 외부로 유출될 수 있다. 혼합탱크(21)에 수집된 미반응 연료와 연료탱크(61)에서 공급되는 고농도 연료는 혼합된 후에 전지스택(10)의 애노드 전극으로 공급된다. In the anode discharge unit 10b, the unreacted fuel, CO 2 and water, which are products of the electrochemical reaction, are mixed and discharged. The discharged unreacted fuel moves to the condenser 31 , and the unreacted fuel condensed in the condenser 31 is collected in the mixing tank 21 . Gas components such as carbon dioxide contained in the unreacted fuel may be separated from the mixing tank 21 and discharged to the outside. The unreacted fuel collected in the mixing tank 21 and the high-concentration fuel supplied from the fuel tank 61 are mixed and then supplied to the anode electrode of the battery stack 10 .

애노드 공급라인(20)은 혼합탱크(21)로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급한다. 이러한 애노드 공급라인(20)에는 혼합탱크(21)와 피드펌프(22)와 필터기(23)를 포함하고, 애노드 배출라인(30)은 애노드 토출부(10b)와 혼합탱크(21)를 연결한다.The anode supply line 20 supplies the fuel mixture from the mixing tank 21 to the anode input. The anode supply line 20 includes a mixing tank 21 , a feed pump 22 and a filter 23 , and the anode discharge line 30 connects the anode discharge unit 10b and the mixing tank 21 . do.

캐소드 공급라인(40)은 산소를 포함하는 공기를 가압 및 공급하기 위한 송풍기(41)와, 공기 정화를 위한 필터기(42)를 포함하고, 캐소드 투입부(10c)에 유체를 공급한다.The cathode supply line 40 includes a blower 41 for pressurizing and supplying air containing oxygen, and a filter 42 for air purification, and supplies a fluid to the cathode inlet 10c.

캐소드 배출라인(50)은 캐소드 토출부(10d)에서 캐소드 배출물을 내보내기 위해 마련되며, 캐소드 배출라인(50)에는 캐소드 배출물을 응축하는 응축기(51)와, 응축기(51)를 거친 캐소드 배출물을 분리하기 위한 분리기(52)와, 캐소드 배출라인(50) 내에 유체 이동을 강제하기 위한 워터펌프(53)과, 정화를 위한 필터장치(54)를 포함한다. 이때, 분리기(52)는 응축기(51)를 거친 캐소드 배출물을 혼합탱크(21) 쪽으로 안내하는 제1 분리부(52a), 과잉액을 배출하는 제2 분리부(52b)와, 기체성분을 배출하기 위한 제3 분리부(52c)로 분리하여 토출할 수 있다.The cathode discharge line 50 is provided to discharge the cathode discharge from the cathode discharge unit 10d, and the cathode discharge line 50 has a condenser 51 condensing the cathode discharge, and the condenser 51 separates the cathode discharge. It includes a separator 52 for cleaning, a water pump 53 for forcing fluid movement in the cathode discharge line 50, and a filter device 54 for purification. At this time, the separator 52 has a first separator 52a for guiding the cathode discharge passing through the condenser 51 toward the mixing tank 21 , a second separator 52b for discharging an excess liquid, and a gas component It can be separated and discharged by a third separating part 52c for the following.

연결라인(60)은 연료탱크(61)와 혼합탱크(21) 사이를 연결하며, 연료펌프(62)로 유체의 일방향 흐름을 구현한다.The connection line 60 connects between the fuel tank 61 and the mixing tank 21 , and implements a one-way flow of the fluid by the fuel pump 62 .

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 선박용 연료전지 시스템을 도시한다. 이하에서 설명하는 본 발명의 일실시예에 의한 선박용 연료전지 시스템에 대한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 전술한 연료전지 시스템에 대한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.2 shows a fuel cell system for a ship according to an embodiment of the present invention. In the description of the fuel cell system for ships according to an embodiment of the present invention to be described below, it is the same as the description of the fuel cell system described above, except when additionally described with separate reference numerals. omit

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 캐소드 투입부(10c)와 토출부(10d), 애노드 투입부(10a)와 토출부(10b)를 가지는 전지스택(10), 혼합탱크(21)로부터 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인(20), 애노드 토출부와 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인(30), 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인(40), 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인(50), 선박에서 해수로부터 담수를 생성하고, 캐소드 배출라인(50)에 물을 공급하는 조수기(71), 혼합탱크(21)에서 발생되는 불연성가스를 전지스택(10)에 분사하여 전지스택(10)의 온도를 조절하는 열교환유닛(100)을 포함한다.Referring to the drawings, the marine fuel cell system according to the present invention has a cathode input part 10c and a discharge part 10d, an anode input part 10a and a discharge part 10b having a battery stack 10, a mixing tank ( 21) from the anode supply line 20 for supplying the fuel mixture to the anode input part, the anode discharge line 30 for connecting the anode discharge part and the mixing tank, the cathode supply line 40 for supplying the fluid to the cathode input part, The cathode discharge line 50 for discharging the fluid from the cathode discharge part, the freshwater generator 71 for generating fresh water from seawater in the ship and supplying water to the cathode discharge line 50, the non-combustible generated from the mixing tank 21 and a heat exchange unit 100 for controlling the temperature of the battery stack 10 by spraying gas to the battery stack 10 .

조수기(71)는, 혼합탱크(21)로의 물 공급을 위해 캐소드 배출물을 사용하지 않고 이를 선외로 배출시키고, 선박에 있는 조수기(71)에서 생성된 청수를 혼합탱크(21)로 공급하기 위해 마련될 수 있다. 캐소드 배출물에서 물을 응축시켜 회수하여 애노드에서 재사용하는 것은 물 내의 용존 산소가 애노드로 유입되어 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 폐쇄 형태로 계속 물을 재사용하는 것은 배관의 수명을 줄어들게 하기 때문이다. 한편, 이러한 조수기(71)는 도시되지는 않았으나, 전지스택(10)에서 발생하는 폐열로 해수를 증발시켜 담수를 생성하는 방식으로 작동될 수 있다.The fresh water generator 71 discharges the cathode discharge overboard without using the cathode discharge to supply water to the mixing tank 21, and supplies fresh water generated by the fresh water generator 71 in the ship to the mixing tank 21. can be provided for. Condensing and recovering water from the cathode discharge and reusing it at the anode causes the dissolved oxygen in the water to flow into the anode and degrades performance. Meanwhile, although not shown, the fresh water generator 71 may be operated in a manner to generate fresh water by evaporating seawater with waste heat generated in the battery stack 10 .

선박에 설치되어 있는 터보차져(72)에서 발생되는 공기를 캐소드 투입부(10c)에 공급할 수 있다. 이는 별도의 에어 공급 수단을 필요로 하지 않으며, 기존에 선박 내에 포함된 구성을 이용하므로, 효율적이고 간단한 선박용 연료전지 구성을 가능하게 한다.Air generated from the turbocharger 72 installed in the ship may be supplied to the cathode input unit 10c. This does not require a separate air supply means and uses the configuration included in the existing ship, thereby enabling an efficient and simple configuration of a fuel cell for a ship.

열교환유닛(100)은 전지스택(10)을 둘러싸는 하우징(101), 및 열교환기(112)와 가스공급펌프(113)를 구비하고, 혼합탱크(21)로부터 하우징(101)에 가스를 공급하는 가스공급라인(110)를 포함한다. The heat exchange unit 100 includes a housing 101 surrounding the battery stack 10 , a heat exchanger 112 , and a gas supply pump 113 , and supplies gas from the mixing tank 21 to the housing 101 . and a gas supply line 110 that

가스공급라인(110)은 전지스택(10)과 하우징(101) 사이 공간에 가스, 예를 들어 혼합탱크(21)에서 발생되는 불연성가스인 CO2를 공급하기 위하여 마련된다. 이러한 가스공급라인(110)에는 CO2의 온도 조절을 위한 열교환기(112)와, 유체 이송을 위한 가스공급펌프(113)가 구비될 수 있다. The gas supply line 110 is provided to supply a gas, for example, CO 2 , which is a non-flammable gas generated in the mixing tank 21 , to a space between the battery stack 10 and the housing 101 . The gas supply line 110 may include a heat exchanger 112 for temperature control of CO 2 and a gas supply pump 113 for fluid transfer.

가스배출라인(120)은 하우징(101)에서 수요처(125)로 가스를 배출한다. 이러한 가스배출라인(120)에는 가스를 가압하는 압축기(121), 가스와의 열교환을 수행하는 쿨러(122), 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기(123), 및 가스를 일시적으로 저장하는 저장탱크(124)가 마련된다.The gas discharge line 120 discharges gas from the housing 101 to the consumer 125 . The gas discharge line 120 includes a compressor 121 for pressurizing gas, a cooler 122 for heat exchange with the gas, a moisture remover 123 for removing moisture contained in the gas, and a gas for temporarily storing the gas. A storage tank 124 is provided.

압축기(121)와 쿨러(122)는 가스배출라인(120) 내에 이송되는 가스를 가압 및 온도를 조절하여 저장탱크(124)에 저장할 수 있다. 이때, 수분제거기(123)는 가스에 포함되어 있는 소량의 수분을 제거하기 위하여 마련된다. 상기 가스는 애노드에서 생성된 CO2를 주성분으로 하는 불연성 가스이므로, 저장탱크(124)에 저장된 가스는 선박 내 수요처(125)에 소화제로 사용할 수 있다. 이러한 불연성가스는 CO2를 대신해, 선박에서 설치된 질소 발생기 (N2 generator, 미도시)에서 제조된 질소를 사용해 전지스택(10)을 쿨링하거나 소화제로 사용할 수 있다. The compressor 121 and the cooler 122 may store the gas transferred in the gas discharge line 120 in the storage tank 124 by controlling the pressure and temperature. At this time, the moisture remover 123 is provided to remove a small amount of moisture contained in the gas. Since the gas is a non-combustible gas mainly composed of CO 2 generated from the anode, the gas stored in the storage tank 124 may be used as a fire extinguishing agent for the demand 125 in the ship. This non-combustible gas can be used as an extinguishing agent or cooling the battery stack 10 using nitrogen produced in a nitrogen generator (N 2 generator, not shown) installed on a ship instead of CO 2 .

이처럼 구성되는 본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은, 열교환유닛(100)으로 혼합탱크(21)에서 배출되는 가스, 예를 들어 CO2 를 활용하여 전지스택(10)을 냉각할 수 있다. 통상의 경우 전지스택(10) 냉각은 전지스택(10)에서 열도 같이 발생하기 때문에 적정한 운전온도(60 )를 유지하기 위해서 공기로 전지스택(10)을 쿨링한다. 여기서 문제는 공기는 산소를 포함하고 있으므로, 전지스택(10)에서의 누출 발생에 의해서 산소와 반응하여 발화할 수 있는 가능성이 있다. 이러한 문제는 혼합탱크(21)에서 배출되는 CO2를 냉각 매체로 사용함으로써 해결된다. The fuel cell system for ships according to the present invention configured as described above may use the gas discharged from the mixing tank 21 as the heat exchange unit 100 , for example, CO 2 , to cool the battery stack 10 . In a normal case, the battery stack 10 is cooled with air in order to maintain an appropriate operating temperature (60 ) because heat is also generated in the battery stack 10 when cooling the battery stack 10 . The problem here is that air contains oxygen, so there is a possibility that it may react with oxygen and ignite due to leakage in the battery stack 10 . This problem is solved by using CO 2 discharged from the mixing tank 21 as a cooling medium.

CO2는 메탄올과 반응하지 않고, 일반적으로 소화제로 많이 사용하는 물질이므로 전지스택(10)을 케이싱하여 혼합탱크(21)에서 발생하는 CO2를 공급하게 되면 전지스택(10)을 쿨링할 수 있다. 이 방법의 또 다른 장점은 앞서 말한 냉각이 필요한 조건, 즉 많은 열이 발생하는 조건에서는 전지스택(10) 내부에서 전기화학반응이 많이 일어난다는 것이고, 그러면 CO2 발생량도 많아진다. 즉 냉각이 필요할 때 CO2 의 발생량도 비례하여서 증가하게 된다. 따라서 전지스택(10)을 쿨링하기에 유리한 이점을 가진다.Since CO 2 does not react with methanol and is a material commonly used as a fire extinguishing agent, the battery stack 10 can be cooled if the battery stack 10 is casing and the CO 2 generated from the mixing tank 21 is supplied. . Another advantage of this method is that a lot of electrochemical reactions occur inside the battery stack 10 under the conditions that require cooling, that is, a lot of heat is generated, and then the amount of CO 2 generated is also increased. That is, when cooling is required, the amount of CO 2 generated increases in proportion. Therefore, it has an advantageous advantage for cooling the battery stack 10 .

또한, 전지스택(10)을 쿨링하기 위하여 사용되는 가스를 이용하여 선박에 필요한 수요처(125)에 분사하여 사용 가능하다. 한편, CO2는 온실가스이므로 배출하지 않고 따로 저장하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 혼합탱크(21)에서 발생하는 CO2는 따로 저장하여 외부배출을 줄이는 것도 가능하다.In addition, it is possible to use the gas used to cool the battery stack 10 by spraying it to the demand 125 required for the ship. On the other hand, since CO 2 is a greenhouse gas, it may be desirable to store it separately without emitting it. Therefore, CO 2 generated in the mixing tank 21 is separately stored to reduce external emission.

저장탱크(124)에는 CO2를 가압하여 저장하는 방법이 좋다. 이를 위해서 CO2에 포함되어 있는 소량의 수분을 제거하는 것이 필요하다. 즉 압축기(121)를 1차적으로 통과하여 압축되고, 응축된 수분은 수분제거기(123)에서 제거되고, CO2 저장탱크(124)에 저장된다. 그리고 이렇게 저장된 CO2는 선박에서 소화제로 수요처(125)에 사용할 수 있다. In the storage tank 124, a method of pressurizing and storing CO 2 is good. For this, it is necessary to remove a small amount of moisture contained in CO 2 . That is, compressed primarily through the compressor 121 , the condensed moisture is removed in the moisture remover 123 , and stored in the CO 2 storage tank 124 . And the CO 2 stored in this way can be used in the customer 125 as a fire extinguishing agent in the ship.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely an example, and it is understood that various modifications and equivalent other embodiments are possible by those skilled in the art. You will understand. Accordingly, the true scope of the invention should be defined only by the appended claims.

10: 전지스택 10a: 애노드 투입부
10b: 애노드 토출부 10c: 캐소드 투입부
10d: 캐소드 토출부 20: 애노드 공급라인
21: 혼합탱크 22: 피드펌프
23: 필터기 30: 애노드 배출라인
31: 응축기 40: 캐소드 공급라인
41: 송풍기 42: 필터기
50: 캐소드 배출라인 51: 응축기
52: 분리기 52a: 제1 분리부
52b: 제2 분리부 52c: 제3 분리부
53: 워터펌프 54: 필터장치
60: 연결라인 61: 연료탱크
62: 연료펌프 71: 조수기
72: 터보차져 100: 열교환유닛
101: 하우징 110: 가스공급라인
112: 열교환기 113: 가스공급펌프
120: 가스배출라인 121: 압축기
122: 쿨러 123: 수분제거기
124: 저장탱크 125: 수요처10: battery stack 10a: anode input part
10b: anode discharge unit 10c: cathode inlet unit
10d: cathode discharge unit 20: anode supply line
21: mixing tank 22: feed pump
23: filter 30: anode discharge line
31: condenser 40: cathode supply line
41: blower 42: filter
50: cathode discharge line 51: condenser
52: separator 52a: first separator
52b: second separation unit 52c: third separation unit
53: water pump 54: filter device
60: connection line 61: fuel tank
62: fuel pump 71: fresh water generator
72: turbocharger 100: heat exchange unit
101: housing 110: gas supply line
112: heat exchanger 113: gas supply pump
120: gas discharge line 121: compressor
122: cooler 123: moisture remover
124: storage tank 125: demand

Claims (7)

캐소드 투입부와 토출부, 애노드 투입부와 토출부를 가지는 전지스택;
혼합탱크로부터 상기 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인;
상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하는 애노드 배출라인;
상기 캐소드 투입부에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인;
상기 캐소드 토출부에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인; 및
상기 혼합탱크에서 발생되는 불연성가스를 상기 전지스택에 분사하여 상기 전지스택의 온도를 조절하는 열교환유닛;을 포함하되,
상기 열교환유닛은
상기 전지스택을 둘러싸는 하우징과,
상기 불연성가스의 온도를 조절하는 열교환기와,
상기 온도가 조절된 불연성가스의 이송을 위한 가스공급펌프와,
상기 혼합탱크에서 발생되는 불연성가스를 상기 열교환기 및 가스공급펌프를 거쳐 상기 하우징으로 공급하여, 상기 전지스택이 상기 불연성가스에 의해 쿨링되도록 하는 가스공급라인을 포함하는 선박용 연료전지 시스템.a battery stack having a cathode inlet and outlet, and an anode inlet and outlet;
an anode supply line for supplying the fuel mixture from the mixing tank to the anode input part;
an anode discharge line connecting the anode discharge unit and the mixing tank;
a cathode supply line for supplying a fluid to the cathode inlet;
a cathode discharge line for discharging the fluid from the cathode discharge unit; and
A heat exchange unit for controlling the temperature of the battery stack by spraying the non-combustible gas generated from the mixing tank to the battery stack; including,
The heat exchange unit
a housing surrounding the battery stack;
a heat exchanger for controlling the temperature of the incombustible gas;
A gas supply pump for transferring the temperature-controlled non-combustible gas;
and a gas supply line for supplying the non-combustible gas generated from the mixing tank to the housing through the heat exchanger and the gas supply pump so that the battery stack is cooled by the non-combustible gas. 제1항에 있어서,
선박에서 해수로부터 담수를 생성하고, 상기 혼합탱크에 물을 공급하는 조수기를 더 포함하는 선박용 연료전지 시스템.According to claim 1,
A fuel cell system for a ship further comprising a freshwater generator for generating fresh water from seawater in a ship and supplying water to the mixing tank. 제 1항에 있어서,
상기 하우징에서 수요처로 상기 불연성가스를 배출하는 가스배출라인을 더 포함하고,
상기 가스배출라인에는 상기 불연성가스를 가압하는 압축기, 상기 가압된 불연성가스와의 열교환을 수행하는 쿨러, 상기 불연성가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기, 및 상기 수분이 제거된 불연성가스를 일시적으로 저장하는 저장탱크가 마련되는 선박용 연료전지 시스템. The method of claim 1,
Further comprising a gas discharge line for discharging the non-combustible gas from the housing to a consumer,
A compressor for pressurizing the incombustible gas, a cooler for heat exchange with the pressurized incombustible gas, a moisture remover for removing moisture contained in the incombustible gas, and the incombustible gas from which the moisture is removed are temporarily supplied to the gas discharge line A fuel cell system for ships in which a storage tank is provided. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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