KR102316750B1 - 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; 및 상기 캐소드 공급라인과 상기 애노드 배출라인 간의 열교환을 수행하는 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; and a heat exchange unit for performing heat exchange between the cathode supply line and the anode discharge line.

Figure R1020170068783
Figure R1020170068783

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 보다 효율적으로 작동되는 선박용 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell system for a ship that operates more efficiently.

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; 및 상기 캐소드 공급라인과 상기 애노드 배출라인 간의 열교환을 수행하는 열교환유닛;을 포함할 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; and a heat exchange unit for performing heat exchange between the cathode supply line and the anode discharge line.

상기 열교환유닛은 상기 애노드 배출라인을 지나는 유체가 통과하는 내관; 및 상기 캐소드 공급라인을 지나는 유체가 통과하는 외관;을 가지는 이중배관 구조일 수 있다. The heat exchange unit may include: an inner tube through which a fluid passing through the anode discharge line passes; and an exterior through which a fluid passing through the cathode supply line passes; may have a double pipe structure.

상기 열교환유닛에는 상기 내관과 외관을 연결하고 열교환 성능을 향상시키는 배플을 포함할 수 있다.The heat exchange unit may include a baffle for connecting the inner tube and the outer tube and improving heat exchange performance.

상기 열교환유닛은 기체 성분의 누출을 감지하는 가스감지기를 더 포함할 수 있다.The heat exchange unit may further include a gas detector for detecting the leakage of the gas component.

상기 열교환유닛은 액체 성분의 누출을 검출하는 누출감지기를 더 포함할 수 있다.The heat exchange unit may further include a leak detector for detecting leakage of the liquid component.

본 발명에 따른 선박용 연료전지 시스템은 애노드 배출라인을 흐르는 유체를 내관에, 캐소드 공급라인의 유체를 외관에 흐르도록 하는 이중배관 열교환유닛을 포함하여, 이중배관 내부의 애노드 배출라인을 흐르는 배출물은 쿨링되는 효과, 외부의 캐소드 공급라인을 흐르는 공기는 히팅(heating )되는 효과를 가져올 수 있다.The fuel cell system for ships according to the present invention includes a double pipe heat exchange unit for flowing a fluid flowing through an anode discharge line to an inner pipe and a fluid from a cathode supply line to an external pipe, and the exhaust flowing through the anode discharge line inside the double pipe is cooled effect, the air flowing through the external cathode supply line may bring about a heating effect.

또한, 열교환유닛에는 메탄올 증기 등의 기체 성분의 누출을 감지하는 가스감지기과, 메탄올 등이 포함된 액체 성분 누출을 검출하는 누출감지기를 구비하여, 메탄올 등의 외부 누출을 감지하여 발화성 및 인체위해성을 가진 메탄올 및 그 증기가 배관외부로 유출되는 것을 사전에 방지하여 안전을 확보할 수 있다.In addition, the heat exchange unit is provided with a gas detector for detecting leakage of gas components such as methanol vapor and a leak detector for detecting leakage of liquid components containing methanol, etc. Safety can be ensured by preventing methanol and its vapors from leaking out of the pipe in advance.

도 1은 종래 기술에 의한 직접 메탄올형 연료 전지 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선박용 연료전지 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환유닛을 도시한다.1 is a block diagram illustrating 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.
3 shows a heat exchange unit 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(21a)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 레벨센서도 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 40~90도씨 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 adjust the concentration of the aqueous methanol solution, a methanol concentration sensor 21a is installed in the mixing tank 21, and when the concentration of the aqueous methanol solution becomes low, the methanol fuel pump 62 is operated to supply a high concentration of the methanol solution into the mixing tank 21. Methanol is supplied to maintain an appropriate methanol concentration. Also, a level sensor 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, the temperature of this is the temperature of the battery stack 10, that is, about 40 to 90 degrees Celsius, 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, 캐소드 전극에서는 외부에서 공급되는 공기 중의 산소와 상기 수소이온과의 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-). At this time, the generated hydrogen ions (H + ) move to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the cathode electrode generates electricity while generating water by an electrochemical reaction between oxygen in the air supplied from the outside and the hydrogen ions. . 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 도시하고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환유닛을 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, and FIG. 3 shows a heat exchange unit 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 투입부(10a)에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인(20), 애노드 토출부(10b)와 혼합탱크(21)를 연결하는 애노드 배출라인(30), 캐소드 투입부(10c)에 유체를 공급하는 캐소드 공급라인(40), 캐소드 토출부(10d)에서 유체를 배출하는 캐소드 배출라인(50), 및 캐소드 공급라인(40)과 애노드 배출라인(30) 간의 열교환을 수행하는 열교환유닛(100)을 포함한다.Referring to the drawings, the marine fuel cell system according to the present invention includes a battery stack 10 having a cathode input part 10c and a discharge part 10d, an anode input part 10a and a discharge part 10b, and a mixing tank ( 21) from the anode supply line 20 for supplying the fuel mixture to the anode input portion 10a, the anode discharge line 30 connecting the anode discharge portion 10b and the mixing tank 21, the cathode input portion 10c) A cathode supply line 40 for supplying a fluid to the cathode discharge line 50 for discharging the fluid from the cathode discharge unit 10d, and a heat exchange for performing heat exchange between the cathode supply line 40 and the anode discharge line 30 unit 100 .

애노드 배출라인(30)에서 토출되는 배출물은 고온의 전지스택(10)에서 나오는 것이므로 배출물을 재사용하기 위해 냉각시켜줄 필요가 있다. 또한 선박용으로 적용되는 경우에는 배출물에 메탄올이 포함되므로, 배관의 부식, 파손 등으로 인해 발생될 수 있는 메탄올 누출과, 그에 의한 인명 피해를 막기 위해 이중관 설치를 필요로 한다. 그리고 캐소드 공급라인(40)으로 유입되는 공기의 경우, 이것의 온도를 다소 상승 시켜주는 것이 연료전지 시스템의 효율증가에 유리하다. 전지스택(10)의 온도는 60도씨 정도이며 공급되는 공기는 상온이어서, 온도차가 커서 생기는 효율 저하가 있기 때문이다.Since the discharge discharged from the anode discharge line 30 comes from the high-temperature battery stack 10, it is necessary to cool the discharge in order to reuse it. In addition, since methanol is included in the exhaust when applied to ships, a double pipe installation is required to prevent methanol leakage that may occur due to corrosion or damage of pipes and damage to human life. And in the case of air flowing into the cathode supply line 40, it is advantageous to increase the efficiency of the fuel cell system by slightly increasing the temperature thereof. This is because the temperature of the battery stack 10 is about 60° C. and the supplied air is at room temperature, so that there is a decrease in efficiency caused by a large temperature difference.

따라서, 본 발명에서는 애노드 배출라인(30)을 흐르는 유체를 내관(110)에, 캐소드 공급라인(40)의 유체를 외관(120)에 흐르도록 하는 이중배관 열교환유닛(100)을 포함한다. 애노드 배출라인(30)을 흐르는 유체는 냉각될 필요가 있고, 메탄올은 폭발성이 강한 물질이 아니므로, 이중배관의 외관(120)에 캐소드 공급라인(40)으로 공급되는 공기가 흐르도록 하는 것이다. 참고로 선박에서 폭발성이 강한 메탄과 같은 유체가 흐르는 관을 이중배관 형태로 사용할 때 외관에는 불활성 가스를 흐르게 하나 메탄올의 경우에는 폭발의 위험이 거의 없고, 누출 시 인체에 피해를 줄 가능성이 크기 때문에 산소를 포함한 공기가 외부관에 흘러도 상관없다. 이때, 외관(120)을 흐르는 공기를 외부로 배출하는 것이 아니라, 캐소드 공급라인(40)으로 주입을 하게 되면 이중배관에서의 열교환이 이루어지기 때문에 이중배관 내부의 애노드 배출라인(30)을 흐르는 배출물은 쿨링(cooling)되는 효과, 외부의 캐소드 공급라인(40)을 흐르는 공기는 히팅(heating )되는 효과를 가져올 수 있다. Accordingly, in the present invention, a double pipe heat exchange unit 100 for flowing the fluid flowing through the anode discharge line 30 to the inner pipe 110 and the fluid from the cathode supply line 40 to the external pipe 120 is included. The fluid flowing through the anode discharge line 30 needs to be cooled, and since methanol is not an explosive material, the air supplied to the cathode supply line 40 flows through the exterior 120 of the double pipe. For reference, when using a tube through which a fluid such as methane, which is highly explosive in a ship, flows in a double pipe type, an inert gas flows through the exterior, but in the case of methanol, there is little risk of explosion and there is a high possibility of damage to the human body when leaked. It does not matter if air containing oxygen flows through the outer tube. At this time, rather than discharging the air flowing through the exterior 120 to the outside, when the injection into the cathode supply line 40 causes heat exchange in the double pipe, the discharge flowing through the anode discharge line 30 inside the double pipe The effect of being cooled, the air flowing through the external cathode supply line 40 may bring about an effect of being heated.

이러한 효과를 구현하는 열교환유닛(100)은 애노드 배출라인(30)을 지나는 유체가 통과하는 내관(110), 및 캐소드 공급라인(40)을 지나는 유체가 통과하는 외관(120)을 가지는 이중배관 구조일 수 있다. 또한, 열교환유닛(100)에는 내관(110)과 외관(120)을 연결하고 전도방식으로 열교환 성능을 향상시키는 배플(130)을 포함한다. 이때, 열교환유닛(100)의 배관재질은 메탄올 반응성 없는 금속, 예를 들어 SUS316 재질로 이루어질 수 있다.The heat exchange unit 100 implementing this effect has a double pipe structure having an inner pipe 110 through which a fluid passing through the anode discharge line 30 passes, and an outer pipe 120 through which a fluid passing through the cathode supply line 40 passes. can be In addition, the heat exchange unit 100 includes a baffle 130 that connects the inner tube 110 and the outer tube 120 and improves heat exchange performance in a conductive manner. In this case, the pipe material of the heat exchange unit 100 may be made of a metal that does not have methanol reactivity, for example, SUS316.

나아가, 열교환유닛(100)에는 메탄올 증기 등의 기체 성분의 누출을 감지하는 가스감지기(150)과, 메탄올 등이 포함된 액체 성분 누출을 검출하는 누출감지기(140)를 구비하여, 메탄올 등의 외부 유출을 사전에 방지할 수 있다. 상기 가스감지기(150)는 전기화학적 방법으로 메탄올 증기를 탐지하는 것 혹은 접촉연소방식으로 메탄올 증기를 탐지하는 것 중 어느 것을 사용하여도 무방하여, 어떤 특정한 방식으로 한정하지 않는다. 누출감지기(140)은 배관에 액체의 유무를 탐지하는 것으로 메탄올 외에 물과 같은 액체가 누출되더라도 감지할 수 있는 것으로, 배관에 설치되는 드레인 감지기(drain detector)일 수 있다.Furthermore, the heat exchange unit 100 is provided with a gas detector 150 for detecting leakage of a gas component such as methanol vapor, and a leak detector 140 for detecting leakage of a liquid component containing methanol, etc. spillage can be prevented in advance. The gas detector 150 may use either one of detecting methanol vapor by an electrochemical method or detecting methanol vapor by a catalytic combustion method, but is not limited to any specific method. The leak detector 140 detects the presence or absence of liquid in the pipe, and can detect even if a liquid such as water is leaked in addition to methanol, and may be a drain detector installed in the pipe.

또한 가스감지기는(150) 및 누출감지기(140)은 열교환유닛(100)의 외관 내에 설치될 수 있다. 연료전지 운전 시에 외관에는 항상 공기가 흐르게 되므로 가스감지기는 공기가 흐르는 외관의 어느 위치에 설치되어도 괜찮으나, 바람직하게는 기화된 증기를 감지한다는 측면에서 열교환유닛(100)의 외관 내의 상부에 설치될 수 있다. 반대로 누출감지기(140)의 경우에는 드레인을 감지하기 때문에 외관의 하부에 설치될 수 있다. 나아가, 열교환유닛(100) 자체가 어느 한 측면으로 기울어진 상태로 이루어져 있다면 누출감지기(140)는 기울어진 열교환유닛(100)의 최하부에 설치될 수 있다.In addition, the gas detector 150 and the leak detector 140 may be installed in the exterior of the heat exchange unit 100 . Since air always flows through the exterior during fuel cell operation, the gas detector may be installed at any position on the exterior through which air flows, but is preferably installed in the upper portion of the exterior of the heat exchange unit 100 in terms of detecting vaporized vapor. can be Conversely, in the case of the leak detector 140, since it detects the drain, it may be installed at the lower part of the exterior. Furthermore, if the heat exchange unit 100 itself is inclined to one side, the leak detector 140 may be installed at the bottom of the inclined heat exchange unit 100 .

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
110: 내관 120: 외관
130: 배플 140: 누출감지기
150: 가스감지기10: 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
110: interior 120: exterior
130: baffle 140: leak detector
150: gas detector

Claims (6)

캐소드 투입부와 캐소드 토출부, 애노드 투입부와 애노드 토출부를 가지는 전지스택;
혼합탱크로부터 상기 애노드 투입부에 연료 혼합액을 공급하는 애노드 공급라인;
상기 애노드 토출부와 상기 혼합탱크를 연결하며, 상기 전지스택으로부터 배출된 배출물을 상기 혼합탱크 쪽으로 흘려 보내는 애노드 배출라인;
송풍기에 의해 공급된 공기를 상기 캐소드 투입부로 공급하는 캐소드 공급라인;
상기 캐소드 토출부에서 배출물을 내보내기 위해 마련된 캐소드 배출라인; 및
상기 애노드 배출라인을 통해 흐르는 상기 전지스택의 배출물과 상기 캐소드 공급라인을 통해 흐르는 공기 간 열교환을 수행하는 열교환유닛;을 포함하되,
상기 열교환유닛은
상기 애노드 배출라인을 통해 흐르는 배출물이 통과하는 내관과,
상기 캐소드 공급라인을 통해 흐르는 공기가 통과하는 외관을 가지는 이중배관 구조인 선박용 연료전지 시스템.a battery stack having a cathode input unit and a cathode discharge unit, an anode input unit and an anode discharge unit;
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, and flowing the discharge discharged from the battery stack toward the mixing tank;
a cathode supply line for supplying air supplied by a blower to the cathode inlet;
a cathode discharge line provided to discharge the discharge from the cathode discharge unit; and
A heat exchange unit for performing heat exchange between the discharge of the battery stack flowing through the anode discharge line and air flowing through the cathode supply line; including,
The heat exchange unit
an inner tube through which the discharge flowing through the anode discharge line passes;
A fuel cell system for a ship having a double pipe structure having an appearance through which air flowing through the cathode supply line passes. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 열교환유닛은 SUS316 재질로 이루어지고,
상기 외관의 상부에 설치되어 기체 성분의 누출을 감지하는 가스감지기와, 상기 외관의 하부에 설치되어 액체 성분의 누출을 검출하는 누출감지기를 포함하는 선박용 연료전지 시스템.According to claim 1,
The heat exchange unit is made of SUS316 material,
A fuel cell system for ships, comprising: a gas detector installed on the upper portion of the exterior to detect leakage of a gas component; and a leak detector installed on the lower portion of the exterior to detect leakage of a liquid component.
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