JP2022073928A - 水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのｅｓｓシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】水素燃料電池自動車の水素充填及び電気自動車の充電のためのエネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）を提供する。【解決手段】燃料電池モードと電気分解モードのいずれかで動作可能な燃料電池スタックパック１１０はグリッド３０またはバッテリパック１２０による電力により水素を生産し水素タンク１３０に貯蔵するとともに、燃料電池モードでは発電電力をバッテリパック１２０に充電するように駆動制御されるエネルギー貯蔵装置１００で、貯蔵された電気は電気自動車ディスペンサ２０、水素タンクに貯蔵された水素は水素自動車ディスペンサ１０を通してそれぞれ電気自動車と水素自動車に供給される。【選択図】図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り １．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ａｂｓ／ｐｉｉ／Ｓ０３７８７７５３２０３０９１０１？ｄｇｃｉｄ＝ｒｓｓ＿ｓｄ＿ａｌｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ， Ｖｏｌｕｍｅ ４７２， ａｒｔｉｃｌｅ ｉｄ． ２２８６０６．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ ｙｔｔｒｉａ－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ クー ジャ ヤン、ムン テウン、イ ジョンソー、チョイ ミンギ、キム ソー ジュ、イ ウォンヨンが２０２０年１０月１日付で上記アドレスのウェブサイトで公開された刊行物において、出願に係る発明について公開。 ２．ｈｔｔｐｓ：／／ｐｕｂｓ．ｒｓｃ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ａｒｔｉｃｌｅｌａｎｄｉｎｇ／２０２０／ｔａ／ｄ０ｔａ０６５８１ａ／ｕｎａｕｔｈ＃！ｄｉｖＡｂｓｔｒａｃｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ａ Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｐｒｏｍｏｔｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ キム ソー ジュ、クー ジャ ヤン、ムン テウン、チョイ ミンギ、イ ウォンヨンが２０２０年１０月１５日付で、上記アドレスのウェブサイトで公開された刊行物において、出願に係る発明について公開。
本発明は、水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムに係り、より詳細には、水素燃料電池自動車と電気自動車との充電を同時に行える水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムに関する。
最近、気候環境の変化に対応するために、代替エネルギーに関する研究及び開発が活発に行われており、特に、電気エネルギーと水素エネルギーとに注目して燃料電池及びエネルギー貯蔵装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）に関する関心が持続的に高くなった。
現在、各国では、内燃機関の段階的な退出のために、水素燃料電池自動車（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＦＣＥＶ）及び電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＥＶ）などの導入を先んじている。しかし、充電インフラの設置のための初期コスト及び持続的な維持管理において多くの難点が存在する。
電気自動車の場合、現在、従来の電力系統で電力変換を通じて充電を試みるために、相対的に安価で設けられるが、水素燃料電池自動車の場合、水素ステーションのような初期インフラの設置及び水素生産技術に対するコストが非常に高くて、容易に進められていない実情である。
燃料電池の場合、一般的な電池とは異なって、水素と酸素のような反応物が生成物に変換されながら電気エネルギーを生成する。最近、燃料電池を通じた高効率水電解技術が注目されながら水素生産技術が多くの関心を受けている。
具体的な作動原理として、第３世代燃料電池である固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）を例とすれば、酸素は、化学的反応によって空気極（Ａｉｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）で酸素イオンに変換された後、電解質（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）を透過して燃料極（Ｆｕｅｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）で水素イオンと反応して水と電流とを発生させる。
このような燃料電池の技術を逆に応用して、ＳＯＦＣに電流を供給すれば、水素と酸素とを分離する水電解モードで作動する固体酸化物水電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ、ＳＯＥＣ）になる。水電解セルは、前述したように燃料極に水蒸気注入と電気エネルギー印加とを通じて、水素と酸素とを分離発生させる。
ＥＳＳシステムは、電気エネルギーの貯蔵目的として使われており、現在には非常電力網及び電気自動車充電ステーションと連動して効率的に使われている。
最近、水素燃料電池自動車の供給及び需要が増加しながら、それによる水素ステーションの需要も増加しているが、供給コストが過度に高いために、需給が円滑ではない問題がある。また、いまだには電気自動車と水素燃料電池自動車いずれも充電が可能なインフラを備えていないことが実情である。
本発明の背景となる技術は、特許文献１に開示されている。
大韓民国登録特許第１０－１９７２７７８号（２０１９．０４．２６．公告）
本発明は、電気自動車充電インフラと燃料電池水電解技術とを融合して水素燃料電池自動車と電気自動車とを同時に充電することができる水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムを提供するところにその目的がある。
本発明は、水素を貯蔵し、前記水素を水素自動車ディスペンサまたは燃料電池スタックパックに供給する水素タンク；水とバッテリパックから伝達された電力とを用いて水素を生産して、前記水素タンクに伝達する電気分解モードで動作するか、前記水素タンクに貯蔵された水素と外気とを用いて直流電力を生産して、バッテリパックに伝達する燃料電池モードで動作する燃料電池スタックパック；グリッドの交流電力から変換された直流電力または前記燃料電池スタックパックから供給された電力を充電・貯蔵し、該貯蔵した電力を電気自動車ディスペンサに供給するバッテリパック；及び前記燃料電池スタックパックと前記バッテリパックとの電力伝達を制御し、前記燃料電池スタックパックの駆動モードを決定する制御ユニット；を含む水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムを提供する。
また、前記制御ユニットは、前記バッテリパックの充電状態及び前記水素タンクの貯蔵量のうち少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池スタックパックの駆動モードを決定することができる。
また、前記制御ユニットは、前記グリッドの交流電力供給が遮断されるか、前記バッテリパックの充電量が基準値未満であれば、前記燃料電池スタックパックを前記燃料電池モードで動作させることができる。
また、前記制御ユニットは、前記バッテリパックの充電量が基準値以上であるか、前記水素タンクの貯蔵量が臨界値未満であれば、前記燃料電池スタックパックを前記電気分解モードで動作させることができる。
また、前記燃料電池スタックパックは、前記燃料電池モードで駆動時に生産された水を前記電気分解モード駆動時に消費させうる。
本発明によれば、電気自動車充電インフラと燃料電池水電解技術とを融合して水素生産及び電力生産がいずれも可能であり、水素燃料電池自動車と電気自動車とを同時に充電することができる。
本発明の実施形態による水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムの概念図である。 図１に示されたＥＳＳシステムの構成をより詳しく示す図面である。 図２に示された燃料電池スタックパックの電気分解モードと燃料電池モードとの駆動メカニズムを説明した図面である。 図３を敷衍説明する図面である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、さまざまな異なる形態として具現され、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。そして、図面で本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、明細書の全体を通じて類似した部分については、類似した図面符号を付する。
明細書の全体において、ある部分が、他の部分と「連結」されているとする時、これは、「直接連結」されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分が、ある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対される記載のない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
図１は、本発明の実施形態による水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステムの概念図である。
図１を参照すれば、本発明の実施形態によるＥＳＳシステム１００は、燃料電池スタックパック１１０及びバッテリパック１２０をいずれも含んで構成され、水素自動車ディスペンサ１０（ＦＣＥＶＳＥ）及び電気自動車ディスペンサ２０（ＥＶＳＥ）にそれぞれ接続された水素燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）及び電気自動車（ＥＶ）を同時に充電することができる。
本発明の実施形態において、燃料電池スタックパック１１０は、電気生産だけではなく、水素生産が可能であり、生産した電気をバッテリパック１２０に伝達して電気自動車の充電に活用し、生産した水素を水素タンクに貯蔵して水素自動車の充填に活用する。
すなわち、燃料電池スタックパック１１０は、水素タンクに貯蔵された水素から電気を生産してバッテリパック１２０に貯蔵させることができ、バッテリパック１２０から提供された電気を活用して水素を生産して水素タンクに貯蔵させることができる。バッテリパック１２０は、一般的なＥＳＳ用バッテリに該当する。
図２は、図１に示されたＥＳＳシステムの構成をより詳しく示す図面である。
ＥＳＳシステム１００の構成をさらに詳しく説明すれば、ＥＳＳシステム１００は、図２のように水素タンク１３０、燃料電池スタックパック１１０、バッテリパック１２０、制御ユニット１４０を含み、水素燃料電池自動車（以下、水素自動車）及び電気自動車（以下、電気自動車）の同時充電が可能である。
水素タンク１３０は、水素を貯蔵し、貯蔵された水素を水素自動車ディスペンサ１０または燃料電池スタックパック１１０に供給する。このような水素タンク１３０は、外部供給源から供給された水素の以外にも燃料電池スタックパック１１０で生産した水素を貯蔵することができる。
水素自動車ディスペンサ１０は、一般的に圧縮機（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、プレクーラー（Ｐｒｅ－Ｃｏｏｌｅｒ）、制御ユニットなどを含み、水素自動車がカプラーに接続されれば、水素タンク１３０から供給された水素を水素自動車に充填する役割を果たす。このような水素自動車ディスペンサ１０は、ＳＡＥ Ｊ２６０１のような水素充填プロトコル標準によって動作する。
燃料電池スタックパック１１０は、燃料電池単位セルが積層されてスタックを形成した構造を有し、水素タンク１３０とバッテリパック１２０との間に配されて駆動する。燃料電池単位セルは、空気極、電解質、燃料極を含んで構成することができる。
燃料電池は、電解質の種類によってＰＥＭＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、高分子電解質型燃料電池）、ＰＡＦＣ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、リン酸型燃料電池）、ＭＣＦＣ（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、溶融炭酸塩型燃料電池）、ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）などに区分される。
本発明の実施形態は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用することを代表例示とする。この場合、燃料電池スタックパック１１０は、ＳＯＦＣスタックとして具現可能である。
本発明の実施形態において、燃料電池スタックパック１１０は、２種の駆動モードで動作する。１つは、バッテリパック１２０から受けた電気を用いて水素を生産して水素タンク１３０に供給する電気分解モード（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅ）であり、他の１つは、水素タンク１３０から受けた水素を用いて電気を生産してバッテリパック１２０に供給する燃料電池モード（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅ）である。
このような燃料電池スタックパック１１０の駆動モードは、制御ユニット１４０によって決定される。
図３は、図２に示された燃料電池スタックパックの電気分解モードと燃料電池モードとの駆動メカニズムを説明した図面であり、図４は、図３を敷衍説明する図面である。
図３及び図４のように、燃料電池モードの場合、水素を消費して電気エネルギーを生産し、逆に、電気分解モードの場合、電気エネルギーを消費して水素を生産する。
まず、図３の（ａ）のように、燃料電池モードでは、水素タンク１３０に貯蔵された水素（Ｈ２）と外気中の酸素（Ｏ２）とを用いて電子（ｅ－）を生成して、これにより作られた電気エネルギーをバッテリパック１２０に伝達して充電する。
すなわち、図４の（ａ）を参照すれば、燃料電池モードは、水素を消費して電気を生産し、反応イメージと反応式とを見れば、酸素（０２）が電解質を透過後、燃料極で水素（Ｈ２）と反応して水（Ｈ２０）と電子（ｅ－）（電気エネルギー）とが発生したことが分かる。
次に、図３の（ｂ）のように、電気分解モードでは、水（Ｈ２０）とバッテリパック１２０から受けた電力（電気エネルギー）とを用いて水素（Ｈ２）を生産して水素タンク１３０に伝達して生成した水素を貯蔵する。
すなわち、図４の（ｂ）を参照すれば、電気分解モードは、電気を消費して水素を生産し、水（Ｈ２０）と電子（ｅ－）（電気エネルギー）とが燃料極に流入及び反応して水素（Ｈ２）と酸素（０２）とに分離されたことが分かる。ここで、もちろん燃料電池スタックパック１１０は、燃料電池モード駆動時に発生する水を以後に電気分解モード駆動時に水素生産のために消費するように動作する。
このように、本発明の場合、燃料電池スタックパック１１０とバッテリパック１２０との電気エネルギー交換を通じて電気生産及び水素生産がいずれも可能であり、これを通じてバッテリパックの電気充電と水素タンクの水素充填とが付加的に可能である。
バッテリパック１２０は、グリッド（Ｇｒｉｄ）３０の交流電力から変換された直流電力または燃料電池スタックパック１１０から供給された電力を充電・貯蔵し、該貯蔵した電力を電気自動車ディスペンサ２０に供給することができる。このようなバッテリパック１２０は、通常のＥＳＳ用バッテリパックに該当する。
電気自動車ディスペンサ２０は、電力コンバータ、チラー（冷却器）、制御モジュールなどを含み、電気自動車がカプラーに接続されれば、バッテリパック１２０から伝達された電力を電気自動車に供給して充電する。電気自動車ディスペンサ２０は、ＩＳＯ １５１１８のような国際標準規格によって動作する。
グリッド３０とバッテリパック１２０との間には、グリッド３０から受けた交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１５０が備えられうる。このようなＡＣ／ＤＣコンバータ１５０は、システム１００内に含まれても、システム１００の外部に連結されても良い。
制御ユニット１４０は、燃料電池スタックパック１１０、バッテリパック１２０、水素タンク１３０の動作及び駆動状態を制御することができ、各構成要素の状態をモニタリングすることができる。
また、制御ユニット１４０は、燃料電池スタックパック１１０とバッテリパック１２０との電力伝達を制御することができ、燃料電池スタックパック１１０の駆動モードを決定することができる。ここで、制御ユニット１４０は、決定した駆動モードによって電力伝達有無、伝達状態、伝達方向などを制御することができる。
制御ユニット１４０は、バッテリパック１２０の充電状態及び水素タンク１３０の貯蔵量のうち少なくとも１つに基づいて燃料電池スタックパックの駆動モードを決定することができる。
具体的に、制御ユニット１４０は、バッテリパック１２０に対するグリッド３０の交流電力供給が遮断されたか、バッテリパック１２０の充電量が既定の基準値未満である場合に、燃料電池スタックパック１１０を燃料電池モードで動作させて、バッテリパック１２０の不足な電力を補充する。
また、制御ユニット１４０は、バッテリパック１２０の充電量が基準値以上であるか、水素タンク１３０の水素貯蔵量が臨界値未満である場合に、燃料電池スタックパック１１０を電気分解モードで動作させて、水素タンク１３０の容量を補充する。
このように、本発明によるＥＳＳシステム１００は、燃料電池スタックパック１１０を用いて生産した水素を水素タンク１３０に提供することができ、燃料電池スタックパック１１０を用いて生産した電気をバッテリパック１２０に提供することができる。
以上のような本発明によれば、既存の充電インフラと燃料電池水電解技術とを融合して水素生産及び電気生産がいずれも可能であり、水素燃料電池自動車と電気自動車とを同時に充電することができる。
本発明は、図面に示された実施形態を参考にして説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これにより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
１０：水素自動車ディスペンサ
２０：電気自動車ディスペンサ
１００：ＥＳＳシステム
１１０：燃料電池スタックパック
１２０：バッテリパック
１３０：水素タンク
１４０：制御ユニット
１５０：ＡＣ／ＤＣコンバータ

Claims (5)

  1. 水素を貯蔵し、前記水素を水素自動車ディスペンサまたは燃料電池スタックパックに供給する水素タンクと、
    水とバッテリパックから伝達された電力とを用いて水素を生産して、前記水素タンクに伝達する電気分解モードで動作するか、前記水素タンクに貯蔵された水素と外気とを用いて直流電力を生産して、バッテリパックに伝達する燃料電池モードで動作する燃料電池スタックパックと、
    グリッドの交流電力から変換された直流電力または前記燃料電池スタックパックから供給された電力を充電・貯蔵し、該貯蔵した電力を電気自動車ディスペンサに供給するバッテリパックと、
    前記燃料電池スタックパックと前記バッテリパックとの電力伝達を制御し、前記燃料電池スタックパックの駆動モードを決定する制御ユニットと、
    を含む、水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステム。
  2. 前記制御ユニットは、
    前記バッテリパックの充電状態及び前記水素タンクの貯蔵量のうち少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池スタックパックの駆動モードを決定する、請求項１に記載の水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステム。
  3. 前記制御ユニットは、
    前記グリッドの交流電力供給が遮断されるか、前記バッテリパックの充電量が基準値未満であれば、前記燃料電池スタックパックを前記燃料電池モードで動作させる、請求項１に記載の水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステム。
  4. 前記制御ユニットは、
    前記バッテリパックの充電量が基準値以上であるか、前記水素タンクの貯蔵量が臨界値未満であれば、前記燃料電池スタックパックを前記電気分解モードで動作させる、請求項１に記載の水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステム。
  5. 前記燃料電池スタックパックは、
    前記燃料電池モードで駆動時に生産された水を前記電気分解モード駆動時に消費させる、請求項１に記載の水素燃料電池自動車及び電気自動車の充電のためのＥＳＳシステム。
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