KR100571679B1 - 연료전지가 결합된 초전도 모터 - Google Patents

연료전지가 결합된 초전도 모터 Download PDF

Info

Publication number
KR100571679B1
KR100571679B1 KR1020040026512A KR20040026512A KR100571679B1 KR 100571679 B1 KR100571679 B1 KR 100571679B1 KR 1020040026512 A KR1020040026512 A KR 1020040026512A KR 20040026512 A KR20040026512 A KR 20040026512A KR 100571679 B1 KR100571679 B1 KR 100571679B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
superconducting
field coil
coil
fuel cell
cryogenic
Prior art date
Application number
KR1020040026512A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050101594A (ko
Inventor
권영길
손명환
백승규
이언용
박민원
윤문수
류강식
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020040026512A priority Critical patent/KR100571679B1/ko
Publication of KR20050101594A publication Critical patent/KR20050101594A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100571679B1 publication Critical patent/KR100571679B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/288—Shielding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/014—Shields associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
    • H02K5/225—Terminal boxes or connection arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터는, 주입된 액체수소에 의한 냉각작용으로 초전도화되어 강력한 자장을 발생시키는 초전도 계자코일; 초전도 계자코일을 지지하는 계자코일 지지부; 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부로 이루어진 원통형 구조체의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 초전도 계자코일에 의해 형성되는 자장에 대하여 반발 작용하는 자장을 발생시키는 아마추어 코일; 아마추어 코일을 지지하는 아마추어 코일 지지부; 초전도 계자코일에 작용하는 아마추어의 반작용력을 지지하기 위한 토크 튜브로서, 외부로부터 액체수소를 공급받아 초전도 계자코일을 냉각시키며, 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부를 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 내통; 극저온용기 내통을 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 외통; 초전도 계자코일을 냉각하는 액체수소로부터 증발된 수소가스를 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지; 연료전지에서 발생된 전기를 상기 초전도 계자코일 및 아마추어 코일로 공급하는 전력변환기; 및 시스템의 장기적인 운전중지시 극저온용기 내통으로부터 증발되는 수소가스를 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화하는 극저온 냉동기를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 복잡한 극저온 냉각시스템을 생략할 수 있고, 고성능, 무공해의 새로운 구동원을 구현할 수 있다.

Description

연료전지가 결합된 초전도 모터{Superconducting motor coupled with fuel cell}
도 1은 종래의 초전도 모터의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 연료전지와 기존의 일반 모터로 구동되는 연료전지 자동차의 예를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 모터를 적용한 연료전지 자동차의 예를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210...초전도 계자코일 220...계자코일 지지부
230...아마추어 코일 240...아마추어 코일 지지부
250...극저온용기 내통 255...열차폐판
260...극저온용기 외통 265...와전류 차폐판
270...차폐코일 280...연료전지
290...전력변환기 300...극저온 냉동기
본 발명은 초전도 모터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 수소를 냉매로 하여 운전되는 초전도 모터에 있어서 냉매로 사용되어 증발된 수소가스를 연료전지의 에너지원으로 사용하여 발전을 하고, 발전된 전기를 다시 모터의 구동전력으로 사용하는 연료전지가 결합된 초전도 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 구리선 대신에 초전도선을 사용하여 계자 코일을 구성한 모터를 초전도 모터라 하며, 도 1은 종래의 초전도 모터의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 초전도 모터는 회전 계자형이 채택되고 있으며, 높은 자장을 발생시키기 위해 초전도선으로 권선된 초전도 계자코일(6)과; 그 초전도 계자코일(6)을 지지하기 위한 계자코일 지지부(7)와; 그 계자코일 지지부(7)와 연결되어 상기 초전도 계자코일(6)에서 외부로 회전력을 전달하기 위한 토크 튜브 (torque tube)로서 적어도 상기 초전도 계자코일(6)을 포함한 계자코일 지지부(7)를 둘러싸고 있는 로터 내통(5c)과; 그 로터 내통(5c)을 둘러싸고 있는 로터 외통 (5a)과; 상기 초전도 계자코일(6)을 냉각하여 초전도화 하기 위한 냉매를 상기 로터 내통(5c)의 내,외부로 공급 및 회수하기 위한 냉매 공급/회수 장치(14)를 포함하여 구성되어 있다. 여기서, 상기 로터 내통(5c)과 로터 외통(5a) 사이는 외부와 의 단열을 위하여 고진공 상태로 되어 있다.
상기 냉매 공급/회수 장치(14)는 상기 계자코일(6)을 냉각시켜 초전도 상태로 유지하기 위하여 설치된 것으로서, 그 몸체의 일측에는 냉매를 냉매 저장탱크 (20)로부터 상기 로터 내통(5c)의 내부로 공급하기 위한 냉매공급관(18)이 설치되어 있다.
또한, 상기 비회전부인 냉매 공급/회수 장치(14)를 상기 로터의 내/외통 (5c)(5a)이 구비된 회전부측에 연결할 때, 회전부측 및 비회전부측이 계속하여 진공상태를 유지할 수 있도록 하기 위하여, 냉매 공급/회수 장치(14)에는 강자성유체실링(ferro-fluid magnetic sealing) 장치(29)가 설치되어 있다. 도 1에서 참조번호 1은 기계실드, 2는 전기자 코일 지지부, 3은 전기자 권선 코일, 9는 베어링, 10은 샤프트, 11은 공기덕트, 12는 열교환기, 13은 연결박스, 15는 슬립링, 16은 써멀 사이펀(thermal siphon)을 각각 나타낸다.
이상과 같은 종래 초전도 모터에 있어서, 상기 계자코일(6)의 초전도화를 위한 냉각 메카니즘에 대해 설명해 보면, 극저온 냉매(17)(예를 들면, 액체네온 23Kelvin,-250℃, 30Kelvin, -253℃내외 온도의 헬륨가스 등 주로 고온 초전도선재 계자코일의 냉각온도인 20∼30 Kelvin이 비등점인 냉매)가 냉매공급관(18)을 통하여 상기 로터 내통(5c)의 내부로 공급되고, 이 액체 냉매에 의해 상기 초전도 계자코일(6)이 냉각되어 초전도 상태가 된다. 또한, 상기 계자코일(6)을 냉각시키면서 기화된 냉매는 상기 냉매공급관(18)을 통하여 배출되는 바, 이 배출되는 기화 냉매에 의해 상기 로터 내통(5c) 등이 냉각되고, 최종적으로 회전하면서 진공이 유지되 는 자성유체실로 구성된 냉매 공급/회수장치(14)에서 재응축이 이루어지는 극저온 냉동기 (19)의 냉각단으로 보내지고, 다시 재응축된 극저온 냉매는 냉매 저장탱크(20)에서 냉매 공급/회수장치(14)로 보내져 초전도 계자코일(6)의 냉매로 사용되게 된다.
또한, 이상과 같은 종래 초전도 모터의 작동에 대해 간략히 설명하면, 먼저 극저온 냉매를 로터 내통(5c)에 연속적으로 공급하여 상기 계자코일(6)을 초전도화 시키고, 냉매로부터 증발한 기화 냉매를 냉매공급관(18)을 통해 배출한다. 이와 동시에, 외부로부터 전원을 공급받은 상기 계자코일(6)이 여자되어 강자장을 발생시키고, 상기 계자코일(6)의 강자장 발생에 의해 로터 내통(5c)을 통하여 회전력이 전달되고, 발생된 회전자계에 의해 전기자에서 전류를 발생시키거나, 역으로 전기자에 전류를 인가하여 회전력을 발생시킨다.
한편, 이상과 같은 종래의 초전도 모터는, 기존의 상전도 모터에 비해 손실(철심손실, 여자손실 등)을 50% 이상 줄일 수 있고, 계자코일에 대용량의 전류를 통전할 수 있기 때문에 동일 크기에서 용량을 2배 이상 키우거나 동일 용량에서 크기를 절반으로 줄일 수 있어 대용량화 및/또는 소형화가 가능한 등의 장점을 가지고 있다. 최근에 사용온도가 높은 산화물계의 초전도선의 성능이 급격히 향상되면서 중소 용량 발전기 및 산업용 모터가 급격히 개발/보급될 것으로 전망되고 있다.
그러나, 현재 발전원으로 사용되고 있는 석유, 천연가스 및 우라늄의 사용가능한 매장량의 한계와, CO2 발생으로 인한 기후변화 및 방사능 오염 등으로 인한 환 경문제를 해결하기 위하여, 무한한 부존자원이면서 청정발전이 가능한 수소에너지를 이용한 발전시스템인 연료전지(Fuel cell)가 대체 발전기술로 도입되고 있다. 이와 같은 연료전지로 발전된 전기를 사용하여 구동력을 얻기 위해서는 모터를 사용해야 하고 기존의 모터를 사용할 경우 연료전지, 수소저장탱크 및 모터 등으로 구성되는 전체 시스템은 부피 및 무게가 커서, 자동차, 선박 등의 수송기관의 추진기로는 많은 제약을 받게 된다. 또한 초전도 모터는 현재 기술로는 30K(-243℃)정도의 극저온에서 운전되기 때문에 별도의 극저온 냉각시스템으로 초전도 코일을 냉각하여야 하며, 이에 따라 시스템이 커지게 되고, 일정 용량 이상에서 경제성을 갖게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 초전도 모터 및 연료전지를 결합하여 액체수소를 초전도 모터의 냉매로 사용함과 동시에 연료전지의 에너지원으로도 사용하여 발전된 전기를 모터의 구동전력으로 다시 사용하는 연료전지가 결합된 초전도 모터를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 초전도 계자코일의 냉각을 위하여 사용되는 극저온용기(Cryostat)를 연료전지의 에너지원인 액체수소 저장용기로 사용함으로써 20K(-253℃)의 극저온 온도로 계자코일을 냉각할 수 있어, MgB2, BSCCO 및 YBCO 초전도체로 만들어진 초전도선을 모두 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 초전도 코일의 성능을 더욱 높일 수 있어, 초전도 모터의 성능을 더욱 고성능화할 수 있는 연료전지가 결합된 초전도 모터를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부로 유출되는 자장을 차폐하기 위하여 기존의 기계쉴드에서는 다량의 철을 사용하나, 계자코일 내통에 초전도 차폐코일을 설치하여 자장을 차폐함으로써 무게 및 부피를 대폭 감축시킬 수 있는 연료전지가 결합된 초전도 모터를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 초전도 모터가 운전되지 않을 시(특히 장기적인 운전중지) 증발되는 수소가스를 사용하여 연료전지에서 발전된 전력으로 극저온 냉동기를 구동시켜 증발된 수소가스를 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화하는 초전도 모터를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터는, 초전도 계자코일이 고정되어 있고 아마추어 코일이 회전하는 회전 전기자형으로서,
주입된 액체수소에 의한 냉각작용으로 초전도화되어 강력한 자장을 발생시키는 초전도 계자코일;
상기 초전도 계자코일을 지지하는 계자코일 지지부;
상기 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부로 이루어진 원통형 구조체의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 초전도 계자코일에 의해 형성되는 자장에 대하여 반발 작용하는 자장을 발생시키는 아마추어 코일;
상기 아마추어 코일을 지지하는 아마추어 코일 지지부;
상기 초전도 계자코일에 작용하는 아마추어의 반작용력을 지지하기 위한 토크 튜브(torque tube)로서, 외부로부터 액체수소를 공급받아 초전도 계자코일을 냉각시키며, 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부를 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 내통;
상기 극저온용기 내통을 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 외통;
상기 극저온용기 내통과 기계적으로 연결되며, 상기 초전도 계자코일을 냉각하는 액체수소로부터 증발된 수소가스를 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지;
상기 연료전지와 전기적으로 연결되며, 연료전지에서 발생된 전기를 상기 초전도 계자코일 및 아마추어 코일로 공급하는 전력변환기; 및
상기 극저온용기 내통과 극저온용기 외통에 걸쳐 기계적으로 설치되는 한편 상기 전력변환기와 전기적으로 연결되며, 시스템의 장기적인 운전중지시 상기 극저온용기 내통으로부터 증발되는 수소가스를 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화하는 극저온 냉동기를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터의 전체적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터는 초전도 계자코일이 고정되어 있고, 아마추어 코일이 회전하는 회전 전기자형이다. 이와 같 은 본 발명의 초전도 모터는 초전도 계자코일(210), 계자코일 지지부(220), 아마추어 코일(230), 아마추어 코일 지지부(240), 극저온용기 내통(250), 극저온용기 외통(260), 연료전지(280), 전력변환기(290), 극저온 냉동기(300)를 포함하여 구성된다.
상기 초전도 계자코일(210)은 주입된 액체수소에 의한 냉각작용으로 초전도화되어 강력한 자장을 발생시킨다. 여기서, 이와 같은 초전도 계자코일(210)의 재질로는 MgB2, BSCCO, YBCO 등과 같은 초전도선이 사용될 수 있다.
상기 계자코일 지지부(220)는 초전도 계자코일(210)이 그 몸체에 권선되거나 별도로 권선된 초전도 계자코일(210) 구조체를 그 몸체에 부착시켜 고정함으로써 초전도 계자코일(210)을 지지한다.
상기 아마추어 코일(230)은 상기 초전도 계자코일(210) 및 계자코일 지지부 (220)로 이루어진 원통형 구조체의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 초전도 계자코일(210)에 의해 형성되는 자장에 대하여 반발 작용하는 자장을 발생시킨다. 여기서, 이 아마추어 코일(230)은 기존의 구리선으로 제작되며, 철심을 사용할 수도 있고, 비자성체로 아마추어 코일(230)을 지지할 수도 있다. 이와 같은 아마추어 코일 (230)은 초전도 계자코일(210)과의 반발력과 회전에 충분히 견딜 수 있도록 유리 섬유(fiber glass) 밴드(232) 등으로 잘 고정하여야 한다.
상기 아마추어 코일 지지부(240)는 상기 계자코일 지지부(220)가 초전도 계자코일(210)을 지지하듯이 상기 아마추어 코일(230)을 지지 및 고정한다.
상기 극저온용기 내통(250)은 상기 초전도 계자코일(210)에 작용하는 아마추어의 반작용력을 지지하기 위한 토크 튜브(torque tube)로서, 외부로부터 액체수소를 공급받아 초전도 계자코일(210)을 냉각시키며, 초전도 계자코일(210) 및 계자코일 지지부(220)를 둘러싸도록 설치된다.
상기 극저온용기 외통(260)은 극저온용기 내통(250)을 둘러싸도록 설치된다.
상기 연료전지(280)는 상기 극저온용기 내통(250)과 기계적으로 연결되며, 상기 초전도 계자코일(210)을 냉각하는 액체수소로부터 증발된 수소가스를 공급받아 전기를 발생시킨다.
상기 전력변환기(290)는 연료전지(280)와 전기적으로 연결되며, 연료전지 (280)에서 발생된 전기를 상기 초전도 계자코일(210) 및 아마추어 코일(230)로 공급한다.
상기 극저온 냉동기(300)는 상기 극저온용기 내통(250)과 극저온용기 외통 (260)에 걸쳐 기계적으로 설치되는 한편 상기 전력변환기(290)와 전기적으로 연결되며, 시스템의 장기적인 운전중지시 상기 극저온용기 내통(250)으로부터 증발되는 수소가스를 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화한다. 여기서, 이와 같은 극저온 냉동기(300)의 구동 전원은 상기 연료전지(280)에서 발생된 전기를 이용하게 되며, 전력변환기(290)를 통해 공급받는다.
이상과 같은 구성에 있어서, 바람직하게는 상기 계자코일 지지부(220)의 일측에는 상기 초전도 계자코일(210)에서 발생되는 자장의 외부로의 유출을 차단하기 위한 차폐코일(270)이 더 설치된다.
또한, 바람직하게는 상기 극저온용기 내통(250)과 극저온용기 외통(260) 사이에는 외부로부터의 복사열 침투를 차단하기 위한 열차폐판(255)이 더 설치된다. 여기서, 특히 상기 극저온용기 내통(250)과 극저온용기 외통(260) 사이는 외부로부터의 열침입을 최소화할 수 있도록 고진공 상태로 유지한다. 그리고, 상기 열차폐판(255)의 주위에는 복사에 의한 열전달을 최소화하기 위하여 여러 겹의 초절연재 (super insulating material)(미도시)를 설치한다.
또한, 바람직하게는 상기 극저온용기 외통(260)의 내면부의 상기 아마추어 코일(230)과 대향하는 부위에는 상기 초전도 계자코일(210)에 침투되는 외부 교란을 차단하기 위한 와전류 차폐판(265)이 더 설치된다. 이 와전류 차폐판(265)의 재질로는 높은 전기전도성을 갖는 구리, 알루미늄 등이 사용될 수 있다. 도 2에서 참조번호 242는 베어링, 244는 샤프트(shaft), 252는 써멀 싸이펀(thermal siphon)을 각각 나타낸다.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 연료전지가 결합된 초전도 모터의 동작에 대하여 간략히 설명해 보기로 한다.
먼저, 초전도 계자코일(210)이 설치되어 있는 극저온용기 내통(250)에 외부로부터 공급받은(예를 들면, 현재의 주유소나 LPG 충전소와 같이 액체수소를 충전받을 수 있는 액체수소 공급원으로부터 공급받은) 액체수소를 액체수소공급관(282)을 통하여 주입하면, 초전도 계자코일(210)이 냉각되면서 액체수소가 쌓이게 되어, 연료전지(280)의 연료인 액체수소를 저장함과 동시에 초전도 계자코일(210)과 차폐코일(270)을 초전도화하는 저온냉매를 극저온으로 유지하는 극저온용기(Cryostat) 의 역할을 동시에 수행하게 된다.
극저온용기 내통(250) 속에 주입된 액체수소는 초전도 계자코일(210)을 냉각하고, 증발된 수소가스는 연료전지(280)에 공급되어 전기를 발생시키게 된다. 그리고, 발전된 전기는 전력변환기(290)와 계자코일 전류도입선(286)을 통하여 다시 초전도 계자코일(210)로 공급되어 초전도 상태의 계자코일로부터 강한 자장이 발생된다. 또한, 연료전지(280)에서 발전된 전기는 전력변환기(290)와 슬립링(295)을 통하여 아마추어 코일(230)로 공급되며, 아마추어 코일(230)에 의해 발생된 자장과 초전도 계자코일(210)에서 발생된 자장이 상호 반작용하여 강한 회전력이 생기게 되어 토오크를 발생시키게 된다.
연료전지(280)는 물의 전기분해의 역반응과정을 이용하는 것으로서, 수소가스와 산소를 촉매재 등을 사용하여 반응시키면 전기와 물이 생성되는 원리를 이용하여 전기를 발생시키게 된다. 이와 같은 연료전지(280)에 상기 초전도 계자코일 (210)의 냉각 및 외부로부터의 열침입에 의하여 증발한 수소가스가 수소가스 배출관(284)을 통하여 보내지게 되고, 연료전지(280)에서는 수소와 산소가 반응하여 물과 전기가 생성된다. 연료전지(280)에서 발전된 전력은 전력변환기(290)로 보내져 초전도 계자코일(210) 및 아마추어 코일(230)의 정격에 맞는 값으로 변환되어져 각각 초전도 계자코일(210)과 아마추어 코일(230)로 보내진다. 초전도 계자코일 (210)은 전술한 바와 같이 MgB2, BSCCO 및 YBCO 등의 초전도선으로 만들어져, 액체수소로 냉각되면 초전도화 되어 전기저항이 제로(zero)가 되기 때문에 대전류를 흘 려 강한 자장을 발생시킬 수 있으며, 따라서 기존의 구리선을 사용하는 모터보다 용량 증대 및 소형화가 가능하다. 한편, 슬립링(295)을 통하여 아마추어 코일로 보내지는 전력은 초전도 계자코일(210)에서 발생되는 자장과의 반작용으로 회전력을 발생시킬 수 있도록 전력변환기(290)에 의해 변환되어져 DC 또는 AC 전류가 공급된다.
한편, 이상과 같은 본 발명의 초전도 모터가 운전되지 않을 시(특히 장기적인 운전중지 시) 상기 극저온용기 내통(250)으로부터 증발되는 수소가스를 극저온 냉동기(300)에 의해 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화하게 된다.
이상과 같이, 본 발명의 초전도 모터는 액체수소를 초전도 계자코일(210)의 냉매로 사용함과 동시에 연료전지(280)의 연료로 사용하므로, 종래의 초전도 모터에서와 같은 냉각시스템을 생략할 수 있고, 저장방법 및 저장용기의 크기 등의 많은 문제를 야기시키는 연료전지(280)의 연료인 수소가스의 저장용기 문제를 동시에 해결할 수 있다. 따라서, 초전도 모터의 소형, 경량화 효과를 극대화할 수 있고, 연료전지(280)로부터 발전된 전기로 초전도 모터를 직접 구동함으로써, 액체수소만을 연료로 공급하면, 강력한 회전력을 발생시킬 수 있는 고성능이면서 무공해의 동력원이 구현될 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4는 연료전지 자동차의 예들을 보여주는 것으로서, 도 3은 연료전지와 기존의 일반 모터로 구동되는 연료전지 자동차의 예를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 초전도 모터를 적용한 연료전지 자동차의 예를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지와 기존 모터로 구동되는 연료전지 자동차의 경우에는, 연료전지 자동차의 수소연료를 가스 상태로 적재할 경우 가스탱크의 부피가 지나치게 커지게 되고, 비교적 장거리로 운행할 수 있을 정도의 가스량을 주입하려면 고압 수소탱크가 필요하게 되어 안전상의 문제가 있다. 또한, 500km 정도의 주행거리가 되기 위해서는 70MPa정도의 압력이 되어야 한다는 분석도 있다. 또한, 일부 자동차회사에서는 액체수소 탱크를 탑재한 연료전지 자동차를 개발하고 있으며, 액체수소 탱크의 성능향상을 위한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 따라서, 현재까지는 자동차 연료전지용 수소에너지의 저장방식이 결정되지 않은 실정이다.
도 4를 참조하면, 이는 본 발명의 초전도 모터를 연료전지 자동차에 적용한 것으로서, 전체적인 차량의 구동시스템을 획기적으로 간소화할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 연료전지가 결합된 초전도 모터는 액체수소를 초전도 계자코일을 냉각하는 냉매로 사용함으로써 복잡한 극저온 냉각시스템을 생략할 수 있고, 그에 의해 초전도 모터의 소형, 경량화, 신뢰성 및 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 초전도 계자코일을 냉각하고 증발한 수소가스를 연료전지의 발전원으로 사용하여 생산된 전력을 초전도 계자코일의 여자 및 아마추어 코일의 구동전력으로 사용함으써 초전도 모터와 연료전지가 일체화된 고성능, 고효율 및 무공해의 새로운 구동원을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 초전도 계자코일이 고정되어 있고 아마추어 코일이 회전하는 회전 전기자형으로서,
    주입된 액체수소에 의한 냉각작용으로 초전도화되어 강력한 자장을 발생시키는 초전도 계자코일;
    상기 초전도 계자코일을 지지하는 계자코일 지지부;
    상기 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부로 이루어진 원통형 구조체의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 초전도 계자코일에 의해 형성되는 자장에 대하여 반발 작용하는 자장을 발생시키는 아마추어 코일;
    상기 아마추어 코일을 지지하는 아마추어 코일 지지부;
    상기 초전도 계자코일에 작용하는 아마추어의 반작용력을 지지하기 위한 토크 튜브(torque tube)로서, 외부로부터 액체수소를 공급받아 초전도 계자코일을 냉각시키며, 초전도 계자코일 및 계자코일 지지부를 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 내통;
    상기 극저온용기 내통을 둘러싸도록 설치되는 극저온용기 외통;
    상기 극저온용기 내통과 기계적으로 연결되며, 상기 초전도 계자코일을 냉각하는 액체수소로부터 증발된 수소가스를 공급받아 전기를 발생시키는 연료전지;
    상기 연료전지와 전기적으로 연결되며, 연료전지에서 발생된 전기를 상기 초전도 계자코일 및 아마추어 코일로 공급하는 전력변환기; 및
    상기 극저온용기 내통과 극저온용기 외통에 걸쳐 기계적으로 설치되는 한편 상기 전력변환기와 전기적으로 연결되며, 시스템의 장기적인 운전중지시 상기 극저온용기 내통으로부터 증발되는 수소가스를 재응축하여 액체수소의 증발을 최소화하는 극저온 냉동기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지가 결합된 초전도 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 계자코일은 MgB2, BSCCO, YBCO 중의 어느 하나의 재질로 제작된 것을 특징으로 하는 연료전지가 결합된 초전도 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계자코일 지지부의 일측에는 상기 초전도 계자코일에서 발생되는 자장의 외부로의 유출을 차단하기 위한 차폐코일이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지가 결합된 초전도 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 극저온용기 내통과 극저온용기 외통 사이에는 외부로부터의 복사열 침투를 차단하기 위한 열차폐판이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지가 결합된 초전도 모터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 극저온용기 외통의 내면부의 상기 아마추어 코일과 대향하는 부위에는 상기 초전도 계자코일에 침투되는 외부 교란을 차단하기 위한 와전류 차폐판이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지가 결합된 초전도 모터.
KR1020040026512A 2004-04-19 2004-04-19 연료전지가 결합된 초전도 모터 KR100571679B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040026512A KR100571679B1 (ko) 2004-04-19 2004-04-19 연료전지가 결합된 초전도 모터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040026512A KR100571679B1 (ko) 2004-04-19 2004-04-19 연료전지가 결합된 초전도 모터

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050101594A KR20050101594A (ko) 2005-10-25
KR100571679B1 true KR100571679B1 (ko) 2006-04-17

Family

ID=37279998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040026512A KR100571679B1 (ko) 2004-04-19 2004-04-19 연료전지가 결합된 초전도 모터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100571679B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220014112A (ko) 2020-07-28 2022-02-04 한국기계연구원 액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100888030B1 (ko) * 2007-10-02 2009-03-09 한국전기연구원 초전도 동기 전동기
US8204562B2 (en) 2007-10-02 2012-06-19 Korea Electrotechnology Research Institute Superconducting synchronous machine
DE102011084324A1 (de) * 2011-10-12 2013-04-18 Siemens Aktiengesellschaft Kühleinrichtung für einen Supraleiter einer supraleitenden dynamoelektrischen Synchronmaschine
CN115333329B (zh) * 2022-06-23 2023-04-07 北京航天试验技术研究所 双蒸发冷凝循环的氢能飞机高温超导电机冷却装置及方法
WO2024101486A1 (ko) * 2022-11-09 2024-05-16 한국전기연구원 고온초전도 회전기

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH066907A (ja) * 1992-06-18 1994-01-14 Sumitomo Electric Ind Ltd 電気自動車における超電導モータ装置
KR20000060116A (ko) * 1999-03-12 2000-10-16 윤문수 발전기 및 모터용 초전도 로터
US6489701B1 (en) 1999-10-12 2002-12-03 American Superconductor Corporation Superconducting rotating machines
KR20030040459A (ko) * 2001-07-13 2003-05-22 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션 구조에 의하여 결정되는 초기 과도 리액턴스를 갖는초전도 회전 장치
US20030190506A1 (en) 2000-03-15 2003-10-09 Mueller Otward M. Cryogenic power conversion for fuel cell systems especially for vehicles
KR20040009489A (ko) * 2002-07-24 2004-01-31 한국전기연구원 냉각시스템 내장형 초전도 로터
JP2005086914A (ja) 2003-09-09 2005-03-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 超電導モータを備えた電気自動車
KR20050044609A (ko) * 2001-11-30 2005-05-12 지멘스 악티엔게젤샤프트 선박 추진 시스템
KR20050044616A (ko) * 2001-11-29 2005-05-12 지멘스 악티엔게젤샤프트 선박 추진장치

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH066907A (ja) * 1992-06-18 1994-01-14 Sumitomo Electric Ind Ltd 電気自動車における超電導モータ装置
KR20000060116A (ko) * 1999-03-12 2000-10-16 윤문수 발전기 및 모터용 초전도 로터
US6489701B1 (en) 1999-10-12 2002-12-03 American Superconductor Corporation Superconducting rotating machines
US20030190506A1 (en) 2000-03-15 2003-10-09 Mueller Otward M. Cryogenic power conversion for fuel cell systems especially for vehicles
KR20030040459A (ko) * 2001-07-13 2003-05-22 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션 구조에 의하여 결정되는 초기 과도 리액턴스를 갖는초전도 회전 장치
KR20050044616A (ko) * 2001-11-29 2005-05-12 지멘스 악티엔게젤샤프트 선박 추진장치
KR20050044609A (ko) * 2001-11-30 2005-05-12 지멘스 악티엔게젤샤프트 선박 추진 시스템
KR20040009489A (ko) * 2002-07-24 2004-01-31 한국전기연구원 냉각시스템 내장형 초전도 로터
JP2005086914A (ja) 2003-09-09 2005-03-31 Sumitomo Electric Ind Ltd 超電導モータを備えた電気自動車

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220014112A (ko) 2020-07-28 2022-02-04 한국기계연구원 액체수소를 이용한 초전도 모터 구동시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050101594A (ko) 2005-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7207178B2 (en) Superconducting device with a cooling-unit cold head thermally coupled to a rotating superconductive winding
US7816826B2 (en) Thermosyphon cooled superconductor
US6553773B2 (en) Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding
US7528510B2 (en) Superconducting machine device with a superconducting winding and thermosiphon cooling
US20080164782A1 (en) Machine Device with Thermosiphon Cooling of Its Superconductive Rotor Winding
US7285881B2 (en) Superconducting device comprising a cooling unit for cooling a rotating, superconductive coil
US7240496B2 (en) Superconductive device comprising a refrigeration unit, equipped with a refrigeration head that is thermally coupled to a rotating superconductive winding
US20050088048A1 (en) Machine device having superconducting winding and thermosiphon cooling of winding
US7994664B2 (en) System and method for cooling a superconducting rotary machine
KR100571679B1 (ko) 연료전지가 결합된 초전도 모터
US7935450B2 (en) Method for operation of an energy system, as well as an energy system
US7272938B2 (en) Superconducting device with a cold head of a refrigeration unit with a thermosyphon effect thermally coupled to a rotating superconducting winding
EP2487695B1 (en) System and method for magnetization of rare-earth permanent magnets
JP7318096B2 (ja) 磁性材料で作製された真空容器を含む超伝導発電機
KR100465024B1 (ko) 전도냉각형 고온초전도 회전자 냉각시스템
Hirabayashi et al. Feasibility of hydrogen cooled superconducting magnets
KR101091180B1 (ko) 전초전도 회전기의 냉각 구조
JP2005204492A (ja) 超電導モータ装置
WO2024101486A1 (ko) 고온초전도 회전기
KR20240067422A (ko) 고온초전도 회전기
KR100465023B1 (ko) 내부응축형 고온초전도 회전자의 냉각시스템
Glowacki Substituting Hydrogen for Helium in Cryogenic Applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130403

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140403

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee