KR100802749B1 - 차량용 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 조건에 따라 넣기도 하고 빼주기도 하는 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로,

종래의 차량용 연료전지 시스템은 빠른 냉시동성을 확보할 수 없음은 물론 냉해동 사이클이 길게 되어 연료전지의 내구성이 나쁘게 되는 등의 문제가 있었던 바,

공기공급원(20)과 접속되는 공기채널(12), 수소공급원(30)과 접속되는 수소채널(13)을 갖는 연료전지(10)에 냉각채널(14)이 마련되고, 냉각채널(14)에 냉각펌프(50)와 라디에타(60)를 구비하는 냉각라인(41)이 접속되며, 냉각라인(41)의 라디에타(60) 출구측에 2방향 밸브(61)가 설치되는 것에 있어서, 상기 냉각라인(41)에 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 조건에 따라 넣기도 하고 빼주기도 하는 제2냉각라인(42)을 마련한 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 냉시동시에 제2냉각라인(42)과 냉각부동액 저장장치(70)로 빼낼 수 있게 되므로 보다 빠른 냉시동성을 확보할 수 있게 됨은 물론 냉해동 사이클이 짧게 되어 연료전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

연료전지, 제2냉각라인, 냉각부동액 저장장치, 2방향 밸브, 3방향 밸브

Description

차량용 연료전지 시스템 {a fuel cell system for a vehicle}

도 1은 종래의 차량용 연료전지 시스템의 구성도

도 2는 동 연료전지 시스템의 냉해동 사이클 반복에 따른 연료전지 성능 감소 그래프

도 3은 동 연료전지 시스템의 스택에 포함된 부동액의 양에 따른 스택 온도 강하 결과를 나타낸 그래프

도 4는 본 발명의 제1실시예의 구성도

도 5는 본 발명의 제2실시예의 구성도

도 6은 본 발명의 제3실시예의 구성도

도 7a 본 발명의 냉각부동액 보관장치의 상부부위 확대상태도

도 7b는 본 발명의 냉각부동액 보관장치의 상부부위 축소상태도

도 8a는 본 발명의 밴트라인이 없는 냉각부동액 보관장치의 개략도

도 8b는 본 발명의 밴트라인이 있는 냉각부동액 보관장치의 개략도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

10 : 연료전지 12 : 공기채널

13 : 수소채널 14 : 냉각채널

20 : 공기공급원 30 : 수소공급원

41 : 냉각라인 42 : 제2냉각라인

50 : 냉각펌프 60 : 라디에타

62 : 2방향 밸브 70 : 냉각부동액 보관장치

72, 72a, 72b : 2방향 밸브 73, 73a, 73b : 3방향 밸브

80 : 제어기 90 : 밴트밸브

91 : 밴트라인

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더 자세하게는 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 조건에 따라 넣기도 하고 빼주기도 하는 것에 관한 것이다.

본 발명이 관계하는 연료전지는 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며, 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다.

연료전지의 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있으며, 원리적으로는 1839년 영국의 W.R.그로브(1811~96)가 발견하였으나 그 특징이 바뀌어 다시 관심을 가지게 된 것은 1950년대 후반의 일로 1959년 5kW의 수소-산소 연료전지가 영국의 F.T.베이컨에 의해 실증시험(實證試驗)됨으로써 각광을 받게 되었고, 그 후 1960~1970년대에 걸쳐 제미니 및 아폴로 우주선에 연료전지가 탑재되었다.

이 전지는 다같이 알칼리 수용액을 전해질로 하며, 순수한 수소와 산소를 사용한다.

그 후 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔다.

이 중에서 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다.

또한 발전효율의 향상을 꾀한 것이나 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다.

최근 가장 실용화에 접근한 것은 제1세대의 것으로서, 미국 UT사(社)를 중심으로 일반 민수용(民需用)으로 개발된 인산전해질(燐酸電解質) 연료전지가 그 좋은 예이다.

이것은 화석연료를 개질(改質)한 수소를 주성분으로 하는 수소가스와 공기 속의 산소를 사용한 수소-공기 연료전지이다.

연료전지는 저공해성이며, 소음이 없고, 배열(排熱)을 이용할 수 있기 때문 에 종합효율이 높다.

1988년에 한국에서는 동력자원연구소와 한국전력(주) 기술연구원에서 메탄올을 연료로 하여 열과 전기를 동시에 얻는 5kW급 연료전지를 개발하였다.

이 연료전지는 천연가스 등의 연료와 공기 중의 산소를 반응시켜 전지를 얻는 기술로, 효율이 50~60%로서 매우 높다.

본 발명은 특히 고분자 전해질 연료전지에 관계하는 바, 고분자 전해질 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 높은 성능을 나타내고 온도가 낮아짐에 따라 반응활성화 감소 및 전해질막의 이온전도도 감소에 따라 성능이 저하된다.

특히 겨울철과 같이 외부 온도가 0℃ 이하에서는 차량에 탑재된 연료전지 스택이 얼게 되는데, 이럴 경우 내구성 측면과 시동성 측면에서 좋지 않은 결과를 초래하게 된다.

내구성 측면에서는 냉해동 사이클이 진행됨에 따라 연료전지의 내부에 있는 물의 얼고 녹음이 반복되며, 이는 연료전지 단품 중 기공구조를 형성하고 있는 전극 및 가스확산층(GDL층)을 손상시킬 수 있어 내구성 확보에 어려움을 가지게 된다.

또한 시동성 측면에서 전극의 활성뿐만 아니라 전해질 막내의 수소이온을 전달시키는 스택 내 물까지 얼게 되어 전도도가 떨어짐으로써 낮은 성능을 나타내게 되는데, 이에 저온에서 연료전지를 시동할 경우 0℃까지 빠르게 올려 연료전지 스택 내부를 녹이는 것이 중요하게 된다.

이처럼 겨울철 연료전지 자동차의 운전 형태는 크게 2가지로 나타낼 수 있다.

첫번째는 연료전지가 0℃ 이하로 떨어진 상태, 즉 영하 시동을 하는 경우와 두번째로 연료전지가 0℃ 이하로 떨어지지 않은 상태, 즉 영상 시동을 하는 경우이다.

외기 온도가 영하일 때 연료전지를 장시간 보관한다면 전자처럼 연료전지는 영하로 떨어지게 될 것이지만 외부의 충분한 단열이라든지 또는 스택이 영하로 떨어지기 전에 운전을 하게 되면 영상 시동을 하게 될 것이다.

영상시동을 하게 된다면 빠른 초기 시동성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지가 얼지 않게 되어 내구성 또한 확보할 수 있다.

2004년, 저널 오브 일렉트로케미칼 소사이어티(Journal of Electrochemical society 151, A661~665)에 발표된 논문에서는 연료전지의 냉해동이 연료전지의 내구성에 나쁜 영향을 준다고 평가하고 있고, 겨울철 내구성 확보를 위해 연료전지를 영하로 떨어뜨리지 않는 방법을 각 기관들에서 연구하고 있다.

제너랄모터스의 미국특허(GM; US 6727013B1), 닛산의 유럽특허(Nissan; EP 1414090A1) 등에서는 스택이 얼지 않게끔 덮개에 단열재를 설치하거나 스택과 덮개 사이에 열을 계속 가하는 방법을 통해 스택이 얼지 않게 하여 스택 내구성 향상과 시동성 향상을 가져올 수 있다고 기재되어 있다.

도 1에는 종래의 차량용 연료전지 시스템의 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 연료전지 냉해동 사이클 반복에 따른 연료전지 성능 감소 그래프가 도시되어 있 다.

도 1과 같이 종래의 차량용 연료전지 시스템은 공기공급원(20)과 접속되는 공기채널(12), 수소공급원(30)과 접속되는 수소채널(13)을 갖는 연료전지(10)에 냉각채널(14)이 마련되고, 냉각채널(14)에 냉각펌프(42)와 라디에타(43)를 구비하는 냉각라인(41)이 마련되며, 라디에타 출구측에 2방향 밸브(62)가 설치되는 형태를 갖는다.

그러나 상기 종래의 차량용 연료전지 시스템은 전술한 바와 같이 빠른 냉시동성을 확보할 수 없음은 물론 냉해동 사이클이 길게 되어 연료전지의 내구성이 나쁘게 되는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 빠른 냉시동을 확보할 수 있도록 하고, 냉해동 사이클을 줄임으로써 연료전지의 내구성을 증가시킬 수 있도록 하는 차량용 연료전지 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 냉각라인의 냉각펌프와 라디에타의 사이에 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 조건에 따라 넣기도 하고 빼주기도 하는 제2냉각라인을 마련하고, 입구측과 출구측에 각각 2방향 밸브가 설치되는 냉각부동액 보관장치를 상기 제2냉각라인에 설치한 것 등을 특징으로 하 며, 이하 그 구체적인 기술내용을 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 본 발명이 관계하는 연료전지의 스택의 온도를 올리기 위해 필요한 에너지는 다음의 식 1에 의해 구할 수 있다.

<식 1>

Q = M * Cp * ΔT

Q : 필요한 에너지, M : 스택의 총 무게, Cp : 스택의 평균 열용량, ΔT : 온도차이

상기 식 1에서 알 수 있듯이 빠른 냉시동 특성을 확보하기 위해서는 Q(온도를 올리기 위해 필요한 에너지)가 작아야 된다.

한 번 체결되어 제작 완료된 스택 단품들의 경우 무게 변화를 줄 수 없으므로 그 스택 무게에 맞게 온도를 올리는데 필요한 에너지가 결정된다.

하지만 스택을 냉각시키기 위한 냉각부동액을 시동 직전에 빼주어 무게를 감소시킨다면 빠른 냉시동성을 갖고 연료소비 효율이 높은 연료전지 시스템을 갖출 수 있다.

위 식 1을 이용한 해석 결과 -20℃에서 5℃까지 올리는데 스택 내부에 냉각부동액이 없을 경우 4.21MJ이 필요하고 부동액이 스택 무게 대비 10% 있을 경우 4.80MJ이 필요하다.

즉 부동액이 없을 경우 냉시동시 필요한 에너지가 줄어들어 더 빠른 냉시동 을 할 수 있다.

다음의 식 2는 연료전지 스택이 운전 후 온도가 떨어지는 이론식을 나타낸 것이다.

<식 2>

Mfc : 연료전지 스택의 무게, Mw : 스택내 잔존수의 무게, Cp : 연료전지 스택의 무게비율별 평균 열용량, Cpw : 스택 잔존수의 열용량, h : 스택외부 공기의 열전달 계수, To : 스택 운전 온도(정지 직전 온도), Asurf : 스택 외부 면적, Ta : 스택 외기 온도, x : 단열재의 두께, k : 단열재의 열 전도도, Tt : 스택 하강 온도 목표, Tcd : 스택의 온도가 특정 온도까지 떨어지는데 걸리는 시간

상기 식 2에서 Tcd는 스택의 온도가 Tt까지 떨어지는데 필요한 시간이고, Mfc는 스택의 총 무게, Asuf는 스택 외부의 면적, k1,2는 스택 외부 단열재의 열전도도이다.

이 식 2에서와 같이 스택의 온도가 특정 온도까지 떨어지는데 걸리는 시간에 있어 스택의 무게는 비례적인 역할을 한다.

즉, 스택의 무게가 클 경우 스택의 온도는 더 늦게 떨어지게 된다.

도 3에는 스택에 포함된 부동액의 양에 따른 스택 온도 강하 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면 외기온도가 -20℃일때 부동액이 없을 때는 5시간 30분만에 어는 것이 부동액이 가득 차 있을 때는 8시간 30분이 지난 후 0℃에 도달하는 것을 알 수 있다.

즉, 외기 온도 -20℃일 때 운전 후 8시간 이상 방치하지 않을 경우에는 연료전지가 얼지 않아 빠른 시동 및 냉동에 의한 열화가 전혀 발생되지 않는 것을 알 수 있다.

이상의 결과에서 알 수 있듯이 스택의 온도가 떨어지는 것과 냉시동과는 스택 무게에 있어서 반대성을 가진다.

다시 말해 스택의 무게가 무거울수록 스택 온도는 더 늦게 떨어져 스택이 결빙되는 횟수가 줄어들고, 스택이 가벼울 수록 냉시동 에너지가 적게 들어 빠른 냉시동성을 확보할 수 있다.

본 발명은 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 정지 후에는 충전된 상태로 유지하여 스택의 온도가 늦게 떨어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 스택이 어는 횟수를 감소시켜 내구성을 증가시킬 수 있게 되고, 스택 온도가 높게 유지되어 빠른 시동성을 확보할 수 있게 된다.

또한 시동시에는 시동직전 빠르게 부동액을 빼냄으로 시동 에너지를 감소시킴으로써 빠른 냉시동성을 확보할 수 있게 되고, 스택 해동을 위해 들어가는 수소량을 줄여 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

도 4에는 도 1에 나타낸 기존 시스템의 냉각라인 부분에 추가로 냉각부동액 보관장치를 장착하여 운전 영역에 따라 냉각부동액의 보관 위치를 변경할 수 있도 록 한 본 발명의 제1실시예의 연료전지 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

도 4와 같이 이 제1실시예는 공기공급원(20)과 접속되는 공기채널(12), 수소공급원(30)과 접속되는 수소채널(13)을 갖는 연료전지(10)에 냉각채널(14)이 마련되고, 냉각채널(14)에 냉각펌프(50)와 라디에타(60)를 구비하는 냉각라인(41)이 접속되며, 냉각라인(41)의 라디에타(60) 출구측에 2방향 밸브(61)가 설치되는 연료전지 시스템을 구성함에 있어서, 상기 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60)의 사이에 제2냉각라인(42)을 마련하고, 입구측과 출구측에 각각 2방향 밸브(72a)(72b)가 설치되는 냉각부동액 보관장치(70)를 상기 제2냉각라인(42)에 설치하여서 되는 것이다.

이 제1실시예에 있어서는 운전중에 냉각부동액 보관장치(70)의 각 밸브(72a)(72b)를 닫게 되면 냉각부동액 보관장치(70)에 냉각부동액이 채워지지 않게 되지만 운전후 냉시동 직전에 냉각부동액 보관장치(70)의 각 밸브(72a)(72b)를 개방하는 동시에 중력이나 냉각라인(41)의 라디에타(60) 출구측에 마련된 2방향 밸브(62)를 닫고 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)에 의해 냉각부동액을 냉각부동액 보관장치(50)에 보관하게 되면 냉각채널(14)의 냉각부동액을 빼낼 수 있게 되어 냉시동성을 개선할 수 있게 된다.

도 5에는 밸브 종류 및 위치를 변경한 형태의 본 발명의 제2실시예의 연료전지 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

이 제2실시예는 라디에타(60)의 출구측에 접속되는 2방향 밸브(62)를 삭제하고, 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60)의 사이에 제2냉각라인(42)을 마 련하며, 제2냉각라인(42)의 냉각부동액 보관장치(70)를 설치하고, 냉각부동액 보관장치(70) 입구측에 냉각라인(41)과 제2냉각라인(42)에 선택적으로 냉각부동액을 공급할 수 있도록 하는 3방향 밸브(73)를 설치하는 동시에 냉각부동액 보관장치(70) 출구측에 2방향 밸브(72)를 설치한 형태를 갖는다.

이 제2실시예는 3방향 밸브(73) 및 냉각액 부동액 보관장치 출구측의 2방향 밸브(72)를 통해 시동 및 운전 후 스택 보관시 냉각부동액을 스택 내에 채워넣거나 빼줄 수 있게 된다.

도 6에는 냉각부동액 보관장치가 없는 이중 냉각라인을 이용한 본 발명의 제3실시예의 연료전지 시스템의 구성도가 도시되어 있다.

이 제3실시예는 라디에타(60)의 출구측에 접속되는 2방향 밸브(62)를 삭제하고, 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60) 사이와 라디에타(60) 출구측에 3방향 밸브(73a)(73b)를 설치하며, 양 3방향 밸브(73a)(73b) 사이에 제2냉각라인(42)을 마련한 형태를 갖는다.

이 제3실시예에 있어서는 양 3방향 밸브(73a)((73b)를 이용하여 일반적인 운전시에 라지에타(60)가 있는 냉각라인(41)으로 냉각부동액이 순환하도록 하게 되면 제2냉각라인(42)에 냉각부동액이 채워지지 않게 되고, 냉시동 직전에 양 3방향 밸브(73b)(73b)를 이용하여 제2냉각라인(42)을 개방하면 중력 또는 별도의 펌프를 통해 제2냉각라인(42)에 냉각부동액이 채워지게 된다.

도 7a 및 도 7b에는 냉각부동액 보관장치의 구성도가 도시되어 있는 바, 본 발명에 있어서 냉각부동액 보관장치(70)는 냉각부동액이 보관되거나 지나갈 수 있 는 상단부분(a)과 스프링이나 유압으로 높이를 조절할 수 있는 하단부분(b)으로 구성하고, 도 7a 및 도 7b와 같이 제어기(80)를 통해 하단부분(b)의 크기를 조절함으로 상단부분(a)에 보관되는 냉각부동액의 양을 조절할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

도 8a 및 도 8b에는 밴트라인이 있는 냉각부동액 보관장치와 밴트라인이 없는 냉각부동액 보관장치가 도시되어 있다.

연료전지에 있어서 스택 내부의 냉각부동액을 제거하고 충전하는 동안에 냉각부동액 라인에 공기가 생길 수 있으며, 공기가 채워지거나 진공이 생길 경우 냉각부동액이 스택의 열을 원활하게 식히지 못하게 되는데, 도 8b와 같이 냉각부동액 보관장치(70)에 밴트밸브(90)를 구비하는 밴트라인(91)을 마련하게 되면 스택 냉각 라인에 생긴 공기를 원활하게 제거할 수 있게 된다.

본 발명에 있어서는 냉각부동액 보관장치에 수위 센서를 달아 공기가 일정양 찰 경우 밴트밸브(90)를 개방할 수 있도록 할 수도 있음은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명은 냉각라인(41)에 제2냉각라인(42)과 냉각부동액 저장장치(70)를 마련하고, 2방향 밸브 또는 3방향 밸브를 설치하여 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 냉시동시에 제2냉각라인(42)과 냉각부동액 저장장치(70)로 빼낼 수 있게 한 것으로, 본 발명에 의하면 보다 빠른 냉시동성을 확보할 수 있게 됨은 물론 냉해동 사이클이 짧게 되어 연료전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 공기공급원(20)과 접속되는 공기채널(12), 수소공급원(30)과 접속되는 수소채널(13)을 갖는 연료전지(10)에 냉각채널(14)이 마련되고, 냉각채널(14)에 냉각펌프(50)와 라디에타(60)를 구비하는 냉각라인(41)이 접속되며, 냉각라인(41)의 라디에타(60) 출구측에 2방향 밸브(61)가 설치되는 것에 있어서, 상기 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60)의 사이에 스택을 냉각하는데 사용하는 냉각부동액을 운전 조건에 따라 넣기도 하고 빼주기도 하는 제2냉각라인(42)을 마련하고, 입구측과 출구측에 각각 2방향 밸브(72a)(72b)가 설치되는 냉각부동액 보관장치(70)를 상기 제2냉각라인(42)에 설치한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서, 라디에타(60)의 출구측에 접속되는 2방향 밸브(62)를 삭제하고, 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60)의 사이에 제2냉각라인(42)을 마련하며, 제2냉각라인(42)의 냉각부동액 보관장치(70)를 설치하고, 냉각부동액 보관장치(70) 입구측에 냉각라인(41)과 제2냉각라인(42)에 선택적으로 냉각부동액을 공급할 수 있도록 하는 3방향 밸브(73)를 설치하는 동시에 냉각부동액 보관장치(70) 출구측에 2방향 밸브(72)를 설치한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.
3. 제2항에 있어서, 냉각부동액 보관장치(70)는 냉각부동액이 보관되거나 지나갈 수 있는 상단부분(a)과 스프링이나 유압으로 높이를 조절할 수 있는 하단부분(b)으로 구성하고, 제어기(80)를 통해 하단부분(60)의 크기를 조절함으로써 보관되는 냉각부동액의 양을 조절할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.
4. 제2항에 있어서, 냉각부동액 보관장치(70)에 밴트밸브(90)를 구비하는 밴트라인(91)을 마련하여 스택 냉각 라인에 생긴 공기를 원활하게 제거할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.
5. 제4항에 있어서, 냉각부동액 보관장치(70)에 수위센서를 달아 공기가 일정양 찰 경우 밴트밸브(90)를 개방할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.
6. 제1항에 있어서, 라디에타(60)의 출구측에 접속되는 2방향 밸브(62)를 삭제하고, 냉각라인(41)의 냉각펌프(50)와 라디에타(60) 사이와 라디에타(60) 출구측에 3방향 밸브(73a)(73b)를 설치하며, 양 3방향 밸브(73a)(73b) 사이에 제2냉각라인(42)을 마련한 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지 시스템.

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