KR100805446B1 - 연료전지 차량용 수소재순환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 관한 것으로서, 연료전지에 공급되는 고압 형태의 수소의 압축에너지를 이용하여 수소 재순환 터빈을 구동시켜 수소를 재순환할 수 있도록 하며, 특히 상기 연료전지 스택의 출력에 따라 상기 수소 재순환 터빈의 회전력이 가변되므로 공급되는 수소의 압력을 자동으로 제어 가능함으로써, 상기 연료전지 스택에서 고출력 요구시 압력 강하 문제를 해소할 뿐만 아니라, 고압 및 저압 레귤레이터의 압력 제어 범위를 줄여 주게 되어 레귤레이터 설계를 용이하게 실시할 수 있는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 관한 것이다.
연료전지 차량, 수소재순환 시스템, 수소 재순환 터빈

Description

연료전지 차량용 수소재순환 시스템{Hydrogen recirculation system for fuel cell vehicle}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 다른 구현예,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템의 수소 재순환 터빈을 나타내는 개략적인 단면도,
도 4는 종래의 수소 재순환 블로워를 이용한 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 구성도,
도 5는 종래의 수소 재순환 이젝터를 이용한 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소 재순환 터빈 11 : 상부 블레이드
12 : 하부 블레이드
본 발명은 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지에 공급되는 고압 형태의 수소의 압축에너지를 이용하여 수소 재순환 터빈을 구동시켜 수소를 재순환할 수 있도록 하는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 차량 또는 수소엔진 차량의 경우, 고압의 수소를 연료로 하며, 350기압의 고압 수소를 2차례에 걸쳐 감압하여 연료전지 스택으로 수소를 공급하게 된다.
상기 연료전지 스택은 공급된 수소를 이용하여 전기를 발생시켜 모터를 구동시킴으로써 차량이 운행 가능하도록 하는 역할을 하게 된다.
이때, 상기 연료전지 스택에 공급된 수소는 100% 소모되기 어려우며, 주기적으로 수소를 외부로 배출시켜 주게 된다.
통상의 자동차용 연료전지 시스템의 경우, 연료 사용 효율을 높여 주기 위하여 배기되는 수소를 재순환 시스템을 이용하여 연료전지 스택으로 재공급하도록 구성되어 있다.
이와 같이, 상기 재순환 시스템을 구비하는 연료전지 시스템은 재순환 시스템을 구비하지 않은 연료전지 시스템에 비하여 연료 사용 효율이 약 20 ~ 30% 가량 높기 때문에 적은 양의 연료로 많은 양의 전기를 생산할 수 있게 된다.
이러한 수소를 연료전지 시스템에서 재순환시키기 위하여 수소 재순환 블로워(Recycle Blower) 또는 이젝터(Ejector)를 주로 이용하고 있는바, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수소 재순환 블로워(200)는 고속의 회전수를 갖는 전기모터(210)를 이용하여 임펠러(220)를 빠른 속도로 회전시켜 수소 압력을 입구측 대비 0.1기압 정도로 상승시켜 재순환되도록 하는 시스템으로서, 상기 전기모터(210)를 회전시키기 위하여 외부로부터 전원을 필요로 한다.
이는 유량 조절이 용이하며, 재순환 효율이 높다는 장점을 가지고 있으나, 많은 전원을 소모할 뿐만 아니라, 정밀한 기계장치이기 때문에 고장이 잦다는 단점이 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수소 재순환 이젝터(300)는 고압의 가스를 노즐(310)을 통해 고속으로 분사하여 주변의 기체를 흡입하여 이송하는 방식으로서, 상기 수소 재순환 블로워(200)와 달리, 모터류의 전기장치가 없어 고장이 거의 없고, 전기에 의한 수소 폭발위험도 없으며, 연료전지 스택(130)에서 고출력을 요구할 경우, 공급되는 수소량이 많아 재순환 효율이 높으나, 저출력시에는 공급되는 수소량이 적어 재순환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 이러한 수소 재순환 블로워(200) 및 이젝터(300)의 단점을 보완한 하이브리드 시스템은 상기 수소 재순환 블로워(200)와 이젝터(300)를 함께 적용하여 저유량 영역에서는 수소 재순환 블로워(200)가 작동되도록 하고, 고유량 영역에서는 수소 재순환 이젝터(300)가 작동되도록 함으로써, 시스템 효율을 향상시킬 수 있으나, 시스템이 복잡해지며 그로 인한 비용 상승의 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지에 공급되는 고압 형태의 수소의 압축에너지를 이용하여 수소 재순환 터빈을 구동시켜 수소를 재순환할 수 있도록 하며, 특히 상기 연료전지 스택의 출력에 따라 상기 수소 재순환 터빈의 회전력이 가변되므로 공급되는 수소의 압력을 자동으로 제어 가능함으로써, 상기 연료전지 스택에서 고출력 요구시 압력 강하 문제를 해소할 뿐만 아니라, 고압 및 저압 레귤레이터의 압력 제어 범위를 줄여 주게 되어 레귤레이터 설계를 용이하게 실시할 수 있는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수소탱크(100)에 저장된 수소를 레귤레이터(110,120)를 통해 감압하여 연료전지 스택(130)으로 공급하고, 상기 연료전지 스택(130)에서 배출된 수소를 수소 재순환라인(150)을 통해 재활용되도록 하는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 있어서,
공급되는 수소의 압축에너지를 통해 수소가 재순환될 수 있도록 하는 동시에 상기 연료전지 스택(130)의 출력에 따라 가변 유량을 갖는 재순환 수소를 통해 재순환 압력을 자동 제어할 수 있는 수소 재순환 터빈(10)이 수소 공급라인(140) 상에 장착된 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 수소 재순환 터빈(10)은 수소탱크(100)에서 공급되는 수소와, 재순환되어 연료전지 스택(130)에서 공급되는 수소를 통해 구동되도록 터빈 하우징 내에 각각 상부 및 하부 블레이드(11,12)가 동일축 선 상에 각각 장착되어 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템을 나타내는 다른 구현예이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템의 수소 재순환 터빈을 나타내는 개략적인 단면도이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템은 고압의 수소를 감압하여 연료전지 스택(130)에 공급하며, 이러한 과정에서 수소의 화학적인 에너지만이 연료전지에 의해 전기 에너지로 변환되고, 고압 형태의 수소의 압축에너지는 활용되지 못한 채 배출되는바, 이러한 수소의 압축에너지를 이용하여 수소를 재순환하도록 하는데 그 주안점이 있다.
이를 위해 본 발명은 연료전지 차량의 경우, 수소탱크(100)에 저장된 고압의 수소를 연료로 하며, 그 고압의 수소를 감압하여 수소 공급라인(140)을 통해 연료전지 스택(130)으로 공급하게 되며, 이때 수소 재순환라인(150)을 통해 상기 연료전지 스택(130)에서 배출된 수소를 바이패스 하도록 하는 수소 재순환 터빈을 회전시키게 된다.
즉, 연료전지 스택(130)에서 재순환된 수소의 압력 및 유량을 포함한 상태에서 이를 동력원으로 하여 수소 재순환 터빈(10)을 회전시키고, 그 수소 재순환 터빈(10)의 회전력을 통해 연료전지 스택(130)의 수소 재순환라인(150) 측으로 배출되는 수소가 다시 재순환될 수 있게 된다.
이때, 상기 연료전지 스택(130)의 출력에 따라 재순환되는 수소의 유량이 달라지게 되므로 상기 터빈(10)의 회전력이 가변되어 자동으로 압력을 제어하게 되므로 레귤레이터의 기능을 하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수소 재순환 터빈(10)이 고압 및 저압 레귤레이터(110,120) 후단에 장착되어 수소 공급라인(140)을 통해 연료전지 스택(130)에 공급되는 수소의 압력으로 수소 재순환 터빈(10)을 구동시키게 된다.
이러한 수소재순환 시스템에서, 상기 연료전지 스택(130)의 저출력 상태에서는 200 ~ 300 lpm(liter/min)을, 고출력 상태에서는 1000 lpm 이상의 수소를 소모하게 되며, 연료전지 스택(130)에서 소모되는 수소의 양만큼 그 연료전지 스택(130)으로 지속적으로 수소가 공급되면서 보충된다.
이때, 재순환하여 이용할 수소의 양도 연료전지 스택(130)의 출력과 비례하므로 공급되는 수소량과 재순환해야 하는 수소량이 비례한다고 할 수 있다.
즉, 상기 연료전지 스택(130)의 출력이 높은 경우, 공급되는 수소의 유량이 많아지므로 수소 재순환 터빈(10)의 속도가 빨라지게 되어 자연스럽게 재순환되는 수소량이 많아지게 되며, 연료전지 스택(130)의 출력이 낮은 경우, 공급되는 수소의 유량이 적어지므로 수소 재순환 터빈(10)의 속도가 늦어져 재순환되는 수소량이 적어지게 된다.
따라서, 상기 연료전지 스택(130)의 부하의 변동에 따라 자동으로 수소 재순환유량이 제어되며, 이로 인하여 수소 재순환 터빈(10)은 자동으로 압력을 가압 또는 감압시키는 제어를 하게 되는 레귤레이터의 기능을 갖게 되는 것이다.
이와 같이 상기 수소 재순환 터빈(10)이 레귤레이터 성능을 갖게 됨에 따라 수소탱크(100)에서 연료전지 스택(130)까지 수소공급라인(140)이 길어지게 될 경우, 압력 강하 현상이 발생 되는바, 본 발명에 따른 수소 재순환 터빈(10)이 장착 상태에서, 연료전지 스택(130)에서 고출력 구동시 상기와 같은 압력 강하에 대한 문제 발생을 해소하게 된다.
또한, 상기 수소 재순환 터빈(10)의 전,후단에 위치하는 고압 및 저압 레귤레이터(110,120)의 압력 제어 범위를 작게 가져갈 수 있어 상기 고압 및 저압 레귤레이터(110,120)의 설계 및 제작이 용이하게 된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 수소 재순환 터빈(10)을 고압 및 저압 레귤레이터(110,120) 사이에 위치시켜 고압의 수소를 통해 상기 수소 재순환 터빈(10)이 회전되도록 한 것으로서, 수소의 재순환 능력이 더욱 향상될 수 있게 된다.
도 3은 상기 수소 재순환 터빈(10)을 나타내는 도면으로서, 한 쌍의 블레이드(11,12)가 동일축 선 상에 위치하되, 상부 블레이드(11)로는 수소탱크(100)의 수소가 공급되고, 하부 블레이드(12)로는 재순환된 수소가 공급되도록 되어 있다.
이에, 상기 연료전지 스택(130)의 출력에 따른 재순환 수소의 공급 유량을 통해 전체적인 수소 재순환 터빈(10)의 구동력이 파악 가능하며, 동시에 상기 수소 재순환 터빈(10)의 토출 압력을 알 수 있게 된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
1) 공급되는 압축 수소를 동력원으로 하여, 수소를 재순환함으로써, 기존 재순환 블로워 또는 이젝터 시스템을 대체할 수 있다.
2) 수소 재순환을 위하여 외부로부터 추가 동력원이 필요하지 않다.
3) 연료전지 스택의 부하에 따라 자동으로 재순환 유량이 조절된다.
4) 압력 제어기능을 가져 스택에서 고유량 요구시 압력 강하 문제가 발생하지 않도록 한다.
5) 고압/저압 레귤레이터의 압력 제어 범위를 줄여 주게 되어 레귤레이터 설계를 용이하게 실시할 수 있다.

Claims (2)

  1. 수소탱크(100)에 저장된 수소를 레귤레이터(110,120)를 통해 감압하여 연료전지 스택(130)으로 공급하고, 상기 연료전지 스택(130)에서 배출된 수소를 수소 재순환라인(150)을 통해 재활용되도록 하는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템에 있어서,
    공급되는 수소의 압축에너지를 통해 수소가 재순환될 수 있도록 하는 동시에 상기 연료전지 스택(130)의 출력에 따라 가변 유량을 갖는 재순환 수소를 통해 재순환 압력을 자동 제어할 수 있는 수소 재순환 터빈(10)이 수소 공급라인(140) 상에 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 재순환 터빈(10)은 수소탱크(100)에서 공급되는 수소와, 재순환되어 연료전지 스택(130)에서 공급되는 수소를 통해 구동되도록 터빈 하우징 내에 각각 상부 및 하부 블레이드(11,12)가 동일축 선 상에 각각 장착되어 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소재순환 시스템.
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