KR100838177B1 - Hydrogen fuelcell railway car - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소연료전지 철도차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화석 연료의 사용에 따른 CO2의 발생을 방지하거나 전력 공급을 위한 별도의 설비를 필요로 하지 않도록, 수소의 이온화 반응을 이용한 연료 전지 스택이 장착된 수소연료전지 철도차량에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen fuel cell railway vehicle, and more particularly to a fuel cell using an ionization reaction of hydrogen so as to prevent generation of CO 2 caused by the use of fossil fuels or to require a separate facility for power supply. A stack-mounted hydrogen fuel cell railway vehicle.

이를 위해, 본 발명에 따른 수소연료전지 철도차량은, 사람 또는 화물을 실을 수 있는 차체와, 상기 차체를 이동시킬 수 있도록 구동모터를 구비한 대차부와, 상기 구동모터에 전력을 공급하기 위한 수소연료전지스택과, 상기 연료전지스택의 양극(anode)에 수소를 공급하기 위한 수소 공급부와, 상기 연료전지스택의 음극(cathode)에 산소를 공급하기 위한 산소 공급부, 및 상기 수소연료전지스택의 이온화 반응시 발생되는 열 및 물을 관리하기 위한 열·물 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 에너지 효율을 증가시킬 수 있도록 감속 주행시에는 발생된 회생 에너지를 저장하고 가속 주행시에는 상기 구동모터의 전원으로써 회생 에너지를 공급할 수 있는 회생 에너지 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, the hydrogen fuel cell railway vehicle according to the present invention, a vehicle body that can carry people or cargo, a bogie unit having a drive motor to move the vehicle body, and for supplying power to the drive motor A hydrogen fuel cell stack, a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the anode of the fuel cell stack, an oxygen supply unit for supplying oxygen to the cathode of the fuel cell stack, and the hydrogen fuel cell stack And a heat and water management unit for managing heat and water generated during the ionization reaction. The regenerative energy storage unit may further include a regenerative energy storage unit configured to store regenerative energy generated during deceleration driving and to supply regenerative energy as a power source of the driving motor during acceleration driving so as to increase energy efficiency.

철도차량, 수소연료전지, 회생에너지 축전부, 수소 공급부, 산소 공급부 Railway vehicles, hydrogen fuel cell, regenerative energy storage unit, hydrogen supply unit, oxygen supply unit

Description

수소연료전지 철도차량{Hydrogen fuelcell railway car}Hydrogen fuel cell railway car

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이다.1 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량의 수소연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram for explaining a hydrogen fuel cell system of a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량의 전원 공급부를 설명하기 위한 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a power supply unit of a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이다.4 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이다.5 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention.

<발명의 중요부분에 대한 부호의 설명><Explanation of marks on important parts of the invention>

100, 200, 300: 철도차량 110, 210, 310: 차체100, 200, 300: railroad cars 110, 210, 310: car body

120, 220, 320: 대차부 130, 230, 330: 수소연료전지스택120, 220, 320: Balance parts 130, 230, 330: Hydrogen fuel cell stack

140, 240, 340: 수소 공급부 150, 250, 350: 산소 공급부140, 240, 340: hydrogen supply unit 150, 250, 350: oxygen supply unit

160, 260, 360: 회생 에너지 축전부 170, 270, 370: 열·물 관리부160, 260, 360: regenerative energy storage unit 170, 270, 370: heat and water management unit

143: 리싸이클 밸브 135: 충전 제어부143: recycle valve 135: charge control unit

본 발명은 화석 연료의 사용에 따른 CO2의 발생을 방지하거나 전력 공급을 위한 별도의 설비를 필요로 하지 않도록 수소의 이온화 반응을 이용한 연료 전지 스택이 장착된 수소연료전지 철도차량에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen fuel cell railway vehicle equipped with a fuel cell stack using an ionization reaction of hydrogen so as to prevent the generation of CO 2 according to the use of fossil fuel or to require a separate facility for power supply.

일반적으로, 교통기관은 운반용구와 당해 운반용구를 이동시킬 동력(動力) 및 통로가 있어야 하며, 이러한 운반구 ·동력 ·통로를 합쳐서 교통기관의 3요소라 한다. In general, a transportation body must have a transportation device and a power and a path for moving the transportation device, and these transportation devices, power, and passages are collectively referred to as three elements of the transportation system.

다양한 교통기관 중, 철도는 육상에서의 대표적인 교통수단으로서, 다른 교통기관과 근본적인 요소는 같으나 레일을 이탈해서는 안되는 특수한 차량이라는 점과 그 동력원이 다르다는 점에서 큰 차이를 갖는다.Among the various transportation systems, railway is a representative means of transportation on land, and it is a special vehicle that has the same fundamental elements as other transportation systems but must not leave the rails, and has a big difference in that its power source is different.

이러한 철도에는 전기를 동력으로 하여 열차나 차량을 운행하는 비교적 수송규모가 큰 전기철도와, 전기철도에 비해 비교적 수송규모가 작은 중저속 대중 교통 수단인 경량전철과, 디젤기관의 스파크 점화에 의해 구동력을 발생시키는 도시 통근형 동차, 및 철로 건설현장 혹은 선로 보수 등에 사용되는 보수차량 등이 있다.These railways are driven by electric power, which are relatively large transportation scales that operate trains or vehicles, and light rail, which is a medium- and low-speed public means of transportation, which are relatively smaller in scale than electric railways, and spark ignition by diesel engines. Urban commuter-driven cars that generate power, and repair vehicles used for railway construction sites or track repairs.

그러나, 이상과 같은 철도 차량들은, 그 동력원으로 전력 혹은 화석 연료를 사용함에 따라 차량운행을 위한 각종 설비를 필요로 하거나, 환경오염을 유발시킨다는 문제점이 있었다.However, as described above, the railroad cars require various facilities for driving the vehicle or cause environmental pollution by using electric power or fossil fuel as its power source.

즉, 전기를 그 동력원으로 하는 전기철도차량은 막대한 양의 전력을 공급하기 위해서 발전소로부터 송전된 특고압을 당해 차량에 공급하기 위한 변전설비, 집전설비 등과 같은 전기공급 시스템 및 각종 구조설비들을 필요로 하고, 화석연료를 사용하는 보수차량 등은 유한 자원인 화석연료의 고갈 및 그 화석연료의 사용에 따른 CO2가스 등의 배출로 인한 환경오염이 발생한다는 문제점이 있었다.That is, an electric railway vehicle using electricity as its power source requires electric supply systems such as substation facilities and current collection facilities and various structural facilities for supplying the vehicle with a special high voltage transmitted from a power plant in order to supply a huge amount of power. In addition, maintenance vehicles using fossil fuels have a problem in that environmental pollution occurs due to depletion of fossil fuels, which are finite resources, and emissions of CO 2 gas due to use of the fossil fuels.

이에, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점을 해결하여, 고압의 전력을 공급하기 위한 각종 전력공급설비들을 필요로 하지 않거나 화석 연료를 사용하지 않고도 차량의 운행이 가능하도록 수소연료전지를 그 동력원으로 사용하는 수소연료전지 철도차량을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention solves the problems described above, by using a hydrogen fuel cell as a power source to enable the operation of the vehicle without the need of various power supply facilities for supplying high-voltage power or using fossil fuels. To provide a hydrogen fuel cell railway vehicle.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량은 사람 또는 화물을 실을 수 있는 차체와, 상기 차체를 이동시킬 수 있도록 구동모터를 구비한 대차부와, 상기 구동모터에 전력을 공급하기 위한 수소연료전지스택과, 상기 연료전지스택의 양극(anode)에 수소를 공급하기 위한 수소 공급부와, 상기 연료전지스택의 음극(cathode)에 산소를 공급하기 위한 산소 공급부, 및 상기 수소연료전지스택의 이온화 반응시 발생되는 열 및 물을 관리하기 위한 열·물 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, the hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention is a vehicle body that can carry people or cargo, a bogie unit having a drive motor to move the vehicle body, and power to the drive motor A hydrogen fuel cell stack for supplying, a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to an anode of the fuel cell stack, an oxygen supply unit for supplying oxygen to a cathode of the fuel cell stack, and the hydrogen fuel And a heat and water management unit for managing heat and water generated during the ionization reaction of the battery stack.

이때, 상기 수소 공급부는 안전을 위하여 상기 차체의 상부에 장착되는 것이 바람직하다.In this case, the hydrogen supply unit is preferably mounted on the upper portion of the vehicle body for safety.

또한, 상기 수소 공급부는 상기 연료전지스택에서 반응하고 남은 수소를 재사용 할 수 있도록 수소재순환장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the hydrogen supply unit preferably further includes a hydrogen recycle device to reuse the remaining hydrogen reacted in the fuel cell stack.

또한, 상기 구동모터의 부하특성에 따라 변동되는 상기 수소연료전지스택의 전압을 조정할 수 있도록, 상기 수소연료전지스택의 출력단에 전압조정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a voltage adjusting unit at an output terminal of the hydrogen fuel cell stack so as to adjust a voltage of the hydrogen fuel cell stack which is changed according to the load characteristic of the driving motor.

또한, 철도차량의 편성에 따라 출력을 변화시킬 수 있도록 복수개의 수소연료전지스택을 구비하고, 상기 복수개의 수소연료전지스택이 수납될 수 있는 전지수납부를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to include a battery storage unit having a plurality of hydrogen fuel cell stacks so as to change the output according to the combination of the railway vehicle, the plurality of hydrogen fuel cell stacks can be stored.

또한, 상기 차체에는, 감속 주행시 발생되는 회생 에너지를 저장할 수 있도록, 회생 에너지 축전부를 더 포함하며, 상기 회생 에너지 축전부는 가속 주행시 상기 구동모터에 전원을 공급할 수 있도록 상기 구동모터에 전기적으로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 회생 에너지 축전부는 리튬 폴리머 전지, 고압 축전지, 또는 슈퍼 콘덴서 중 어느 하나 이상인 것이 더욱 바람직하다.The vehicle body may further include a regenerative energy storage unit so as to store regenerative energy generated during deceleration driving, and the regenerative energy storage unit is electrically connected to the driving motor to supply power to the drive motor during acceleration driving. It is preferable. Here, the regenerative energy storage unit is more preferably any one or more of a lithium polymer battery, a high pressure storage battery, or a super capacitor.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수소연료전지 철도차량에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings to be described in detail with respect to the hydrogen fuel cell railway vehicle according to the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이다. 단, 도 1에서는 1량의 전기 철도차량을 일 예로 하였다.1 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention. However, in FIG. 1, one electric railway vehicle is taken as an example.

도 1에 도시된 바와 같이, 전기 철도차량(100)은 차량의 차체(110)와, 구동모터를 구비한 대차부(120)와, 수소연료전지스택(130)과, 수소 공급부(140), 산소 공급부(150)와, 회생 에너지 축전부(160)와, 열·물 관리부(170), 및 추진 제어부(180) 등을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1, the electric railway vehicle 100 includes a vehicle body 110 of a vehicle, a bogie unit 120 including a driving motor, a hydrogen fuel cell stack 130, a hydrogen supply unit 140, The oxygen supply unit 150, the regenerative energy storage unit 160, the heat and water management unit 170, the propulsion control unit 180, and the like are configured.

차체(110)는 소정 공간을 형성하여 사람 또는 화물 등을 실을 수 있도록 하기 위한 것으로, 일반적으로는 강철재로 구성되나 최근에는 특수합금재도 사용되고 있으며, 전체적인 차량의 편성을 도시하지는 않았지만 일반적으로 차량을 구성하는 차체(110)들이 복수개로 연결 및 편성된다.The vehicle body 110 is for forming a predetermined space so that people or cargoes can be loaded. The vehicle body 110 is generally made of steel, but recently, special alloy materials are also used. A plurality of constituent vehicle bodies 110 are connected and organized.

대차부(120)는 레일(미도시)을 따라 차체(110)를 이동시킬 수 있도록 하기 위한 것으로 후술할 구동 모터(120a)로부터 동력을 전달받아 차량을 이동시킬 수 있도록 구성된다.The cart 120 is configured to move the vehicle body 110 along a rail (not shown) and is configured to move the vehicle by receiving power from the driving motor 120a to be described later.

수소연료전지스택(130)은 상기 구동 모터(120a)에 전력을 공급할 수 있도록 하기 위한 것으로, 일정 수준 이상의 전압 및 전류 생산량을 얻기 위해 연료전지들이 한 무리로 뭉쳐서 배열된 것이다. Hydrogen fuel cell stack 130 is for supplying power to the drive motor (120a), the fuel cells are arranged in a group in order to obtain a voltage and current output of a predetermined level or more.

이러한 수소연료전지스택(130)은 바람직하게는 전력 전송 손실을 최소화 할 수 있도록 상기 차체(110)의 하측부에 장착되며, 철도차량(100)의 편성에 따라 변화되는 출력에 대응할 수 있도록 복수개 구비된다. 또한, 구비된 복수개의 수소연료전지스택(130)을 철도차량(100)의 편성에 따라 적응적으로 수납할 수 있는 연료전지수납부(미도시)를 포함한다.The hydrogen fuel cell stack 130 is preferably mounted on the lower side of the vehicle body 110 so as to minimize power transmission loss, and is provided with a plurality of outputs to cope with the output that changes according to the organization of the railway vehicle 100. do. In addition, the plurality of hydrogen fuel cell stack 130 provided includes a fuel cell storage unit (not shown) that can be adaptively accommodated according to the organization of the railway vehicle (100).

예를 들어, 동력분산방식의 철도차량(100)에 있어서, 2량이 1편성으로 구성된 경량전철급 철도차량(100)을 구동시키기 위한 3상 농형 유도 전동기는 그 출력이 1 대당 100KW 이상이어야 하고, 4량 1편성의 경우에는 그 전체 출력이 880KW 이 상이어야 하며, 6량 1편성의 경우에는 1320KW 이상이어야 한다. 따라서, 철도차량(100)의 편성에 대응하여 수소연료전지스택(130)으로부터의 출력 역시 변화시키기 위해서는 복수개의 수소연료전지스택(130)을 구비하고 이러한 복수개의 수소연료전지스택(130)이 수납될 수 있는 전지수납부(미도시)를 구비하여야 한다.For example, in the power-distributed railway vehicle 100, the three-phase squirrel cage induction motor for driving the light rail train vehicle 100 consisting of two pieces in one piece should be 100KW or more per vehicle, In the case of 4-car single formation, the total output should be over 880KW, and in the case of 6-car single formation, it should be over 1320KW. Accordingly, in order to change the output from the hydrogen fuel cell stack 130 in response to the formation of the railroad vehicle 100, a plurality of hydrogen fuel cell stacks 130 are provided and the plurality of hydrogen fuel cell stacks 130 are accommodated. A battery compartment (not shown) may be provided.

수소 공급부(140)는 수소저장탱크(141) 및 압력조절부(도 2의 142)를 포함하며, 전해질에 의해 두 개의 전극으로 분리된 수소연료전지스택(130)의 양극(anode)에 수소를 공급하기 위한 것이다. 수소연료전지스택(130)에 공급되는 수소는 기체수소 또는 액체수소이며, 도시하지는 않았지만 기체수소인 경우에는 상기 수소저장탱크(141) 대신에 기체실린더나 수소저장합금에 저장될 수 있으며, 액체수소인 경우에는 액체실린더에 저장될 수 있다. The hydrogen supply unit 140 includes a hydrogen storage tank 141 and a pressure control unit (142 of FIG. 2), and supplies hydrogen to an anode of the hydrogen fuel cell stack 130 separated by two electrodes by an electrolyte. It is to supply. Hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell stack 130 is gaseous hydrogen or liquid hydrogen, and although not shown, in the case of gaseous hydrogen, the hydrogen may be stored in a gas cylinder or a hydrogen storage alloy instead of the hydrogen storage tank 141, and the liquid hydrogen May be stored in the liquid cylinder.

수소저장탱크(141)는 철도차량(100)의 차체(110) 상측부에 장착되어 주행 또는 정지 중 외부로부터의 충격에 대비할 수 있도록 하는 것이 바람직한데, 이는, 철도의 궤조에는 침목(枕木)이 받는 무게를 노반(路盤)에 분산시키거나 레일의 신축으로 인해 침목이 이동되는 것을 방지하여 승차감을 좋게 하기 위하여 자갈 등을 까는 도상(道床)작업이 이루어지므로, 주행시 바닥에 깔린 자갈이 튀어 상기 수소저장 탱크(141)에 충격이 가해지는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.The hydrogen storage tank 141 is preferably mounted on the upper portion of the vehicle body 110 of the railroad vehicle 100 to be prepared for impact from the outside during driving or stopping, which is a sleeper in the railroad track of the railroad. In order to prevent the sleepers from moving due to the stretching of the roadbed or the expansion and contraction of the rails, and to make the ride more comfortable, the work is carried out to cover the gravel, so that the gravel on the floor is splashed when driving. This is because a problem such as an impact applied to the storage tank 141 may occur.

산소 공급부(150)는 수소연료전지스택(130)의 음극(cathode)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 후술할 컴프레서(compressor)를 통해 유입된 공기가 에어 클리너(152)에 의해 여과된 후 당해 산소가 수소연료전지스택(130)에 공급될 수 있도록 구성되며, 이때 구동을 위해서 21%의 산소를 포함하는 일상적인 공기가 직접 사용 될 수 있으므로 별도의 산소 분류수단은 필요로 하지 않는다.Oxygen supply unit 150 is for supplying oxygen to the cathode (cathode) of the hydrogen fuel cell stack 130, the air introduced through the compressor (compressor) to be described later the oxygen after filtered by the air cleaner 152 Is configured to be able to be supplied to the hydrogen fuel cell stack 130, at this time does not require a separate oxygen sorting means because the daily air containing 21% oxygen can be used directly for driving.

회생 에너지 축전부(160)는 철도차량(100)의 감속시 발생하는 회생 에너지를 저장할 수 있도록 하기 위한 것이다. 즉, 철도 차량(100)을 가속시킬 때에는 단순히 서보 드라이버를 제어하여 구동력을 증가시키도록 하면 되는 것에 비해, 감속시킬 때에는 운행중인 대차(130)의 관성에 의해 차륜이 구동 모터(120a)를 회전시키게 되고 이때 구동모터(120a)에서 발생하는 에너지가 거꾸로 서보 드라이버로 들어오게 되어 부하가 많이 걸리게 되는 것을 방지하기 위해 회생 에너지 축전부(160)를 더 구비하는 것이 바람직하다.The regenerative energy storage unit 160 is for storing the regenerative energy generated when the railroad vehicle 100 decelerates. In other words, when the railroad vehicle 100 is accelerated, the wheel may be rotated by the inertia of the bogie 130 in operation when decelerating by simply controlling the servo driver to increase the driving force. In this case, it is preferable to further include a regenerative energy storage unit 160 in order to prevent the energy generated by the driving motor 120a from entering the servo driver upside down and taking a lot of load.

회생 에너지 축전부(160)는 안정성이 높고 에너지 효율이 좋은 2차 전지인 리튬 폴리머(Li-Polymer) 전지, 고압 축전지, 또는 슈퍼 콘덴서 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 나아가 리튬 폴리머(Li-Polymer) 전지, 고압 축전지, 또는 슈퍼 콘덴서 중 어느 하나 이상의 조합에 의해서도 구성될 수 있다.The regenerative energy storage unit 160 may be any one of a lithium polymer (Li-Polymer) battery, a high-pressure storage battery, or a super capacitor, which is a secondary battery having high stability and energy efficiency, and furthermore, a lithium polymer (Li-Polymer). It can also be configured by a combination of any one or more of a battery, a high voltage storage battery, or a super capacitor.

이와 같이 회생 에너지 축전부(160)를 구비하면 별도의 회생 저항기를 사용하여 회생 에너지를 강제로 소비할 필요성이 없어짐은 물론, 가속시 회생 에너지 축전부(160)에 저장된 에너지를 사용할 수 있게 되어, 수소연료전지스택(130)의 용량을 감소시킬 수 있게 된다.As such, when the regenerative energy storage unit 160 is provided, the necessity of forcibly consuming the regenerative energy using a separate regenerative resistor is eliminated, and the energy stored in the regenerative energy storage unit 160 can be used during acceleration. The capacity of the hydrogen fuel cell stack 130 may be reduced.

열·물 관리부(170)는 전자를 발생시키기 위해 수소연료전지스택(130)에 공급된 수소가 산화수소와 결합되면서 발생되는 물을 저장하거나 재사용할 수 있도록 함은 물론, 전지가 과열되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이에 대한 좀 더 상세한 설명은 후술하도록 한다.The heat and water management unit 170 may store or reuse water generated when hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell stack 130 is combined with hydrogen oxide to generate electrons, and prevent the battery from overheating. It is to make it possible. A more detailed description thereof will be described later.

추진 제어부(thruster control system, 180)는 구동 모터(120a)의 회전수와 가/감속을 조절하여 열차가 알맞은 속도로 운행될 수 있도록 하기 위한 것으로, 교류 전류의 위상(혹은, 주파수)을 제어하기 위한 소정의 반도체 소자 등으로 구성되어 있다.The thruster control system 180 adjusts the rotation speed and acceleration / deceleration of the driving motor 120a to allow the train to run at an appropriate speed. The thruster control system 180 controls the phase (or frequency) of the AC current. It is composed of a predetermined semiconductor element and the like.

이상과 같이 수소연료전지스택(130)과, 수소 공급부(140), 및 산소 공급부(150) 등을 포함하여 동력을 발생시키는 수소연료전지 시스템은 다음의 도 2를 참조하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다. 단, 이하에서는 가급적 중복적인 설명은 생략하도록 한다.As described above, the hydrogen fuel cell system generating power including the hydrogen fuel cell stack 130, the hydrogen supply unit 140, the oxygen supply unit 150, and the like will be described in more detail with reference to FIG. 2. . However, hereinafter, redundant description will be omitted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량의 수소연료전지 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram for explaining a hydrogen fuel cell system of a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 수소연료전지 시스템은 수소연료전지스택(130)과, 수소 공급부(140)와, 산소 공급부(150), 및 열·물 관리부(170)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 2, the hydrogen fuel cell system includes a hydrogen fuel cell stack 130, a hydrogen supply unit 140, an oxygen supply unit 150, and a heat and water management unit 170.

이러한 구성에 있어서, 수소 공급부(140)는 수소 저장탱크(141) 및 압력 조절부(142)를 구비하며, 상기 차체(110) 상측부에 장착된 수소저장탱크(141)와 차체(110) 하측부에 장착된 수소연료전지스택(130)의 양극(anode)측이 수소 공급관(미도시)에 의해 서로 연결된다. 따라서, 수소저장탱크(141)에 저장되어 있는 수소기체가 압력 조절부(142)에 의해 조절된 압력으로 수소연료전지스택(130)이 양극으로 공급된다.In this configuration, the hydrogen supply unit 140 includes a hydrogen storage tank 141 and a pressure control unit 142, the hydrogen storage tank 141 and the lower body 110 mounted to the upper portion of the vehicle body 110. An anode side of the hydrogen fuel cell stack 130 mounted on the side part is connected to each other by a hydrogen supply pipe (not shown). Therefore, the hydrogen gas stored in the hydrogen storage tank 141 is supplied to the hydrogen fuel cell stack 130 at the pressure controlled by the pressure regulator 142 to the anode.

이때, 수소연료전지스택(130)은 수소 재순환장치로써 리싸이클 밸브(recycle valve, 143)를 구비하고 있어, 반응에 참여하지 않은 수소를 재사용할 수 있도록 한다.At this time, the hydrogen fuel cell stack 130 is provided with a recycle valve (143) as a hydrogen recycle device, it is possible to reuse the hydrogen does not participate in the reaction.

한편, 차체(110) 하측에 장착된 콤프레서(151)를 통해 유입된 공기는 에어 클리너(152)에 의해 각종 이물질이 제거된 상태에서 수소연료전지스택(130)의 음극에 공급된다.On the other hand, the air introduced through the compressor 151 mounted below the vehicle body 110 is supplied to the cathode of the hydrogen fuel cell stack 130 in a state where various foreign matters are removed by the air cleaner 152.

이때, 물탱크(171) 및 라디에이터(172) 등을 구비한 열·물 관리부(170)는 수소가 산화수소와 이온화되면서 발생되는 산물인 물을 물탱크(171)에 저장할 수 있도록 하고 아울러, 수소연료전지 셀(cell)의 이온 교환 막을 일정 수준까지 유지할 수 있도록 가습화할 수 있도록 물탱크(171)로부터 수분을 공급한다. 또한, 산소와 수소를 혼합하는 화학반응시의 발산되는 열을 수소연료전지스택(130)으로부터 제거하기 위해 라디에이터(172)를 동작시킨다.At this time, the heat and water management unit 170 provided with the water tank 171 and the radiator 172 to store the water in the water tank 171 which is a product generated when the hydrogen is ionized with hydrogen oxide, Water is supplied from the water tank 171 to humidify the ion exchange membrane of the fuel cell to maintain a predetermined level. In addition, the radiator 172 is operated to remove heat generated during the chemical reaction of mixing oxygen and hydrogen from the hydrogen fuel cell stack 130.

이상과 같은 수소연료전지스택(130) 시스템 자체는 이미 공지된 기술이므로 그에 관한 좀 더 상세한 설명은 생략하도록 한다.Since the hydrogen fuel cell stack 130 system itself is already known technology, a more detailed description thereof will be omitted.

이하, 전술한 수소연료전지스택에 의하여 전원이 공급되는 구성에 대해 살펴보도록 한다.Hereinafter, a configuration in which power is supplied by the aforementioned hydrogen fuel cell stack will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량의 전원 공급부를 설명하기 위한 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a power supply unit of a hydrogen fuel cell railway vehicle according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 수소연료전지스택(130)으로부터 발생된 전원은 DC/DC 컨버터(132)를 통해 소정 레벨의 전원으로 변환된 후, 변환된 DC 전원은 구동 모터(120a)를 구동시킬 수 있도록 인버터(134)를 통해 소정의 동작 주파수를 갖는 AC 전원으로 변환된다. 따라서, 인버터로부터 전원을 공급받은 구동 모터(120a)가 상기 동작 주파수에 동기하여 구동되고 나아가 대차(120)에 설치된 구동모터(120a)를 회전시키게 된다.As shown, after the power generated from the hydrogen fuel cell stack 130 is converted into a predetermined level of power through the DC / DC converter 132, the converted DC power to drive the driving motor 120a. The inverter 134 converts the power to AC power having a predetermined operating frequency. Therefore, the drive motor 120a supplied with power from the inverter is driven in synchronization with the operating frequency and further rotates the drive motor 120a installed in the trolley 120.

이때, 저전압·고전류의 특성과 부하에 따라 전압이 크게 변동하는 특성을 갖는 수소연료전지는 기존의 DC/DC컨버터(132)나 범용 인버터(134)만으로는 전력전달 효율을 만족시킬 수 없다는 문제점을 해결할 수 있도록, 수소연료전지스택(130)의 출력단에 전압조정부(131)를 더 포함하는 것이 바람직하다.At this time, the hydrogen fuel cell having a characteristic that the voltage varies greatly depending on the characteristics of the low voltage, high current and the load solves the problem that power transmission efficiency cannot be satisfied only by the existing DC / DC converter 132 or the general-purpose inverter 134. In order to be able to do this, it is preferable to further include a voltage adjusting unit 131 at the output terminal of the hydrogen fuel cell stack 130.

또한, 전술한 바와 같이 철도 차량(100)을 감속시킬 때 발생하는 회생 에너지를 저장하기 위한 회생 에너지 축전부(160)를 더 구비하여 별도의 회생 저항기를 사용하여 회생 에너지를 강제로 소비할 필요성이 없어짐은 물론, 가속시 회생 에너지 축전부(160)에 저장된 에너지를 사용할 수 있게 되어, 수소연료전지스택(130)의 용량을 감소시킬 수 있도록 한다.In addition, as described above, a regenerative energy storage unit 160 is further provided for storing regenerative energy generated when the railroad vehicle 100 is decelerated, thereby necessitating the forced consumption of regenerative energy using a separate regenerative resistor. Of course, it is possible to use the energy stored in the regenerative energy storage unit 160 during acceleration, thereby reducing the capacity of the hydrogen fuel cell stack 130.

즉, 철도차량(100)의 가속시에는 수소연료전지스택(130)으로부터 출력되는 DC 전원과 회생 에너지 축전부(160)로부터 출력되는 DC 전원이 컨택터 박스(contactor box, 133)를 통해 더해지고, 이 전원이 인버터(134)에 의해 교류로 전환되어 구동 모터(120a)를 구동시킬 수 있도록 하여 회생 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.That is, when the railroad vehicle 100 is accelerated, DC power output from the hydrogen fuel cell stack 130 and DC power output from the regenerative energy storage unit 160 are added through a contactor box 133. In addition, the power source is converted into an alternating current by the inverter 134 to drive the driving motor 120a so that the regenerative energy can be efficiently used.

한편, 수소연료전지스택(130) 또는 회생 에너지 축전부(160)는 상술한 바와 같이 구동 모터(120a)를 구동시키는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 시스템(190)의 동작 제어를 위한 전원공급장치로도 사용될 수 있는데, 도 3에서는 일 예로 회생 에너지 축전부(160)로부터 입력받은 DC 전원을 DC/DC 컨버터(161)에 의해 DC 시스템(190)에서 필요로 하는 전원 레벨로 변환할 수 있도록 구성하여 시스템 전원공급장치로 사용됨을 예시하였다.Meanwhile, the hydrogen fuel cell stack 130 or the regenerative energy storage unit 160 may not only be used to drive the driving motor 120a as described above, but also may be used as a power supply for controlling the operation of the system 190. In FIG. 3, for example, the system power is configured to convert the DC power input from the regenerative energy storage unit 160 to the power level required by the DC system 190 by the DC / DC converter 161. Illustrated for use as a feeder.

충전 제어부(135)는 수소연료전지스택(130) 혹은 회생 에너지 축전부(160)의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있도록 당해 수소연료전지스택(130) 혹은 회생 에너지 축전부(160)를 감시 및 제어하기 위한 것으로, 충전 제어부(135)는 이미 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.The charging control unit 135 monitors the hydrogen fuel cell stack 130 or the regenerative energy storage unit 160 to prevent overcharging or overdischarge of the hydrogen fuel cell stack 130 or the regenerative energy storage unit 160. In order to control, since the charging control unit 135 is a known technique, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량에 대해 설명하도록 한다. 단, 이하에서는 가급적 중복 부분에 대한 설명을 생략하도록 한다.Hereinafter, a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention will be described. However, hereinafter, description of duplicate parts will be omitted.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이며, 도 4는 2량의 경량전철을 예시한 것이다.Figure 4 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention, Figure 4 illustrates two light rails.

도시된 바와 같이, 동력분산방식의 경량전철(200)은 동력원이 있는 객차인 M(Motor)차와 동력원이 없는 객차인 T(Trailer)차로 구분되며, M차의 차체(210a)와, T차의 차체(210b)와, 구동모터를 구비한 대차부(220)와, 수소연료전지스택(230)과, 수소 공급부(240), 및 산소 공급부(250) 등을 포함하여 구성된다.As shown in the figure, the light-weight train 200 of the power distribution type is divided into a M (Motor) car, which is a passenger car with a power source, and a T (Trailer) car, which is a passenger car without a power source, and the vehicle body 210a of the M car and a T car. And a vehicle body 210b, a trolley portion 220 including a driving motor, a hydrogen fuel cell stack 230, a hydrogen supply portion 240, an oxygen supply portion 250, and the like.

여기서, M차의 차체(210a) 및 T차의 차체(210b)는 소정 공간을 형성하여, 사람 또는 화물 등을 실을 수 있도록 하기 위한 것이며, 대차부(220)는 레일을 따라 차체를 이동시킬 수 있도록 하기 위한 주행장치부로써 구동 모터(도 1의 120a 참조)로부터 동력을 전달받는다.Here, the vehicle body 210a of the vehicle M and the vehicle body 210b of the vehicle T are for forming a predetermined space so that people or cargoes can be loaded, and the vehicle unit 220 moves the vehicle body along the rail. Power is transmitted from the drive motor (see 120a in FIG. 1) as a traveling unit to enable the.

수소연료전지스택(230)은, 상술한 구동 모터에 전력을 공급할 수 있도록 하 기 위한 것으로, 도 4의 실시예에서는 수소연료전지스택(230)이 T차의 차체(210b) 하측부에 장착되도록 구성하였다.The hydrogen fuel cell stack 230 is for supplying electric power to the above-described driving motor. In the embodiment of FIG. 4, the hydrogen fuel cell stack 230 is mounted on the lower portion of the vehicle body 210b of the vehicle. Configured.

수소저장탱크를 구비한 수소 공급부(240)는 수소연료전지스택(230)의 양극에 수소를 공급하기 위한 것으로, 수소 공급부는 M차와 T차의 차체(210a, 210b) 상측에 각각 설치되어 있으며, 각 수소 공급부(240) 중 어느 하나를 선택하여 수소연료전지스택(230)에 수소를 공급할 수 있도록 스위칭부(미도시)를 구비한다.The hydrogen supply unit 240 having a hydrogen storage tank is for supplying hydrogen to the anode of the hydrogen fuel cell stack 230. The hydrogen supply unit is installed above the car bodies 210a and 210b of the M and T cars, respectively. A switching unit (not shown) may be provided to select one of the hydrogen supply units 240 to supply hydrogen to the hydrogen fuel cell stack 230.

산소 공급부(250)는 수소연료전지스택(230)의 음극에 산소를 공급하기 위한 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 컴프레서(151)를 통해 유입된 공기가 에어 클리너(152)에 의해 여과된 후 공급될 수 있도록 구성되며, T차 차체(210b)의 하측부에 장착된다.Oxygen supply unit 250 is for supplying oxygen to the cathode of the hydrogen fuel cell stack 230, as shown in Figure 2 after the air introduced through the compressor 151 is filtered by the air cleaner 152 It is configured to be supplied, and is mounted on the lower side of the T vehicle body 210b.

이와 같이, 수소 공급부(240)를 M차의 차체(210a) 또는 T차의 차체(210b) 상측부에 장착함에 따라 수소 공급부(240)를 외부로부터의 충격으로부터 보호할 수 있게 된다. 그리고, 수소연료전지스택(230)과, 산소 공급부(250)와, 열·물 관리부(270), 및 회생 에너지 축전부(260)를 각각 M차와 T차 차체(210a, 210b)의 하측부에 서로 분리하여 장착함에 따라 설계유연성 및 중량분포를 균등하게 할 수 있게 된다.In this manner, the hydrogen supply unit 240 is mounted on the vehicle body 210a of the M vehicle or the upper portion of the vehicle body 210b of the T vehicle, thereby protecting the hydrogen supply unit 240 from an impact from the outside. The hydrogen fuel cell stack 230, the oxygen supply unit 250, the heat and water management unit 270, and the regenerative energy storage unit 260 are respectively lower portions of the M and T car bodies 210a and 210b. By separating them from each other, the design flexibility and weight distribution can be equalized.

이하, 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같은 수소연료전지 시스템 및 전원 공급부는 중복설명의 배제를 위해 생략하도록 한다.Hereinafter, the hydrogen fuel cell system and the power supply unit as described with reference to FIGS. 2 and 3 will be omitted for the purpose of eliminating duplication.

다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량에 대해 설명하도록 한다.Next, a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention will be described.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소연료전지 철도차량을 설명하기 위한 정면도이다. 이는, 철로 건설현장 혹은 선로의 보수(補修) 등에 사용되는 보수차량을 나타내는 것이다.5 is a front view for explaining a hydrogen fuel cell railway vehicle according to another embodiment of the present invention. This represents a repair vehicle used for a railway construction site or a track repair.

도시된 바와 같이, 보수차량(300)은 차체(310)와, 구동 모터를 구비한 대차부(320)와, 수소연료전지스택(330)과, 수소 공급부(340), 및 산소 공급부(350) 등을 포함하여 구성된다.As shown, the maintenance vehicle 300 includes a vehicle body 310, a trolley 320 including a driving motor, a hydrogen fuel cell stack 330, a hydrogen supply unit 340, and an oxygen supply unit 350. And the like.

차체(310)는 각종 연장 또는 보수장비를 수납할 수 있는 적재공간을 형성하며, 대차부(320)는 레일을 따라 차체를 이동시킬 수 있도록 하기 위해 구동 모터와 결합된다.The vehicle body 310 forms a loading space for accommodating various extension or repair equipment, and the trolley portion 320 is coupled with the driving motor to move the vehicle body along the rail.

수소연료전지스택(330)은, 상술한 구동 모터에 전력을 공급할 수 있도록 하기 위한 것으로, 수소연료전지스택(330)은 가급전 전력 전송 손실을 최소화 할 수 있도록 보수차량(300) 차체(310)의 하측부에 장착된다.The hydrogen fuel cell stack 330 is for supplying power to the above-described driving motor, and the hydrogen fuel cell stack 330 is a maintenance vehicle 300 and a body 310 to minimize power transmission loss. It is mounted on the lower side of the.

수소 공급부(340)는 수소연료전지스택(330)의 양극에 수소를 공급하기 위한 것으로, 상기 보수 차량 차체(310)의 일측 상부에 장착된다.The hydrogen supply unit 340 is for supplying hydrogen to the anode of the hydrogen fuel cell stack 330 and is mounted on an upper portion of one side of the maintenance vehicle body 310.

산소 공급부(350)는 수소연료전지스택(330)의 음극에 산소를 공급하기 위한 것으로, 컴프레서를 통해 유입된 공기가 에어 클리너에 의해 여과된 후 공급될 수 있도록 구성된다.The oxygen supply unit 350 is to supply oxygen to the cathode of the hydrogen fuel cell stack 330, and is configured such that air introduced through the compressor can be supplied after being filtered by an air cleaner.

이에 따르면, 종래에는 화석연료를 사용하였던 것에 비해 수소연료전지를 사용함에 따라 환경오염을 방지할 수 있게 된다.According to this, it is possible to prevent environmental pollution by using a hydrogen fuel cell as compared to the conventional fossil fuel.

이상에서 본 발명에 의한 수소연료전지 철도차량에 대해 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The hydrogen fuel cell railway vehicle according to the present invention has been described above. Such a technical configuration of the present invention will be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.

특히, 이상에서는 차에의 상측부에 외부로 부터 공급받은 액체 혹은 기체 수소를 저장하는 수소 저장부를 구비하여 직접 수소전지에 공급하는 구성을 일 예로 하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니고, 개질기(혹은, 수소발생장치)를 구비하는 구성 역시 가능함은 당업자 수준에서 자명할 것이다.Particularly, in the above description, a configuration in which a hydrogen storage unit for storing liquid or gaseous hydrogen supplied from the outside is provided on the upper side of the vehicle and directly supplied to the hydrogen battery has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that a configuration having a reformer (or hydrogen generator) is also possible.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the above-described embodiments are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the foregoing description, and the meanings of the claims and All changes or modifications derived from the scope and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

이상과 같은 본 발명의 수소연료전지 철도차량에 의하면, 철도차량을 수소연료전지스택으로부터 전원을 공급받아 구동시킴에 따라, 화석 연료의 사용에 따른 CO2의 발생을 방지하여 환경을 개선할 수 있게 된다. 또한, 전원 공급을 위한 별도의 설비를 필요로 하지 않게 되므로 설비 비용 및 설비 공간을 감소시킬 수 있게 된다.According to the hydrogen fuel cell railway vehicle of the present invention as described above, by driving the railway vehicle is supplied with power from the hydrogen fuel cell stack, it is possible to prevent the generation of CO 2 caused by the use of fossil fuel to improve the environment do. In addition, since it does not require a separate equipment for power supply, it is possible to reduce the equipment cost and equipment space.

Claims (8)

구동모터와 전기적으로 연결되어 가속주행시 구동모터에 전원을 공급하고, 감속 주행시 발생되는 회생 에너지를 저장할 수 있도록 회생 에너지 축전부가 구비된 차체와; A vehicle body electrically connected to the driving motor and configured to supply power to the driving motor during acceleration driving and to store regenerative energy generated during deceleration driving; 상기 차체의 상부에는 연료전지스택에서 반응하고 남은 수소를 재사용할 수 있도록 수소재순환장치가 설치되며;A hydrogen recycling apparatus is installed on the upper portion of the vehicle body to reuse the hydrogen remaining after reacting in the fuel cell stack; 상기 차체를 이동시킬 수 있도록 구동모터를 구비한 대차부와;A bogie unit having a drive motor to move the vehicle body; 상기 구동모터에 전력을 공급하고, 상기 구동모터의 부하특성에 따라 변동되는 전압을 조정할 수 있도록 출력단에 전압조정부가 구성되며, 철도차량의 편성에 따라 출력을 변화시킬 수 있도록 복수개로 전지수납부에 수납된 수소연료전지스택과;A voltage adjusting unit is configured at an output terminal to supply power to the driving motor and to adjust a voltage which varies according to the load characteristics of the driving motor, and a plurality of battery storage units to change the output according to the combination of the railway vehicle. A stored hydrogen fuel cell stack; 상기 연료전지스택의 양극(anode)에 수소를 공급하기 위한 수소 공급부와;A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to an anode of the fuel cell stack; 상기 연료전지스택의 음극(cathode)에 산소를 공급하기 위한 산소 공급부; 및 상기 수소연료전지스택의 이온화 반응시 발생되는 열 및 물을 관리하기 위한 열·물 관리부를 포함하여 구성되되,An oxygen supply unit for supplying oxygen to a cathode of the fuel cell stack; And a heat and water management unit for managing heat and water generated during the ionization reaction of the hydrogen fuel cell stack, 상기 회생 에너지 축전부는 리튬 폴리머 전지, 고압 축전지, 또는 슈퍼 콘덴서 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 철도차량.The regenerative energy storage unit is a hydrogen fuel cell railway vehicle, characterized in that any one or more of a lithium polymer battery, a high-pressure storage battery, or a super capacitor. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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