KR100969009B1 - 연료전지 차량의 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연료전지 차량의 배터리 충전 장치 및 방법은, 액체 수소를 연료로 사용하는 액체 수소 탑재형 연료전지 차량에 있어서, 배출 등에 의하여 소모되는 액체 수소의 기화에 따른 기화된 수소 가스를 활용하여 배터리를 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 연료전지 차량의 배터리 충전 장치에는 고압에서도 견딜 수 있는 액체 수소를 저장하는 액체 수소 탱크(110)와; 상기 액체 수소 탱크(110)내의 압력을 측정하는 압력 센서와; 공기를 공급하는 공기 압축기(120)와; 반응에서 생성된 물을 저장하고 수소의 공급을 보조하는 물탱크(130)와; 상기 물, 수소, 공기를 공급하는 운전 장치(BOP: 140)와; 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택(150)과; 상기 전기에너지를 충전하는 배터리(160); 및 상기 압력 센서에 의하여 측정된 압력에 따라 액체 수소 탱크(110)의 기화된 수소 가스 공급 및 연료전지 스택(150)의 작동을 제어하는 제어 수단으로; 구성된 연료전지 차량의 배터리 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 연료전지 차량의 배터리 충전 장치는 액체 수소 탱크의 구성에 부착된 상기 압력 센서를 통하여 기화된 수소 가스로 인한 압력 증가를 모니터링하여 연료전지 스택(150)을 재가동하고 상기 기화된 수소가스를 공급하도록 제어하는 제어 수단을 통하여 주·정차시에 기화된 수소 가스를 배출하지 않고 활용하여 배터리에 충전하는 장치 및 방법을 제공한다.
액체 수소, 연료전지 차량, 기화된 수소 가스
Description
본 발명은 연료전지 자동차의 연료전지 시스템에서 전기를 발생시키기 위하여 공급되는 수소를 액체 수소 형태로 저장하는 액체 수소 탑재형 연료전지 차량에 관한 것으로, 특히 상기 액체 수소 탑재형 연료전지 차량에서 차량의 주·정차중 발생할 수 있는 기화된(boil-off) 수소 가스를 이용하여 전기를 발생시켜 배터리로 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지라 함은 일종의 발전장치로서 기본적인 원리는 화학전지와 같이 산화·환원반응을 이용한 것이나, 구체적인 구성은 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 계속적으로 공급되는 것으로서 일반적인 연료전지에서는 수소를 공급하는 수소공급원을 구비하고 외부 공기로부터 산소를 공급받아 양극과 음극에서 각각 발생하는 산화·환원 반응을 통하여 전기에너지를 발생시킨다.
이러한, 연료전지를 이용한 연료전지 차량은 기존의 휘발유 등의 석유 자원을 사용하지 않고도 차량운행을 가능토록 하는바 고갈되어가는 석유등의 화석연료의 대체자원으로서 각광받고 있으며, 환경오염의 주범인 화석원료를 대체할 수 있 는 점에서 저공해성 차량임에 주목받고 있다.
현재 연료전지 자동차의 연료로서 사용되는 수소의 저장 방법으로 상용화되어 있는 고압 수소 탱크가 있으며, 상기 고압 수소 탱크는 충·방전이 비교적 용이하여 많이 사용되고 있다. 다만, 상기 고압 수소 탱크는 부피가 큰 수소가스를 높은 압력으로 압축하여 그 부피를 줄인 것이나, 여전히 단위부피당 수소를 저장할 수 있는 밀도에 한계를 가지며 고압을 견디기 위한 탱크의 제작에도 어려움이 있는바, 이에 대한 대체 연료의 개발이 진행중이다.
이에 반해 액체 수소를 연료로 사용하는 액체 수소 저장 시스템의 경우에는, 수소 저장시 부피 밀도가 높은 이점이 있으나, 운행중이나 주·정차시에 수소가스가 기화(boil-off)되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
종래의 액체 수소 탱크를 탑재한 연료전지 차량(1)의 구성도는 도 1에 간략한 블록선도 형식으로 도시되어있다.
도 1에 도시된 바와 같이 액체 수소 탱크(10)에서 공급된 수소와 공기 압축기(20)로 통하여 공급된 공기 등은 수소, 공기, 물 등을 공급하는 운전 장치(40, BOP: Balance Of Plant)를 통하여 연료전지 스택으로 이동되고, 상기 운전 장치에서 공급된 수소와 산소가 산화·환원 반응을 통하여 전기 에너지를 생성하게 되고, 상기 반응 과정에서 생성된 물은 물탱크(30)로 분리된다.
이에 생성된 전기 에너지는 배터리(60)에 충전되거나 인버터(70)를 통하여 교류로 변환되어 모터(80)에 인가되어 자동차를 구동시킨다.
도 1에 도시된 종래에 사용된 액체 수소 탱크(10)의 경우 고압의 수소가스를 견딜 필요가 없도록 구성되어, 일반적으로 8~10 bar의 압력을 초과하는 경우 이를 배출 밸브를 통하여 배출하여 탱크 내의 압력을 유지하도록 구성하였다.
따라서, 자동차가 일반적으로 운행을 하지 않는 야간에는 많은 양의 액체수소가 기화(boil-off)되어 공기중으로 배출되도록 구성되어 있어서, 이를 상기와 같은 액체 수소 저장 시스템의 연료전지 차량의 경우로 살펴보면, 156L 탱크, 180K의 온도에서 약 10㎏의 수소를 저장한다고 가정할 때, 기화(boil-off)되는 수소의 양은 아래 표 1에 나타난 바와 같다. 조사된 바에 따르면, 하루에 남아있는 액체 수소의 3%정도가 기화(boil-off)된다고 한다.
| 구 분 | 최 초 수소량 |
밤사이 boil-off 되는 양 | ||
| 1일 방치 | 2일 방치 | 3일 방치 | ||
| 연료충전(최초는 80%충전, 30L 공간있음) | 10㎏ (상압) |
0.3㎏ (125바) |
0.6㎏ (300바) |
0.9㎏ (550바) |
| 100㎞주행후 연료10% 사용(43L 공간있음) | 9㎏ (상압) |
0.27㎏ (80바) |
0.54㎏ (170바) |
0.81㎏ (270바) |
| 500㎞주행후 연료50% 사용(93L 공간있음) | 5㎏ (상압) |
0.15㎏ (20바) |
0.3㎏ (40바) |
0.54㎏ (72바) |
이에 상기 기화되는 수소가스에 의하여 상기 액체 수소 탱크 내의 압력이 상승 되어 저장 용기내 압력문제가 발생하는바 종래에는 일반적인 스테인리스 스틸 재질의 압력용기를 사용하되, 상기와 같은 기화된 수소가스가 발생하는 경우 8~10 bar 이상의 경우 이를 배출 밸브를 통하여 방출하여 압력 상승에 따른 탱크의 파손을 방지하도록 하였다.
따라서, 상기 기화된 수소가스가 발생할 경우, 액체 수소 탱크의 압력상승 원인이 되어 용기의 폭발 위험성이 문제되고, 이에 따라 일정 압력 이상의 경우 저장용기의 폭발을 막기 위하여 이를 배출하도록 하는 경우 배출된 수소가스로 인한 인화 위험성이 문제된다. 또한, 상기 기화된 수소가스를 배출함으로 인하여 연료전지 시스템의 전체적인 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.
이에 본 발명에서는 단위 부피당 저장되는 수소의 부피 밀도가 보다 높은 액체 수소 저장 장치를 이용한 연료전지 차량에 대하여 액체수소 탑재형 연료전지 차량의 기화(boil-off)된 가스를 전기로 만들어 배터리로 충전하는 장치 및 방법을 제공함으로써, 기화되는 수소로 인하여 발생하는 연료전지 시스템의 효율 감소와 기화된 수소로 인한 저장장치 내외의 폭발의 위험성의 문제점을 제거하는 연료전지 차량의 배터리 충전 장치 및 방법을 제안한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예는
액체 수소 탑재형 연료전지 차량의 배터리 충전 장치에 있어서, 고압의 액체 수소를 보관할 수 있는 액체 수소 탱크(110)와; 상기 액체 수소 탱크(110)내의 압력을 측정하는 압력 센서와; 공기를 공급하는 공기 압축기(120)와; 반응에서 생성된 물을 저장하고 수소의 공급을 보조하는 물탱크(130)와; 상기 물, 수소, 공기를 공급하는 운전 장치(BOP: 140)와; 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택(150)과; 상기 전기에너지를 충전하는 배터리(160); 및 상기 압력 센서에 의하여 측정된 압력에 따라 액체 수소 탱크(110)의 기화된 수소 가스 공급 및 연료전지 스택(150)의 작동을 제어하는 제어 수단으로; 구성된 연료전지 차량의 배터리 충전 장치를 제공한다.
상기 연료전지 차량의 배터리 충전 장치는 액체 수소 탱크의 구성에 부착된 상기 압력 센서를 통하여 기화된 수소 가스로 인한 압력 증가를 모니터링하여 연료전지 스택(150)을 재가동하고 상기 기화된 수소가스를 공급하도록 제어하는 제어 수단을 통하여 기화된 수소 가스를 배출하지 않고 연료전지 스택(150)에서 전기 에너지를 생성하여 배터리에 재충전하는 장치이다.
특히, 상기 액체 수소 탱크(110)는 저장 한계 압력이 350 바에 달하는 알루미늄 라이너 카본 복합 탱크와 같은 액체 수소 탱크를 포함하도록 설계되며,
이에 따라, 상기 제어 수단은 압력 센서에서 측정된 압력이 200 내지 350 바에서 설정된 작동압력에 도달하는 경우 액체 수소 탱크(110)의 수소 공급과 연료전지 스택(150)을 작동하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 충전장치를 제공하여 상기 액체 수소 탱크(110)의 한계 압력 내에서 충전이 일어나도록 구성한다.
다만, 상기 제어 수단은 압력 센서에서 측정된 압력이 8 내지 10 바의 해제압력에 해당하는 경우 액체 수소 탱크(110)의 수소 공급과 연료전지 스택(150)의 작동을 중단하도록 하여 불필요하게 많은 전기 에너지가 축적되는 것을 방지하는 구성을 제공한다.
본 발명에 의한 액체수소를 탑재한 연료전지 차량의 기화된 가스를 전기로 만들어 이용하는 배터리 충전 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기화(boil-off)된 수소가스를 배출하는 대신 이를 활용하여 배터리(160)에 재충전하여 이용함에 따라 연료전지 시스템의 전체적인 효율이 상승한 다.
둘째, 폭발의 위험성이 높은 수소가스를 배출시키지 않게 되어 인화의 위험성이 감소한다.
셋째, 연료전지 스택(150)의 주/정차시에 수소를 지속적으로 공급하여 줌으로서 수소가 차단되어 유입되는 공기에 따른 탄소 부식(Carbon Corrosion)이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 고압의 액체 수소를 저장할 수 있는 저장 탱크를 포함하여 상기 액체 수소 탱크(110)에 압력 센서를 설치하고, 상기 압력 센서에서 기화(boil-off)된 수소 가스에 의한 압력 변화를 측정하여 기화된 수소 가스를 배출하지 않고 이를 직접 연료전지 스택(150)에서 전기를 생성하여 배터리(160)에 재충전하는 과정을 거치도록 하여 시스템을 최적화하는 구성이다.
이하 본 발명의 구체적인 구성을 첨부된 도면을 예시로 하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 구성중 하나인 액체 수소 탱크(110)를 개략적으로 도시한 것으로 이러한 액체 가스의 저장 용기는 이미 공지된 것으로서 간략히 설명한다.
액체 수소 탱크(110)는 극저온의 액화수소(-253˚C)를 장기간 보관하여야 하는바 열의 이동을 차단하기 위한 구성이 요구된다. 따라서, 열의 전도, 대류, 복사 모두를 차단하기 위하여 이중용기로 구성됨이 일반적이며, 진공 및 절연체로 이뤄진다.
일반적으로 상기 액체 수소 탱크(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 액화 수소의 저장을 위하여 외부용기(111)와 내부용기(112)의 2중으로 구성되며, 상기 외부 용기(111)와 내부 용기(112) 사이에는 외부와의 단열을 위한 절연체가 삽입되고, 도시되진 않았으나, 내·외부 공간을 진공으로 유지시키기 위한 진공 포트의 구성도 포함된다.
또한, 상기 액체 수소 탱크(110)의 저장 용기에는 액체 수소를 충전하기 위한 충전 파이프(113)와 액체 수소를 연료 사용처로 공급하기 위한 액체 수소 라인(114)이 포함된다.
상기와 같은 구성의 액체 수소 탱크(110)로서 특히 알루미늄 라이너 카본 복합 탱크의 경우에는 350 바(bar)의 압력에도 견딜 수 있는 구성으로 기화(boil-off)된 수소 가스로 인한 압력 상승에 대하여 일정 압력 상승분을 수용 가능하도록 한다.
본원 발명은 350 바 정도의 고압까지 견딜 수 있는 상기와 같은 액체 수소 탱크(110)를 차량의 연료전지 시스템의 연료 저장 장치로서 설치함에 있어서 상기 액체 수소 탱크(110) 내의 압력을 측정할 수 있는 압력 센서를 포함하는 구성으로서, 상기 압력 센서에 의하여 저장탱크 내의 압력 변화를 측정하고, 이를 모니터링하여 200 바 내지 350 바 정도의 일정한 작동압력에 도달할 경우 연료전지 스택(150)을 자동가동하도록 제어하는 구성을 제공한다.
도 3은 본원 발명이 구성된 액체 수소 탑재형 연료전지 차량(100)의 구동 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서 상기한 구성을 가지는 고압용 액체 수소 탱 크(110)를 포함하도록 구성하여 운전 장치(BOP: 140)를 통하여 액체 수소를 물과 함께 연료전지 스택(150)에 공급하여 공기에 포함된 산소와 산화·환원 반응을 거쳐 전기 에너지를 생성하도록 한다.
특히 본원 발명은 야간의 정차시에 발생하는 기화(boil-oiff)된 수소 가스를 배출하지 않고, 저장 용기내에서 발생한 기화된 수소가스로 인하여 압력 상승이 발생한 경우 이를 상기 압력 센서로 측정하여 소정의 작동압력 이상에 이른 경우 별도의 제어 장치를 통하여 액체 수소 탱크(110)에서 기화된 수소 가스를 공급하고 연료전지 스택(150)을 가동하도록 구성한다. 상기 액체 수소 탱크(110)에는 밸브를 구성하여 모니터링된 압력에 따라 저장 탱크의 개폐가 가능하도록 구성할 수 있다.
따라서, 상기 제어수단은 액체 수소 탱크(110) 내의 압력이 미리 설정된 소정의 작동압력을 초과한다고 압력 센서에 의하여 측정된 경우, 예를 들면, 탱크내의 압력 상한을 200 바로 지정한 경우 액체 수소가 기화하여 액체 수소 탱크(110)내의 압력이 200 바에 도달한 것이 압력 센서를 통하여 측정되었을 때, 상기 제어 수단은 상기 액체 수소 탱크(110)에서 기화된 수소 가스가 운전장치(140)로 공급되도록 제어하고, 정지되어 있던 상기 연료전지 스택(150)이 재가동되도록 제어한다. 상기 제어 수단은 저장 용기내의 압력이 8 ~ 10 바의 설정된 해제압력에 도달할 때까지 상기 연료전지 스택(150)의 가동과 수소 가스의 공급을 제어하며, 8 ~10 바의 설정된 해제압력에 도달한 경우 연료전지 스택(150)의 가동이 정지되고, 기화된 수소 가스가 다시 저장 탱크 내에 저장되도록 제어한다. 따라서, 수소 연료의 재충전과 압력의 증가에 따라 상술한 과정이 반복되도록 구성된다.
상기에서 가동된 연료전지 스택(150)에는 상기 기화된 수소 가스가 공급되고 공기 압축기(120)에서 공급된 공기와 산화·환원 반응을 통하여 연료전지 스택(150)에서 전기를 생성한다. 상술한 과정에서 생성된 전기 에너지는 배터리(160)로 충전되어 저장된다. 이 경우 배터리(160)에 저장하는 과정에서 전압을 맞춰주기 위하여 연료전지 스택(150)과 배터리(160) 사이에 DC/DC 컨버터가 구성될 수 있다.
상기 배터리(160)는 정차시 다량의 충전된 전기가 충분히 저장될 수 있도록 대용량 배터리로 구성함이 바람직하다.
상술한 바와 같은 과정을 통하여 운행중 또는 정차중에 생성되어 충전된 직류 전기 에너지는 인버터(170)를 통하여 교류 전기 에너지로 변환되어 모터(180)의 구동에 사용된다.
그러므로, 도 3과 같은 연료전지 차량의 발전 시스템을 통하여 기화된 수소 가스를 배출시키지 않고 이를 충전에 직접 이용함으로써, 기화된 수소가스 배출에 따른 위험을 제거하고 연료전지 시스템 전체의 효율을 상승시킬 수 있으며, 나아가 연료전지 시스템에서 내구성과 관련하여 큰 문제가 되고 있는 주/정차시 수소 공급의 중단에 따른 탄소 부식(Carbon Corrosion)을 억제할 수 있는 구성이다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 액체 수소 탱크를 가진 연료전지 차량의 구조도.
도 2는 본원 발명에 사용되는 고압에서 견딜 수 있는 액체 수소 탱크의 개략적인 사시 단면도.
도 3는 본원 발명에 사용되는 고압에서 견딜 수 있는 액체 수소 탱크를 탑재한 연료전지 차량의 구조도.
Claims (4)
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- 액체 수소 탱크를 탑재한 연료전지 차량의 배터리 충전 방법에 있어서,주·정차 중 기화된 수소 가스를 상기 액체 수소 탱크에 저장하는 단계;압력 센서를 통하여 상기 액체 수소 탱크의 압력을 측정하는 단계;상기 압력 센서를 통하여 측정된 압력을 모니터링하여 소정의 작동압력과 비교하는 단계;상기 측정된 압력이 상기 소정의 작동압력 이상일 경우 제어 수단을 통하여 액체 수소 탱크내의 기화된 수소 가스를 공급하고, 연료전지 스택을 작동시키는 단계;상기 연료전지 스택에서 산화·환원 반응을 통하여 생성된 전기 에너지를 배터리에 충전하는 단계;상기 연료전지 스택의 가동으로 상기 배터리에 충전이 일어남에 따라 소모되는 상기 기화된 수소 가스로 인하여 상기 액체 수소 탱크내의 압력이 소정의 해제압력 이하로 떨어지는 경우 제어수단을 통하여 기화된 수소의 공급과 연료전지 스택의 작동을 중단시키는 단계;를 포함하며, 주·정차 중에 발생하는 기화된 수소가스를 배출하지 않고 이를 연료전지 스택에 공급하여, 연료전지 스택을 가동함으로써 기화된 수소가스를 배출시키지 않고 이를 충전에 직접 이용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 배터리 충전 방법.
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