KR101095309B1 - 수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템에 관한 것으로, 수소의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전력으로 변환시키는 연료전지, 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치로서의 수소저장합금용기, 연료전지가 발전한 직류전기를 부하가 필요로 하는 전력으로 변환하고 제어해 주는 전력제어장치, 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템이 작동하는데 필요한 전력을 공급하고 부하의 급격한 변화에 대응하기 위한 전력저장장치로서 수퍼캐패시터 및 연료전지시스템을 총체적으로 제어하는 시스템제어기를 포함하며, 종래의 내연기관 발전기와 축전지를 이용한 전력공급방법의 단점과 종래의 연료전지시스템의 단점을 해결한 효과가 있다.
연료전지, 수소저장합금, 수소저장합금용기, 수소공급조절기, 수퍼캐패시터

Description

수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템{Fuel Cell System having Metal Hydride Canister}
본 발명은 연료전지시스템(Fuel Cell System)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템에 관한 것이다.
일반적으로 발전소로부터 전력을 공급 받을 수 없는 경우에 필요한 전력을 얻는 방법에는 두 가지가 있다. 그 중 하나는 내연기관 발전기를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 축전지('2차전지'를 지칭한다. 이하 같다)를 이용하는 방법이다.
특히, 자동차, 선박, 건설기계, 물류기계 등 대부분의 기계장비는 내연기관 을 이용하여 필요한 동력을 얻으나, 최근에는 소형 기계장비에서는 축전지가 내연기관을 대체하는 동력원으로 부상하고 있다.
내연기관은 에너지효율이 낮을 뿐만 아니라 배기가스, 소음 등 공해를 유발한 다. 이에 비하여 축전지를 이용하면 공해와 소음이 없는 대신 한 번의 충전으로 사용할 수 있는 시간이 짧고, 사용 후 다시 충전하는데 장시간(약 6~8시간)이 소요될 뿐만 아니라, 충전과 방전을 계속 반복함에 따라 수명이 단축되어 약 2년 정도 사용하면 새로운 축전지로 교체하여야 하므로 비용이 많이 소요된다.
이러한 내연기관이나 축전지에 의한 전력공급방법의 단점을 보완하기 위하여 최근에 연료전지를 이용한 발전시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 연료전지란 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적 반응을 통하여 직접 전력으로 변환시키는 발전기이다. 연료전지는 그 종류와 사용연료에 따라 다소의 차이는 있으나 열효율이 높고 공해를 유발하지 않는 친환경적인 발전시스템이다.
그러나, 휴대용, 이동식 또는 정치식의 독립 전원공급을 위한 중소형 연료전지의 연료공급장치는 연료가 충전된 상태에서도 안전하고 취급이 용이하며 가격이 싸고 언제 어디에서나 쉽게 구할 수 있어야 하나, 현재 개발 중에 있는 휴대용, 이동식 또는 정치식의 중소형 연료전지의 연료공급장치는 기체 또는 액체 상태의 수소, 메탄올, 부탄가스 등을 단순히 충전하여 사용하도록 된 것이어서 이러한 요건을 충족하지 못하여 연료전지의 활용에 장애가 되고 있다.
또한, 연료전지의 가동시간은 연속적으로 공급할 수 있는 연료의 양에 의해 결정되며, 가동시간을 늘이기 위해 연료저장용기의 용량을 크게 하는 것은 용기의 부피와 무게 때문에 한계가 있어 연속적인 가동시간이 짧아서 중소형 연료전지가 제대로 활용되지 못하고 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안전하고 취급이 용이하며 쉽게 구할 수 있고 연료전지의 가동 중에도 연료저장용기를 교체하여 연료를 공급할 수 있는 연료공급장치를 구비한 연료전지시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템은 수소저장합금용기와 수소공급조절기를 포함하는 연료공급장치를 구비하고, 축전지 대신에 수퍼캐패시터(Supercapacitor)를 구비한다.
본 발명의 연료전지시스템은 종래의 내연기관 발전기와 축전지를 이용한 전력공급의 단점과 종래의 연료전지시스템의 단점을 해결한 효과가 있다.
또, 본 발명의 연료전지시스템은 2개 이상의 수소저장합금용기를 구비하여 순차적으로 충전된 수소를 사용할 수 있고, 사용 후 빈 수소저장합금용기는 가까운 유통망에서 충전된 수소저장합금용기와 교환할 수 있으며, 여분의 수소저장합금용기를 준비할 수 있어 가동시간에 구애받지 않고 가동시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 회수된 빈 수소저장합금용기는 충전소에서 재충전하여 기존의 유통망을 통해 공급할 수 있어 수소연료의 공급을 위해 새로운 인프라를 구축할 필요가 없어 경제성이 크게 향상된 효과가 있다.
또한, 본 발명의 연료전지시스템은 광범위한 산업분야에서 이용할 수 있고, 가동시간에 구애받지 않고 가동시킬 수 있으며, 경제성이 크게 향상되고, 수소저장합금용기의 취급이 용이하고 안전하여 실용성과 상품성이 획기적으로 향상된 효과가 있다.
본 발명의 연료전지시스템은 수소의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통하여 전력으로 변환시키는 연료전지, 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 수소연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치, 연료전지가 발전한 직류전기를 부하가 필요로 하는 전력으로 변환하고 제어하는 전력제어장치, 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템의 작동에 필요한 전력을 공급하고 부하의 급격한 변화에 대응하기 위한 축전지와, 연료전지시스템을 총체적으로 제어하는 시스템제어기를 포함하는 연료전지시스템에서, 상기 연료공급장치로 수소저장합금용기와 수소 공급조절기를 구비하고, 상기 축전지 대신에 수퍼캐패시터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 연료전지로 수소를 연료로 하고 공기 중의 산소를 산화가스로 사용하는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 구비한다. 고분자전해질 연료전지는, 연료전지 중에서도 특히 운전온도가 낮으며(60~80℃) 구조가 간단하다. 따라서 연료전지 냉각시스템으로 공냉식 냉각시스템을 구비할 수 있어 시스템 전체의 구조를 단순화하고 무게를 가볍게 할 수 있다.
고분자전해질 연료전지의 단위 셀(cell)은 프로톤(proton)의 이온전도성이 우수한 고분자 전해질막의 양면에 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 구비한다. 이러한 단위 셀을 여러 개 겹쳐 하나의 연료전지를 구성한다.
연료인 수소는 연료극에 공급되고 산화가스인 산소는 공기극에 공급되는데 이때 연료극에서는 아래 반응식(1)의 산화반응이 일어나고, 공기극에서는 반응식(2)의 환원반응이 일어난다. 연료전지 전체로서는 반응식(3)의 기전반응이 일어난다. 본 발명의 연료전지시스템에서는 산화가스로 대기 중의 산소를 이용한다.
반응식(1) H2 → 2H+ + 2e-
반응식(2) ½O2 + 2 H+ + 2e- → H2O
반응식(3) 2H+ + ½O2 → H2O
상기 연료공급장치는 수소저장합금이 충전되는 수소저장합금용기와 수소공급조절기로 구성한다. 수소저장합금이 수소와 가역적으로 반응하여 금속수소합금을 형성하는 현상을 이용하여 수소를 수소저장합금용기 내에 고체 상태로 저장하여 사용한다.
현재 휴대용, 이동식 또는 정치식의 중소형 연료전지의 연료로 기체 또는 액체 상태의 수소 등이 사용되고 있으나, 여러 가지 단점이 있어 중소형 연료전지가 제대로 사용되지 못하고 있다.
수소를 기체 상태로 저장하여 사용하는 경우에는 특별한 장비가 필요 없고 보관이 쉬워서 많이 사용되고 있으나, 수소 저장밀도가 낮고 고압의 압력용기를 필요로 하므로 휴대가 가능한 소형화가 어렵고 대단히 위험하다는 단점이 있다.
또, 수소를 액체 상태로 저장하는 경우에는 수소의 온도를 낮추거나 압력을 높여 액화한 후 단열효과가 큰 진공 저온 용기에 저장하여 사용한다. 이 방법은 수 소 저장밀도는 매우 높으나, 수소의 비등점(-212.87℃)이 매우 낮고 증발열이 높기 때문에 수소를 액화시키는데 많은 에너지가 소요된다. 또, 보관에 있어서도 액화수소의 기화를 막기 위해 단열성이 높은 저온(-231℃) 저장용기가 필요하다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 수소를 고체 상태로 저장할 수 있는 수소저장합금용기를 구비하며, 수소저장합금용기에 수소가 충전되면 금속수소합금이 형성되어 수소가 고체 상태로 저장되므로 취급이 용이하고 안전하며, 사용된 수소저장합금용기는 다시 충전하여 사용할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 연료공급장치는 수소를 고체 상태로 저장하여 사용하기 때문에 수소를 기체 또는 액체 상태로 저장하여 사용하는 다른 연료공급장치에 비하여 휴대용, 이동식 및 정치식의 독립 전원공급을 위한 중소형의 연료전지시스템에 가장 적합하다.
본 발명의 연료공급장치는 2대 이상의 수소저장합금용기를 구비하는 것이 바람직하며, 수소저장합금용기가 2대인 경우 연료전지의 운전 중에 하나의 수소저장합금용기로부터 수소가 방출되어 연료전지에 공급되고, 다른 하나는 수소방출밸브가 닫힌 상태로 유지된다. 시스템제어기에 의해 제어되는 수소공급조절기의 작동으로 수소를 방출하고 있는 수소저장합금용기의 수소의 잔량이 일정 수준에 도달하면 다른 수소저장합금용기의 수소방출밸브가 열림과 동시에 수소를 방출하고 있던 수소저장합금용기의 수소방출밸브가 닫힌다. 이와 같이 연료를 계속적으로 공급할 수 있고 여분의 수소저장합금용기를 준비할 수 있어 장시간 연속 운전이 가능하다.
상기 수퍼캐패시터는 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템의 기동과 시스템을 구성하고 있는 모든 장치들이 작동하는데 필요한 전력을 공급하고, 급격한 부하의 변동에 대응하는 역할을 한다. 일반적으로 전력저장장치로서 축전지를 사용하나, 재충전에 장시간이 소요되고, 충전과 방전을 반복하면 축전지의 성능이 급격히 저하되어 교체하여야 하는 단점이 있다.
이에 비하여 수퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 축전지와는 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 것으로, 급속충전이 가능하고 고출력 특성이 매우 우수하며 수명이 반영구적이어서 연료전지시스템의 성능을 크게 향상시킨다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 토대로 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 연료전지시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 연료전지시스템의 구성도이다. 도 3은 본 발명의 연료공급장치의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 수소저장합금용기의 구성도이며, 도 5는 본 발명의 전자밸브 및 수소방출밸브의 개폐 설명도이고, 도 6은 본 발명의 시스템제어도이다. 도 7은 본 발명의 연료 전지시스템을 자동차에 적용한 적용예의 개략도이고, 도 8은 본 발명의 연료전지시스템을 굴삭기에 적용한 적용예의 개략도이며, 도 9는 본 발명의 연료전지시스템을 지게차에 적용한 적용예의 개략도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이 종래의 연료전지시스템(100)은 수소의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통하여 전력으로 변환시키는 연료전지(110), 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 수소연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치(120), 연료전지가 발전한 직류전기를 부하가 필요로 하는 전력으로 변환하고 제어하는 전력제어장치(130), 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템의 작동에 필요한 전력을 공급하고 부하의 급격한 변화에 대응하는 축전지(140), 연료전지시스템(100)을 총체적으로 제어하는 시스템제어기(150)를 포함한다.
본 발명의 연료전지시스템(100)은 축전지(140) 대신에 수퍼캐패시터(141)를 구비하며, 본 발명의 연료전지시스템은, 도 2 및 3에 도시되어 있는 바와 같이, 연료공급장치(120)로 수소저장합금용기(121)와 수소공급조절기(122)를 구비한다.
상기 수소공급조절기(122)는 전자밸브(123), 원웨이밸브(one way valve)(124) 및 레귤레이터(regulator)(125)를 포함한다. 전자밸브(123) 이후에 원웨이밸브(124)가 배치되고, 원웨이밸브(124) 이후에 레귤레이터(125)가 배치된다.
도 3 및 5에 도시되어 있는 바와 같이, 전자밸브(123)의 방출로(123j)와 원웨이밸브(124)의 입구, 그리고 원웨이밸브(124)의 출구와 레귤레이터(125)의 입구는 각각 수소공급관으로 연결되고, 레귤레이터(125)의 출구는 수소공급관으로 연료전지(110)에 연결된다. 또한 전자밸브(123)와 레귤레이터(125)는 시스템제어기(150)에 연결되어 시스템제어기(150)의 제어에 따라 수소공급조절기(122)가 제어된다.
도 4는 본 발명의 수소저장합금용기(121)의 구성도로, 수소저장합금용기(121)는 합금저장용기(121b)와 상기 합금저장용기(121b)의 내부에 충전되고 가역반응에 의해 수소를 흡장하고 방출하는 수소저장합금(121a), 상기 합금저장용기(121b)의 내부에 장착시킨 수소튜브(121c), 센서단자(121h), 수소잔량센서(121j), 온도센서(121k) 및 가열기(121m), 상기 수소튜브(121c)의 상단에 설치되고 오리피스(121e), 볼(121f), 스프링(121g)이 순차적으로 내부에 설치된 수소방출밸브(121d)를 포함한다.
수소저장합금(121a)은 그 종류에 따라 수소의 흡장온도, 방출온도, 압력, 흡장량 등이 다르다. 따라서 수소저장합금용기(121)에 충전될 특정 수소저장합금(121a)에 따라 수소흡장 압력, 온도, 가열기의 작동, 수소잔량 감지를 위한 프로그램을 작성하여야 한다. 합금저장용기(121b)는 수소저장합금(121a)과 반응하지 아니하는 재료를 사용하며, 주로 스테인리스강판, 알루미늄합금 또는 복합재료가 사용된다.
수소튜브(121c)는 합금저장용기(121b) 내의 수소저장합금이 흡열반응에 의해 수소를 방출하면 방출된 수소가 한 곳에 모여 수소방출밸브(121d)를 통하여 쉽게 방출되도록 하는 역할을 한다. 또, 반대로 수소 충전시에는 외부로부터 공급된 수소가 수소저장합금(121a)에 쉽게 흡장되도록 한다. 수소의 방출을 개폐하는 수소방출밸브(121d)는 수소를 충전할 경우에는 반대로 수소흡장밸브의 역할을 한다.
수소잔량센서(121j)는 수소저장합금용기(121) 내의 수소의 잔량을 감지하여 수소연료게이지(미도시)에 통보하며, 수소가 방출되는 경우에는 수소의 잔량을 실 시간으로 통보한다. 수소저장합금(121a)이 흡장하고 있는 수소의 양에 따라 이를 통과하는 전류의 전기적 저항이 달라진다. 따라서 합금저장용기(121b) 내에 일정한 거리를 두고 센서를 설치하고 전류를 흐르게 하여 전류의 변화를 측정하면 수소의 잔량을 계산할 수 있다.
온도센서(121k)는 수소저장합금용기(121) 내의 온도를 감지하며, 그 결과 필요한 경우 가열기(121m)가 수소저장합금(121a)이 수소를 방출하는데 필요한 열을 공급한다. 완전히 충전된 수소저장합금용기(121) 내의 수소저장합금(121a)이 수소를 방출하는 과정을 살펴보면, 수소저장합금용기(121) 내의 충전공간에 충전된 고압의 수소가 먼저 방출된다. 이에 따라 충전공간의 수소압력은 점차 저하되며, 계속해서 수소압력이 내려가면 수소저장합금용기(121) 내의 온도에서의 평형수소압에 도달하게 된다.
이때부터 수소저장합금(121a)이 흡장하고 있는 수소를 방출하며, 이는 흡열반응으로 온도가 저하되면 수소의 방출이 정지된다. 본 발명에서는 수소저장합금용기(121) 내에 온도센서(121k)와 가열기(121m)를 구비하여 수소방출에 필요한 열을 수소저장합금(121a)에 공급하도록 하여 수소저장합금(121a)에서 계속적으로 수소가 방출되도록 한다.
이와 같은 수소저장합금용기(121)는 사용 후 재충전이 가능하며, 1대를 설치 할 수도 있으나, 연료전지의 가동시간은 연속적으로 공급할 수 있는 수소 연료의 양에 의해 결정되며, 가동시간을 늘이기 위해 연료저장용기의 용량을 크게 하는 것은 용기의 부피와 무게 때문에 한계가 있으므로 2대 이상을 병렬로 설치하는 것이 바람직하다. 도 2 및 3에는 2대의 수소저장합금용기(121)가 병렬로 설치되어 있다.
본 발명에서 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)는 시스템제어기(150)의 제어에 따른 전자밸브(123)에 의하여 개폐되며, 2대 이상의 수소저장합금용기(121)가 설치된 경우에는 시스템제어기(150)의 제어에 따라 전자밸브(123)가 하나의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)만이 열리게 하고 다른 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)는 닫쳐진 상태로 유지시킨다.
수소를 방출 중인 수소저장합금용기(121)의 수소의 잔량이'0'에 도달하면 시스템제어기(150)의 제어에 의해 수소공급조절기(122)의 전자밸브(123)가 다음 순서의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)를 열고, 지금까지 수소를 방출해 온 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)를 폐쇄시켜서 연료전지(110)에의 수소의 공급이 계속되도록 한다.
도 5는 본 발명의 전자밸브(123) 및 수소방출밸브(121d)의 개폐 설명도로, 도 5a는 전자밸브(123) 및 수소방출밸브(121d)가 닫힌 상태도이고, 도 5b는 전자밸브(123) 및 수소방출밸브(121d)가 열려진 상태도이다.
전자밸브(123)는 작용부(123a), 작용부(123a)의 후면에 설치되는 솔레노이드부(123b) 및 작용부(123a)와 솔레노이드부(123b)의 내부에 설치되는 작동간(123c)으로 구성된다.
작용부(123a)는 선단부에 팩킹(123g)과 유공(123e)을 구비하고 후단부에 내돌부(123f)와 방출로(123j)를 구비한 내부 공간부에 스프링(123d)이 장착되고 본체의 한편에 전원단자(123h)를 설치한 구성이고, 솔레노이드부(123b)는 작용부(123a)의 후면에 설치되며, 그 내부에 솔레노이드(123m), 여자체(123n) 및 영구자석(123k)이 순차적으로 설치된 구성이며, 작동간(123c)은 작용부(123a)와 솔레노이드부(123b)에 걸쳐 설치되는 막대형상으로 솔레노이드부(123b)측 단부에는 헤드(123p)가 형성되어 있고, 작용부(123a)측에는 외돌부(123s)가 형성되어 있다.
전자밸브(123)에 전원이 공급되지 않은 상태에서는 영구자석(123k)의 자력과 스프링(123d)의 탄력에 의하여 작동간(123c)이 솔레노이드부(123b)측으로 이동하여 그 헤드(123p)가 영구자석(123k)에 흡착되고 외돌부(123s)가 내돌부(123f)에 밀착되어 있다.
수소저장합금용기(121)가 수소를 방출할 순서가 되면, 시스템제어기(150)의 제어에 의해 솔레노이드(123m)에 전원이 공급된다. 전원공급에 의해 여자체(123n)가 여자(勵磁)되면 여자체(123n)의 자력이 헤드(123p)를 당기게 되므로 작동간(123c)이 작용부(123a)측으로 이동하고 헤드(123p)가 여자체(123n)에 흡착된다.
작동간(123c)이 작용부(123a)측으로 이동함에 따라 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)의 볼(121f)을 수소저장합금용기(121)의 내측으로 밀게 되고, 작동간(123c)의 외돌부(123s)도 내돌부(123f)에서 떨어지게 된다. 수소방출밸브(121d)의 볼(121f)이 내측으로 밀리면 오리피스(121e)가 열리면서 수소저장합금용기(121) 내의 수소가 방출된다.
방출된 수소는 전자밸브(123)의 작동간(123c)의 주위의 복수의 유공(123e)을 거쳐서 내돌부(123f) 쪽으로 이동한다. 작동간(123c)의 외돌부(123s)가 이미 내돌부(123f)에서 떨어져 있어 내돌부(123f) 부근이 개방되어 있으므로 이 부근을 통과한 수소는 계속 전진하여 방출로(123j)를 통해 원웨이밸브(124)로 이동한다.
위와 같이, 전자밸브(123)의 작동에 따라 수소저장합금용기(121)로부터 방출된 수소는 원웨이밸브(124)를 통과하여 레귤레이터(125)에 도착하며, 고압의 수소를 레귤레이터(125)가 감압시켜서 연료전지(110)가 필요로 하는 양만큼 연료전지(110)에 공급한다.
수소가 방출되지 않고 있는 수소저장합금용기(121) 쪽의 전자밸브(123)는 빈 수소저장합금용기(121)를 교환하거나 수소저장합금용기(121)가 탈거된 경우에 공기가 수소방출라인으로 유입되는 것이 방지되도록 닫혀 있도록 한다.
원웨이밸브(124)는 수소를 방출하고 있지 않는 다른 수소저장합금용기(121)의 전자밸브(123)로 수소가 역류하는 것을 방지한다. 원웨이밸브(124)의 개방압력은 대기압보다는 높고 수소방출압력보다 낮은 값으로 설정하여 전자밸브(123)를 도와 수소방출라인의 기밀유지와 공기의 유입을 방지하도록 한다.
팩킹(123g)은 수소방출밸브(121d)로부터 방출되는 수소의 기밀을 유지하며, 수소저장합금용기(121)의 수소잔량센서(121j), 온도센서(121k)와 가열기(121m)에 전원을 공급하는 센서단자(121h)는 전자밸브(123)의 전원단자(123h)와 밀착하게 되고, 이 전원단자(123h)를 통해 시스템제어기(150)에 연결된다.
수소를 방출 중인 수소저장합금용기(121)의 수소의 잔량이'0'에 도달하면 시스템제어기(150)의 제어에 의해 수소공급조절기(122)의 전자밸브(123)가 다음 순서의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)를 열고, 지금까지 수소를 방출해 온 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)를 폐쇄하여 연료전지(110)에의 수소의 공급이 계속되도록 하는데, 이 과정에서 수소의 공급이 중단되는 일이 없도록 하기 위해서 수소저장합금용기(121)의 최대 저장용량에서 일정량(예:1-10%)을 제한 수소의 양을 수소저장합금용기(121)의 수소저장용량으로 프로그래밍하는 것이 바람직하다. 수소잔량이 일정수준(예: 30%와 10%)에 도달하면 점등 또는 음성에 의한 경고를 발하도록 할 수도 있다.
본 발명에서의 연료전지(110)는 수소를 연료로 하고 공기 중의 산소를 산화가 스로 사용하는 고분자전해질 연료전지로서, 구조가 간단하고, 저온(60~80℃)에서 작동하므로 공냉식 냉각시스템이 가능하며, 수소를 흡장하고 방출하는 수소저장합금재료의 선택의 자유도가 넓다.
전력제어장치(130)는 DC/DC 컨버터와 인버터를 포함하는 전력변환장치로, 연료전지(110)가 발전한 전기를 부하(160)가 원하는 형태의 전력으로 변환하여 공급하고 잉여전력을 수퍼캐패시터(141)에 저장한다.
수퍼캐패시터(141)는 전력저장장치로, 연료전지시스템(100)이 작동하는데 필요한 전력을 공급하고, 부하(160)의 급격한 변동에 대처함으로써 연료전지시스템(100)의 운전을 최적화 시켜주는 보조전원장치의 역할도 한다.
전력저장장치로 사용되고 있는 종래의 축전지(140)는 재충전에 장시간을 요하고 충전과 방전을 반복하면 성능이 급격히 저하되어 교체하여야 하는 단점이 있으나, 수퍼캐패시터(141)는 급속충전이 가능하고 고출력 특성이 매우 우수하며 수명이 반영구적이어서 연료전지시스템의 성능을 크게 향상시킨다.
도 6은 본 발명의 연료전지시스템(100)의 총체적인 시스템제어도로, 시스템제어기(150)는 컴퓨터시스템과 제어프로그램으로 구성되어, 제어프로그램에 따라 연료전지시스템(100)의 모든 장치의 동작을 제어한다. 시스템제어기(150)는 전력제 어장치(130)에 내장되어 있는 부하센서에 의해 검출되는 소요전력을 구하여 연료전지(110)의 발전량이 이에 도달하도록 연료공급장치(120)를 제어하여 연료전지(110)에 공급되는 수소의 양을 조절한다.
또, 시스템제어기(150)는 연료전지(110)가 장시간 정지된 상태를 유지할 경우에도 수퍼캐패시터(141)가 연료전지시스템(100)을 구성하는 모든 장치에 전력을 공급하여 언제라도 연료전지(110)가 작동할 수 있는 운전조건을 유지시킨 다. 또한, 시스템제어기(150)는 장시간에 걸친 전력공급으로 수퍼캐패시터(141)의 저장전력이 일정수준 이하로 감소하면 연료전지(110)를 작동시켜 수퍼캐패시터(141)를 충전시킨다.
도 7은 본 발명의 연료전지시스템(100)을 자동차에 적용한 적용예의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 이 적용예는 연료전지시스템(100)을 자동차에 탑재하여 전력제어장치(130)를 구동모터(200)에 연결하고, 시스템제어기(150)를 가속페달(210)에 연결한 구성이다. 연료전지(110)는 자동차를 구동하는 구동모터(200)에 전력을 공급하는 주 동력원이 되고 수퍼캐패시터(141)는 보조전원이 된다. 수퍼캐패시터(141)는 초기에 연료전지(110)가 정상운전온도에 도달할 때까지 연료전지시스템(100)이 필요로 하는 전력을 공급하며, 또 자동차의 출발, 오르막길의 등반과 같이 높은 구동력이 요구되는 경우 연료전지(110)의 출력이 부족할 경우에 부족한 전력을 공급한다.
자동차의 소요 구동력은 운전자가 조작하는 가속페달(210)의 각도에 따라 변하며, 시스템제어기(150)가 제어프로그램에 따라 연료전지시스템(100)의 모든 장치를 제어한다. 시스템제어기(150)는 자동차의 시스템제어기로부터 신호를 받거나, 전력제어장치(130)와 운전자가 조작하는 가속페달(210)로부터 직접 제어신호를 받아 연료전지시스템(100)이 자동차가 필요로 하는 전력을 공급하도록 총체적으로 제어한다.
도 8은 본 발명의 연료전지시스템(100)을 굴삭기에 적용한 적용예의 개략도이다. 굴삭기에는 2~4 대의 하부주행모터(300), 1 대의 상부선회모터(310), 작업장치를 작동시키는 유압을 생산하는 1 대의 유압펌프구동모터(320)가 있고, 하부주행운전레버(330), 상부선회운전레버(340), 작업장치운전레버(350) 등의 운전장치가 있다.
도시된 바와 같이, 이 적용예는 연료전지시스템(100)을 굴삭기에 탑재하여 전력제어장치(130)를 유압펌프구동모터(320), 상부선회모터(310) 및 하부주행모터(300)에 연결하고, 시스템제어기(150)를 작업장치운전레버(350), 상부선회운전레버(340) 및 하부주행운전레버(330)에 연결한 구성이다.
시스템제어기(150)는 제어프로그램에 따라 연료전지시스템(100)의 모든 장치 를 제어한다. 시스템제어기(150)는 굴삭기의 시스템제어기로부터 신호를 받거나, 전력제어장치(130)와 운전자가 조작하는 하부주행운전레버(330), 상부선회운전레버(340), 작업장치운전레버(350)로부터 직접 제어신호를 받아 연료전지시스템(100)이 굴삭기가 필요로 하는 동력을 공급하도록 총체적으로 제어한다.
도 9는 본 발명의 연료전지시스템(100)을 지게차에 적용한 적용예의 개략도이다. 지게차에는 1~2 대의 구동모터(400)와 유압을 생산하는 1 대의 유압펌프구동모터(410)가 있고, 가속페달(420)과 작업장치운전레버(430) 등의 운전장치가 있다.
도시된 바와 같이, 이 적용예는 연료전지시스템(100)을 지게차에 탑재하여 전력제어장치(130)를 구동모터(400)와 유압펌프구동모터(410)에 연결하고, 시스템제어기(150)를 가속페달(420)과 작업장치운전레버(430)에 연결한 구성이다.
시스템제어기(150)는 제어프로그램에 따라 연료전지시스템(100)의 모든 장치를 제어한다. 시스템제어기(150)는 지게차의 시스템제어기로부터 신호를 받거나, 전력제어장치(130)와 운전자가 조작하는 가속페달(420)과 작업장치운전레버(430)로부터 직접 제어신호를 받아 연료전지시스템(100)이 굴삭기가 필요로 하는 동력을 공급하도록 총체적으로 제어한다.
본 발명의 연료전지시스템은 내연기관 발전기와 축전지를 대체하는 독립 전원 공급장치로, 그 응용분야가 광범위하고 실용화 및 상용화가 용이하다. 주요 응용분야는 다음과 같다.
1. 휴대용, 이동식과 정치식 겸용의 중소형 보조전원장치:
자동차, 선박, 건설현장, 노점상 등에 필요한 독립된 전력공급 장치
2. 휴대용, 이동식과 정치식 겸용의 중소형 비상전원장치:
병원, 통신회사, 사무실 등의 비상전력공급장치
3. 자동차의 주 동력원:
경소형자동차, 골프카, 스쿠터, 휠체어, 어린이 자동차, 자전거, 건설기계, 물류기계 등의 주 동력원으로 내연기관과 축전지를 대체
본 발명의 연료전지시스템은 운전자가 사용 후 빈 수소저장합금용기를 비용을 지불하고 가까운 기존의 유통망(주유소, 슈퍼마켓, 편의점, 택배 등)에서 충전된 수소저장합금용기와 교환할 수 있고, 연료전지시스템의 용도나 상황에 따라 여분의 수소저장합금용기를 준비할 수 있어 가동시간에 구애받지 않고 연료전지시스템을 계속하여 가동시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템은 수소연료의 공급자가 회수된 빈 수소저장합금용 기를 충전소에서 재충전하여 기존의 유통망을 통해 공급하면 되므로 수소연료의 공급을 위해 새로운 인프라를 구축할 필요가 없어 경제성이 크게 향상된다.
본 발명의 연료전지시스템은 광범위한 산업분야에서 이용할 수 있고, 가동시간에 구애받지 않고 가동시킬 수 있으며, 경제성이 크게 향상되고, 수소저장합금용기의 취급이 용이하고 안전하여 실용성과 상품성이 획기적으로 향상된 연료전지시스템이다.
이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.
또한, 본 발명의 상세한 설명과 특허청구범위의 기재 중 괄호를 사용하여 기재한 도면부호는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 참고로 부기한 것으로, 본 발명은 도면상의 형태로 한정되지 아니한다.
도 1은 종래의 연료전지시스템의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 연료전지시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 연료공급장치의 구성도이고,
도 4는 본 발명의 수소저장합금용기의 구성도이며,
도 5는 본 발명의 전자밸브 및 수소방출밸브의 개폐 설명도이고,
도 6은 본 발명의 시스템제어도이다.
도 7는 본 발명의 연료전지시스템을 자동차에 적용한 적용예의 개략도이고,
도 8은 본 발명의 연료전지시스템을 굴삭기에 적용한 적용예의 개략도이며,
도 9는 본 발명의 연료전지시스템을 지게차에 적용한 적용예의 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지시스템 110 : 연료전지
120 : 연료공급장치 121 : 수소저장합금용기
121a : 수소저장합금 121b : 합금저장용기
121c : 수소튜브 121d : 수소방출밸브
121e : 오리피스 121f : 볼
121g : 스프링 121h : 센서단자
121j : 수소잔량센서 121k : 온도센서
121m : 가열기 122 : 수소공급조절기
123 : 전자밸브 123a : 작용부
123b : 솔레노이드부 123c : 작동간
123d : 스프링 123e : 유공
123f : 내돌부 123g : 팩킹
123h : 전원단자 123j : 방출로
123k : 영구자석 123m : 솔레노이드
123n : 여자체 123p : 헤드
123s : 외돌부 124 : 원웨이밸브
125 : 레귤레이터 130 : 전력제어장치
140 : 축전지 141 : 수퍼캐패시터
150 : 시스템제어기 160 : 부하
200 : 구동모터 210 : 가속페달
300 : 하부주행모터 310 : 상부선회모터
320 : 유압펌프구동모터 330 : 하부주행운전레버
340 : 상부선회운전레버 350 : 작업장치운전레버
400 : 구동모터 410 : 유압펌프구동모터
420 : 가속페달 420 : 작업장치운전레버

Claims (12)

  1. 수소의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통하여 전력으로 변환시키는 연료전지(110), 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치(120), 연료전지가 발전한 직류전기를 부하가 필요로 하는 전력으로 변환하고 제어하는 전력제어장치(130), 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템의 작동에 필요한 전력을 공급하고 부하의 급격한 변화에 대응하기 위한 축전지(140) 및 연료전지시스템을 총체적으로 제어하는 시스템제어기(150)를 포함하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 축전지(140) 대신에 수퍼케패시터(141)를 설치하고,
    상기 연료공급장치(120)로 수소저장합금용기(121)를 2대 이상 병렬로 설치하고,
    수소공급조절기(122)를 추가로 설치함과 동시에,
    상기 수소공급조절기(122)를 상기 수소저장합금용기(121)와 상기 시스템제어기(150)에 연결하여,
    상기 시스템제어기(150)의 제어에 따라 상기 2대 이상의 수소저장합금용기(121) 중 하나의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)만이 개방되고 그 이외의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)는 닫힌 상태로 제어되고,
    방출중인 상기 수소저장합금용기(121)의 수소잔량이 일정수준에 도달하면 그 다음 순서의 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)가 열림과 동시에 지금까지 수소를 방출해 온 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)는 닫히도록 제어되어 연속운전이 가능하도록 되고,
    상기 수소공급조절기(122)는 전자밸브(123), 상기 전자밸브(123) 이후에 설치되는 원웨이밸브(124) 및 상기 원웨이밸브(124) 이후에 배치되는 레귤레이터(125)를 포함하며,
    상기 전자밸브(123)의 방출로(123j)와 상기 원웨이밸브(124)의 입구가 수소공급관으로 연결되고,
    상기 원웨이밸브(124)의 출구와 상기 레귤레이터(125)의 입구가 수소공급관으로 연결되며,
    상기 레귤레이터(125)의 출구는 수소공급관으로 상기 연료전지(110)에 연결되고,
    상기 전자밸브(123)가 상기 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)와 연결되어 상기 시스템제어기(150)의 제어에 따라 상기 수소방출밸브(121d)를 개폐하며,
    상기 원웨이밸브(124)는 수소를 방출하고 있지 않는 다른 수소저장합금용기(121)와 결합되어 있는 상기 전자밸브(123)로 수소가 역류하는 것을 방지하고,
    상기 전자밸브(123)의 작동에 따라 상기 수소저장합금용기(121)로부터 방출된 수소는 상기 원웨이밸브(124)를 통과하여 상기 레귤레이터(125)에 도착하며,
    상기 레귤레이터(125)는 상기 시스템제어기(150)의 제어에 따라 고압의 수소를 감압시켜서 상기 연료전지(110)가 필요로 하는 양만큼 상기 연료전지(110)에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자밸브(123)는 작용부(123a), 상기 작용부(123a)의 후면에 설치되는 솔레노이드부(123b) 및 상기 작용부(123a)와 상기 솔레노이드부(123b)의 내부에 설치되는 작동간(123c)으로 구성되고,
    상기 작용부(123a)는 선단부에 팩킹(123g)과 유공(123e)을 구비하고 후단부에 내돌부(123f)와 방출로(123j)를 구비한 내부 공간부에 스프링(123d)이 장착되고 본체의 한편에 전원단자(123h)를 설치한 구성이고,
    상기 솔레노이드부(123b)는 상기 작용부(123a)의 후면에 설치되며, 그 내부에 솔레노이드(123m), 여자체(123n) 및 영구자석(123k)이 순차적으로 설치된 구성이고,
    상기 작동간(123c)은 상기 작용부(123a)와 상기 솔레노이드부(123b)에 걸쳐 설치되는 막대형상으로 솔레노이드부(123b)측 단부에는 헤드(123p)가 형성되어 있고, 작용부(123a)측에는 외돌부(123s)가 형성되어 있으며,
    상기 전자밸브(123)에 전원이 공급되지 않은 상태에서는 상기 영구자석(123k)의 자력과 상기 스프링(123d)의 탄력에 의하여 상기 작동간(123c)이 상기 솔레노이드부(123b) 측으로 이동하여 상기 헤드(123p)가 상기 영구자석(123k)에 흡착되고 상기 외돌부(123s)가 상기 내돌부(123f)에 밀착되어 있고,
    상기 전자밸브(123)에 전원이 공급되면 상기 솔레노이드부(123b)의 여자체(123n)가 여자(勵磁)되고 상기 여자체(123n)의 자력이 상기 헤드(123p)를 당기게 되어 상기 작동간(123c)이 상기 작용부(123a)측으로 이동하여 상기 헤드(123p)가 상기 여자체(123n)에 흡착되고,
    상기 작동간(123c)이 상기 작용부(123a) 측으로 이동하면 상기 작동간(123c)의 외돌부(123s)가 상기 내돌부(123f)에서 떨어짐과 동시에 상기 작동간(123c)은 상기 수소저장합금용기(121)의 상기 수소방출밸브(121d)의 볼(121f)을 상기 수소저장합금용기(121)의 내측으로 밀게 되어 상기 수소방출밸브(121d)의 오리피스(121e)가 열리면서 상기 수소저장합금용기(121) 내의 수소가 방출되며,
    방출된 수소는 상기 전자밸브(123)의 작동간(123c)의 주위의 복수의 유공(123e)을 거쳐서 상기 내돌부(123f) 쪽으로 이동하고, 상기 작동간(123c)의 외돌부(123s)가 이미 상기 내돌부(123f)에서 떨어져 상기 내돌부(123f) 부근이 개방되어 있는 공간을 통과한 수소는 상기 방출로(123j)를 통해 상기 원웨이밸브(124)를 통과하여 상기 레귤레이터(125)로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금용기(121)의 수소방출밸브(121d)는 합금저장용기(121b)의 내부에 장착시킨 수소튜브(121c)의 상단에 설치되고 오리피스(121e), 볼(121f), 스프링(121g)이 순차적으로 내부에 설치된 구성으로,
    상기 수소방출밸브(121d)는 상시에는 닫힌 상태로 유지되고, 시스템제어기(150)의 제어에 따라 전자밸브(123)에 전원이 공급되면 상기 전자밸브(123)의 작동간(123C)에 의하여 열리게 되며,
    상기 수소방출밸브(121d)는 수소저장합금용기(121)에 수소를 충전할 때에는 수소충전밸브의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금용기(121)에 온도센서(121k)와 가열기(121m)가 설치되어, 수소저장합금(121a)의 수소방출에 필요한 열을 공급할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금용기(121)에 수소잔량센서(121j)가 설치되어 있어, 수소 저장합금용기(121) 내의 수소의 잔량을 연료게이지에 표시하고, 수소가 방출 중에는 수소의 잔량을 실시간으로 표시하며, 수소의 잔량이 일정수준에 도달하면 경고를 발할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템
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