KR101154599B1 - 차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법 - Google Patents

차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 수소저장시스템에 관한 것으로, 내부에 열교환기(13)가 설치되고 화학적 수소화물이 충진되며, 물을 공급받아 물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 생산하는 반응용기(11)와, 상기 반응용기()에 설치되고 상기 반응용기(11)의 압력을 감지하는 압력센서(37)와, 상기 압력센서(37)의 감지신호를 인가받아 상기 반응용기(11)의 압력이 운전압력을 벗어난 것으로 판단되면 상기 반응용기(11)에 공급하는 물의 공급량을 제어하는 제어부(39)를 포함한다.
본 발명은 수소저장량을 증가시키고 차량의 초기 시동시 원활한 수소 공급이 가능하도록 하며 운전시 스택에 수소 공급이 원활하게 하여 연료전지 차량의 1충전 주행거리를 향상시키는데 크게 기여한다.

Description

차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법{Hydrogen storage system for vehicle and Hydrogen storage method thereof}
본 발명은 차량용 수소저장시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에 탑재되는 차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법에 관한 것이다.
연료전지 차량의 상용화에 필수적인 요건 중 하나는 내연기관 차량에 상응하는 1충전 주행거리 목표 달성이다. 예를 들어, 500km에 달하는 주행거리 목표를 달성하기 위해 약 5kg 이상의 수소를 차량에 탑재할 수 있는 기술이 필요하다.
현재 연료전지 차량에는 350bar 또는 700bar의 고압 수소저장시스템이 적용되고 있으나 수소저장량을 증가시키는데 한계를 보이고 있다.
350bar 수소저장시스템은 수소 기체의 낮은 부피저장 밀도로 인해 연료전지 차량의 상용화에 필수적인 1충전 주행거리 목표를 달성하는데 한계를 보이고 있을 뿐 아니라 패키지 측면에서도 불리한 점이 있다.
700bar 수소저장시스템은 압력을 더욱 증대시킨 것으로 350bar 수소저장시스템에 비해 패키지 측면에서 유리하나 가격, 무게, 안정성, 수소 충전소 인프라 구축의 효율성 측면에서 불리한 점이 많다.
이에 각 연료전지 차량 개발업체는 새로운 수소저장시스템에 대한 연구를 진행하고 있으며 고압 수소저장시스템을 대체하기 위한 대안으로 액체수소, 고체상태 수소저장재료, 슬러리 상태의 수소발생재료 등을 이용한 수소저장시스템이 연구되고 있다.
이 중 액체수소를 이용한 수소저장시스템은 수소 액화 온도가 -253℃로 낮아 액화시키는데 사용되는 에너지가 수소가 가진 에너지의 30% 이상 소요되어 효율성이 고려되어야 하며, 극 저온상태에서 수소를 저장하기 때문에 계속적으로 증발이 일어나 저장용기의 내압이 상승하므로 지속적으로 발생된 수소가스를 저장용기 외부로 방출시켜야 하는 등 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 질량 저장밀도가 높도록 화학적 수소화물(Chemical hydride)을 이용한 연료전지를 사용하고, 또 차량의 초기 시동시 원활한 수소 공급이 가능하도록 한 차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 열교환기가 설치되고 화학적 수소화물이 충진되며, 물을 공급받아 물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 생산하는 반응용기와; 상기 반응용기에 설치되고, 상기 반응용기의 압력을 감지하는 압력센서와; 상기 압력센서의 감지신호를 인가받아 상기 반응용기의 압력이 운전압력을 벗어난 것으로 판단되면, 상기 반응용기에 공급하는 물의 공급량을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 반응용기에서 생산된 수소의 과잉분을 저장하는 버퍼용기가 구비된다.
상기 운전압력은 100bar 반응용기 기준으로 50~80bar이다.
상기 제어부는 상기 반응용기의 압력이 50bar 미만이면, 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급한다.
상기 제어부는 상기 반응용기에 물을 공급하는 과정에서 상기 반응용기의 압력이 80bar을 초과하면 물 공급을 중단한다.
상기 제어부는 키오프(key off)가 감지되면, 상기 키오프시의 반응용기의 압력과 상기 운전압력의 최대값의 압력 차이에 해당되는 물의 당량을 계산하고 물 공급량을 산출하여 상기 반응용기에 물을 공급한다.
압력센서가 반응용기의 압력을 감지하는 단계; 제어부가 상기 압력센서가 감지한 반응용기의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이라고 판단하면 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급하는 단계를 포함한다.
상기 제어부가 키오프(key off)인지를 판단하는 단계를 더 포함하며, 키오프라고 판단되면 상기 제어부는 상기 키오프시의 반응용기의 압력과 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급한다.
본 발명의 차량용 수소저장시스템 및 이의 수소저장방법은 질량 저장밀도가 높은 화학적 수소화물을 사용하므로 수소저장량을 증가시킬 수 있으며, 키오프시 다음 필요한 수소를 미리 생산함으로써 연료전지 차량의 초기 시동시 원활한 수소 공급이 가능하며, 버퍼용기의 추가 구성으로 과잉분 수소를 추가 저장하는 것이 가능하며, 운전압력이 100bar 반응용기 기준으로 50~80bar가 유지되도록 하므로 스택에 수소 공급이 원활한 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 연료전지 차량의 1충전 주행거리를 향상시키면서도 시스템의 무게는 저감시켜 연료전지 차량의 상용화에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 차량용 수소저장시스템의 바람직한 실시예를 보인 구성도.
도 2는 본 발명의 차량용 수소저장시스템의 수소저장방법이 적용된 플로차트.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 차량용 수소저장시스템(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 물을 공급받아 물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 생산하는 반응용기(11)와, 반응용기(11)의 압력을 감지하는 압력센서(37)와, 압력센서(37)의 감지신호를 인가받아 반응용기(11)의 압력이 운전압력을 벗어난 것으로 판단되면 반응용기(11)에 공급하는 물의 공급량을 제어하는 제어부(39)를 포함한다.
반응용기(11)는 내부에 열교환기가 설치되고 화학적 수소화물이 충진된다. 열교환기(13)는 화학적 수소화물과 적절한 열교환을 위한 것이며, 화학적 수소화물(Chemical hydride)은 순수한 수소가 가지고 있는 낮은 에너지 밀도를 극복하기 위해 사용된다.
화학적 수소화물로는 암모니아 보란(Ammonia Borane), MgH2, 알루미늄(Aluminum) 등이 사용될 수 있다. 화학적 수소화물은 물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 생산하며, 생산된 수소는 필터(17)를 거쳐 스택(19)으로 공급된다.
이러한 화학적 수소화물은 질량 저장밀도가 높은 편이나 수소 반응 속도 제어에 어려움이 있다.
수소 반응 속도의 용이한 제어를 위해 고압의 반응용기(11)를 사용한다. 반응용기는 10bar 이상 700bar 이하의 반응용기가 사용 가능하다.
반응용기(11)의 압력이 10bar 미만이면 가수분해 반응에 의해 수소가 생성되더라도 생성된 수소를 상압 조건에서 사용하므로 정확한 수소 생산을 제어하기 어렵고 또, 초기 시스템 구동시 필요한 수소를 원활하게 공급하기 어렵다. 그리고, 700bar를 초과하는 반응용기는 그 제작이 어렵다.
본 실시예의 경우 100bar의 반응용기(11)를 사용한다. 이하에서 설명하는 조건은 100bar 반응용기(11)를 기준으로 설명한다.
반응용기(11)에서 생산된 수소의 과잉분을 저장하는 버퍼용기(15)가 구비된다. 버퍼용기(15)는 반응용기(11)에서 생산된 수소와 스택(19)에서 사용되는 수소의 밸런스 유지를 위해 구비된다. 버퍼용기(15)도 반응용기(11)와 동일하게 100bar의 용기를 사용한다. 버퍼용기(15)에 저장된 수소는 차량 초기 구동시 이용될 수 있다.
반응용기(11)의 배출라인(21)과 버퍼용기(15)의 유입라인(23) 사이 구간에 라디에이터(25)와 워터펌퍼(27)가 구비된다.
상기 워터펌퍼(27)와 라디에이터(25)는 가수분해 반응의 반응열을 냉각시키기 위한 냉각장치이다. 화학적 수소화물과 물을 사용하여 수소를 생산하는 가수분해 반응은 대부분이 발열 반응이므로 반응열을 냉각시켜줄 냉각장치가 필요하다. 라디에이터(25)는 수소 충전시 냉각을, 수소 방출시 수소를 가열하는역할을 한다.
반응용기(11)에 물을 공급하기 위한 물저장탱크(29)가 구비된다. 물저장탱크(29)의 물은 반응용기(11)와 물저장탱크(29)의 사이에 설치된 고압의 워터펌퍼(31) 및 반응용기(11)의 물공급구(33)에 설치된 인젝터(35)를 사용하여 반응용기 내부로 고압 분사된다.
고압의 반응용기(11) 사용에 따라 고압 분사를 수행하며, 고압 분사는 반응용기(11) 내에 공급되는 물을 최대한 넓게 분사시킴으로써 가수분해 반응 면적을 넓히고 반응 속도를 빠르게 하는 역할을 한다.
반응용기(11)의 운전압력은 100bar 반응용기(11)를 기준으로 50~80bar이다.
반응용기(11)에 압력센서(37)가 설치되며, 압력센서(37)는 반응용기(11)의 압력을 감지한다. 압력센서(37)가 감지한 반응용기(11)의 압력은 제어부(39)로 전달되며, 제어부(39)는 반응용기(11)의 압력이 50~80bar, 바람직하게는 80bar를 유지하도록 반응용기(11)에 공급하는 물의 공급량을 결정한다.
100bar 반응용기(11) 기준으로 운전압력의 하한치를 50bar로 설정한 것은 스택에서 수소 반응이 일어나기 전 스택(19)에 필요한 수소를 공급하기 위함이고 상한치를 80bar로 설정한 것은 이상 반응이 발생할 경우에 대비하여 안전마진을 고려한 하기 위한 것이다.
제어부(39)는 반응용기(11)의 압력이 50bar 미만이면, 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 반응용기(11)에 물을 공급한다.
구체적으로, 제어부(39)는 압력센서가 감지한 반응용기(11)의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이면 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위하여 반응에 필요한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정한 후 고압의 워터펌퍼(31) 및 인젝터(35)를 사용하여 반응용기(11)에 고압의 물을 분사한다.
만약, 반응용기(11)에 물을 공급하는 과정에서 반응용기(11)의 압력이 80bar을 초과하면 제어부(39)는 반응용기(11)로의 물 공급을 중단할 수 있다.
또한, 제어부(39)는 키오프(key off)가 감지되면, 키오프시의 반응용기(11)의 압력과 운전압력의 최대값의 압력 차이에 해당되는 물의 당량을 계산하고 물 공급량을 산출하여 반응용기(11)에 물을 공급한다. 여기서, 키오프는 차량의 시동을 끄는 것을 의미하며, 키오프의 감지를 위한 별도의 감지센서가 적용될 수 있다.
구체적으로, 제어부(39)는 키오프가 감지되면 키오프시의 반응용기(11)의 압력과 상기 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정한 후 고압의 워터펌퍼(31) 및 인젝터(35)를 사용하여 반응용기(11)에 고압의 물을 분사한다.
키오프의 감지 후 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 반응용기(11)에 고압의 물을 분사하는 것은 다음 시동 전까지 반응용기(11) 내의 수소 압력이 80bar를 유지하도록 함으로써 초기 시동시에 원활한 수소 공급이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 키오프시(시동이 꺼진 후)에도 1회에 한하여 반응용기(11)에 물을 공급하여 재시동시에 필요한 수소를 미리 생산할 수 있도록 한다. 키오프시 생산된 수소는 반응용기(11), 또는 반응용기(11)와 버퍼용기(15) 모두에 저장될 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 차량용 수소저장시스템(10)은 압력센서(37)가 반응용기(11)의 압력을 감지하는 단계와, 제어부(39)가 압력센서(37)가 감지한 반응용기(11)의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이라고 판단하면 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 반응용기(11)에 물을 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 차량용 수소저장시스템은 제어부(39)가 키오프(key off)인지를 판단하는 단계를 더 포함하며, 키오프라고 판단되면 제어부(39)는 키오프시의 반응용기(11)의 압력과 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 반응용기(11)에 물을 공급한다.
참고로 도시되지는 않았지만, 버퍼용기(15)에도 압력센서가 구비되어 버퍼용기(15)의 압력을 감지하도록 할 수 있다.
이하 본 발명의 작용을 설명한다.
도 2에는 본 발명의 차량용 수소저장시스템의 수소저장방법이 적용된 플로차트가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 차량용 수소저장시스템(10)은 시동과 동시에 가동되되며, 압력센서(37)가 반응용기의 압력을 실시간으로 감지하고 감지한 압력정보는 제어부(39)로 전송된다.
제어부(39)는 전송된 압력정보를 판단하여, 반응용기(11)의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이면, 100bar 반응용기(11) 기준으로 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정한 후, 고압의 워터펌퍼(31) 및 인젝터(35)를 사용하여 반응용기(11)에 고압의 물을 분사한다.
고압의 물 분사에 의해 반응용기(11) 내에 가수분해 반응이 촉진되고 수소가 생산되며 반응용기(11)의 압력이 상승한다. 물의 당량 계산에 의해 반응용기(11)의 압력은 80bar까지 상승 가능하다.
또한, 제어부(39)는 전송된 반응용기(11)의 압력정보를 판단하여, 반응용기(11)의 압력이 100bar 반응용기(11) 기준으로 50bar 미만이 아니면 키오프인지를 확인한다. 확인 결과, 키오프가 아니면 다시 실시간으로 반응용기(11)의 압력이 50bar 미만인지를 판단한다.
상술한 사이클은 운전 중 순환 반복되며 반응용기(11)의 압력이 50~80bar, 바람직하게는 80bar를 유지하도록 한다.
참고로, 이 과정에서 반응용기(11)에서 생산된 수소의 과잉분은 버퍼용기(15)가 저장한다.
다음으로 키오프시의 작용을 설명한다.
만약, 키오프가 되면 반응용기(11)의 압력이 낮아지며, 압력센서(37)가 감지한 압력정보는 제어부(39)로 전송된다.
제어부(39)는 전송된 압력정보를 판단하여, 반응용기(11)의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이면 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정한 후, 고압의 워터펌퍼(31) 및 인젝터(35)를 사용하여 반응용기(11)에 고압의 물을 분사한다.
예를 들어, 급격한 가속을 통해 수소량이 감소하여 반응용기의 압력이 40bar가 되면 40bar 승압[40bar→80bar]을 위한 수소 생산량을 계산하고 반응 당량비에 따라 물 분사량을 결정한다.
한편, 물 분사에 의해 반응용기(11)의 압력은 상승하고, 이 과정에서 제어부(39)로 전송된 반응용기(11)의 압력이 50bar 미만이 아니면 제어부(39)는 키오프인지를 확인한다.
확인 결과, 키오프라고 판단되면 제어부(39)는 키오프시의 반응용기(11)의 압력과 반응용기(11)의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 반응용기(11)에 물을 공급한 후 수소저장시스템의 가동을 종료한다. 여기서, 키오프시의 반응용기의 압력은 키오프인지를 판단하는 시점의 반응용기의 압력이다.
이와 같이, 시동이 꺼진 후에도 1회에 한하여 반응용기(11)에 물을 공급하여 재시동시(초기 시동시)에 필요한 수소를 미리 생산함으로써 재시동시 수소 공급량 부족 문제를 해결할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10:수소저장시스템 11:반응용기
13:열교환기 15:버퍼용기
17:필터 19:스택
21:배출라인 23:유입라인
25:라디에이터 27:워터펌퍼
29:물저장탱크 31:워터펌퍼
33:물공급구 35:인젝터
37:압력센서 39:제어부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 내부에 열교환기가 설치되고 화학적 수소화물이 충진되며, 물을 공급받아 물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 생산하는 반응용기와;
    상기 반응용기에 설치되고, 상기 반응용기의 압력을 감지하는 압력센서와; 상기 압력센서의 감지신호를 인가받아 상기 반응용기의 압력이 운전압력을 벗어난 것으로 판단되면, 상기 반응용기에 공급하는 물의 공급량을 제어하는 제어부와;
    상기 반응용기에서 생산된 수소의 과잉분을 저장하고 상기 반응용기로 저장된 수소를 공급하도록, 상기 반응용기에서 나온 배출라인(21)에 라디에이터(25)와 함께 워터펌퍼(27)가 설치되고, 상기 워터펌퍼(27)에서 나와 상기 반응용기로 들어가는 유입라인(23)에 구비된 버퍼용기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 수소저장시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 반응용기의 100bar 운전압력을 기준으로 할 때, 상기 반응용기의 압력이 50bar 미만일 때 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급하고,
    상기 제어부는 상기 반응용기에 물을 공급하는 과정에서 상기 반응용기의 압력이 80bar을 초과하면 물 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 차량용 수소저장시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는 키오프(key off)가 감지되면, 상기 키오프시의 반응용기의 압력과 상기 운전압력의 최대값의 압력 차이에 해당되는 물의 당량을 계산하고 물 공급량을 산출하여 상기 반응용기에 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 차량용 수소저장시스템.
  7. 삭제
  8. 압력센서가 반응용기의 압력을 감지하는 단계;
    제어부가 상기 압력센서가 감지한 반응용기의 압력이 100bar 반응용기 기준으로 50bar 미만이라고 판단하면 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급하는 단계;
    키오프라고 판단되면 상기 제어부는 상기 키오프시의 반응용기의 압력과 상기 반응용기의 압력이 80bar에 도달하기 위한 물의 당량을 계산하고 물의 공급량을 결정하여 상기 반응용기에 물을 공급하기 위해 키오프(key off)인지를 판단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 수소저장시스템의 수소저장방법.
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