KR101209747B1 - 차량용 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩을 포함하되, 상기 워터 트랩에는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 회생제동으로 발생하는 전기 에너지로서 상기 응축수를 전기 분해하기 위한 전기 분해부가 구성된다.

Description

차량용 연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회생 제동 에너지를 이용할 수 있도록 한 차량용 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 연료전지의 연료극에서는 미반응된 수소와, 공기극에서 넘어온 수분이 응축된 응축수를 배출하는데, 그 미반응된 수소는 수소 재순환장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되고, 응축수는 워터 트랩에 저장되며 외부로 배출된다.
그리고, 연료전지 시스템에서는 미반응 수소의 재순환 시, 연료전지 스택의 연료극에서 발생되는 이물질을 제거하기 위해 수소를 퍼지시키고 있다.
다른 한편으로, 상기와 같은 연료 전지 시스템을 채용한 차량에서는 제동 시에 제동력의 일부를 발전에 사용하여 발생된 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 충전하는 회생제동이 이루어지며, 이러한 회생 제동 에너지는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 열에너지로서 이용되고 있다.
그런데, 종래 기술에서는 상기한 회생 제동 에너지를 열로서 소진하고 있기 때문에 에너지의 손실을 야기시키고, 퍼지 수소의 배출로 인한 연료전지 스택의 수소 이용율 및 발전 효율이 저하된다는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 회생 제동 에너지를 활용하여 전체 시스템의 운전 효율 및 차량의 운전 환경을 개선할 수 있도록 한 차량용 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛과, ⅲ)상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛과, ⅳ)상기 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛과, ⅴ)상기 연료극으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩을 포함하되, 상기 워터 트랩에는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 회생제동으로 발생하는 전기 에너지로서 상기 응축수를 전기 분해하기 위한 전기 분해부가 구성된다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 수소 재순환유닛은 상기 연료 전지 스택에 대하여 수소를 퍼지시키기 위한 퍼지 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부는 제1 연결라인을 통해 상기 수소 재순환유닛과 연결될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 퍼지 밸브는 퍼지 라인에 설치되며, 상기 퍼지 라인은 상기 제1 연결라인과 연결될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 퍼지 라인으로 배출되는 퍼지 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 산소는 제2 연결라인을 통해 차량의 실내로 공급될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 워터 트랩에는 상기 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치될 수 있다.
상기 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 충전부가 만충된 경우 회생 제동 에너지를 열로서 소진하지 않고 전기 분해부에 회생제동 에너지를 인가하여 워터 트랩의 응축수를 전기 분해할 수 있으며, 전기 분해된 수소를 스택으로 공급하며 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있고, 스택으로부터 배출되는 퍼지 수소를 전기 분해된 수소와 함께 스택으로 공급할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 전기 분해된 수소와 퍼지 수소를 스택으로 공급할 수 있으므로 전체 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있으며, 전기 분해된 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있으므로 차량의 운전 환경을 개선할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지 차량에 탑재되면서 연료로 사용되는 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하며, 이렇게 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킬 수 있다.
여기서, 상기 연료 전지 차량은 연료 전지 시스템에서 발생되는 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 저장하고 그 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동시킬 수 있다.
이 경우, 상기 연료 전지 차량에서는 제동 시에 제동력의 일부를 발전에 사용하여 발생된 전기 에너지를 수퍼커패시터 또는 배터리에 충전하는데, 이러한 방식의 제동 방법을 회생제동(regenerative braking) 이라고 한다.
이하에서는 상기한 회생 제동이 이루어지는 부위를 편의 상 회생 제동부(1) 라고 정의하며, 수퍼커패시터 또는 배터리를 충전부(3) 라고 정의하기로 한다.
상기한 회생 제동부(1)와 충전부(3)는 당 업계에서 전기 자동차 또는 연료 전지 자동차에 주로 채용하는 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 회생 제동부(1)를 통한 회생 제동 에너지를 효율적으로 활용하여 전체 시스템의 운전 효율, 및 차량의 운전 환경을 개선할 수 있는 구조로서 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 스택(10)과, 공기 공급유닛(30)과, 가습기(50)와, 수소 공급유닛(70)과, 수소 재순환유닛(80)과, 워터 트랩(90)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기 스택(10)은 막-전극 어셈블리(11: MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 공기극(13) 및 연료극(15)이 배치되는 단위 연료 전지들(17)의 집합체 구조로서 이루어진다.
여기서, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤 공기(이하에서는 편의 상 "배출 공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료 전지(17)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.
상기 공기 공급유닛(30)은 연료 전지(17)의 공기극(13)으로 외부 공기를 공급하기 위한 것이다.
상기 공기 공급유닛(30)은 대기 중의 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 흡입하여 그 공기를 공기극(13)으로 공급할 수 있는 공기 블로워(31)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 가습기(50)는 연료 전지(17)의 공기극(13)으로부터 배출되는 고온 다습한 배출 공기를 이용하여, 공기 블로워(31)로부터 공급되는 공급 공기의 가습을 행하고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습 공기" 라고 한다)를 공기극(13)으로 공급하기 위한 것이다.
상기 가습기(50)는 기본적으로 하우징(51)과, 그 하우징(51)에 내장되는 막 모듈(55)을 포함하여 구성된다.
상기에서, 하우징(51)은 배출 공기를 도입하는 제1 유입부(53a)와, 공급 공기를 도입하는 제2 유입부(53b)와, 가습 공기를 배출하는 제1 배출부(53c)와, 막 모듈(55)을 통해 수분이 제거된 배출 공기를 대기 중으로 배출하는 제2 배출부(53d)를 형성하고 있다.
즉, 상기 제1 유입부(53a)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결되며, 제2 유입부(53b)는 공기 블로워(31)와 연결되고, 제1 배출부(53c)는 연료 전지(17)의 공기극(13)과 연결될 수 있다.
상기 막 모듈(55)은 하우징(51)의 내부에 내장되며, 공급 공기와 배출 공기의 수분 교환으로서 공급 공기의 가습이 이루어지는 중공사막(56)(당 업계에서는 "중공사튜브" 라고도 한다)으로서 구비될 수 있다.
상기에서, 수소 공급유닛(70)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료극(15)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(71)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 그 가습된 믹싱 수소를 연료극(15)으로 공급하기 위한 것이다.
여기서, 상기 수소 재순환유닛(80)은 연료극(15)으로부터 배출되는 고온 다습한 수소를 흡입하는 수소 블로워(81)와, 그 수소 블로워(81)를 통해 흡입된 고온 다습한 수소와 수소 탱크(71)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 연료극(15)으로 공급하는 이젝터(83)와, 그 수소를 대기 중으로 방출(퍼지)시키기 위한 퍼지 밸브(85)를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 퍼지 밸브(85)는 스택(10)에 있어 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 연결되는 퍼지 라인(86)에 설치되는데, 이 퍼지 라인(86)은 스택(10)으로부터 퍼지 수소를 배출시키는 배출 라인으로서 이루어진다.
한편, 상기 워터 트랩(90)은 연료 전지(17)의 연료극(15)으로부터 배출되는 응축수를 저장하기 위한 것이다.
즉, 상기 연료 전지(17)의 공기극(13)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 수분이 생성되는데, 이렇게 생성된 수분 중의 일부는 액체 또는 기체 형태로 막-전극 어셈블리(11)의 전해질막을 통하여 연료극(15)으로 넘어오게 되며 별도의 워터 트랩(90)에서 응축수로 저장된다.
상기 워터 트랩(90)에는 일정 수위로 저장된 응축수를 배출시키기 위한 응축수 드레인 밸브(91)가 연결되게 구성되는 바, 이러한 응축수 드레인 밸브(91)는 전기적인 신호에 의해 밸브 통로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 솔레노이드 밸브로서 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)은 위에서 언급한 바 있는 충전부(3)가 만충되었을 경우, 회생 제동부(1)를 통하여 얻어지는 전기 에너지를 열 에너지 등으로 소진하지 않고, 그 전기 에너지를 이용하여 워터 트랩(90) 내의 응축수를 전기 분해할 수 있다.
이에, 본 실시예에 의한 상기 워터 트랩(90)에는 응축수를 전기 분해할 수 있는 전기 분해부(93)가 구성된다.
상기 전기 분해부(93)는 워터 트랩(90)의 내부에서 응축수를 제공받아 그 응축수에 전기 에너지를 가해서 물을 수소와 산소로 분해할 수 있다.
이러한 전기 분해부(93)는 양극판과 음극판을 구비하며 양극판에서 산화 반응을 통해 산소를 얻고 음극판에서 환원 반응을 통해 수소를 얻는 공지 기술의 전기 분해 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 상기 전기 분해부(93)는 제1 연결라인(94)을 통해 수소 재순환유닛(80)으로 연결되는데, 예를 들면 수소 블로워(81)로 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 전기 분해부(93)에서 응축수의 전기 분해로 얻어지는 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 수소 재순환유닛(80)의 수소 블로워(81)로 공급되고, 그 수소 재순환유닛(80)을 통하여 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 제1 연결라인(94)은 위에서 언급한 바 있는 퍼지 라인(86)과 연결될 수 있다. 이에, 퍼지 밸브(85)의 작동으로서 스택(10)으로부터 배출되는 퍼지 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 상기 전기 분해된 수소와 함께 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 전기 분해부(93)에서 얻어진 산소를 제2 연결라인(95)을 통하여 차량의 실내로 공급할 수 있다.
이러한 제2 연결라인(95)은 공지 기술에 따른 차량의 공조 시스템(도면에 도시되지 않음)으로 연결될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 공기 공급유닛(30), 수소 공급유닛(70), 및 수소 재순환유닛(80)을 통해 수소와 공기가 스택(10)으로 공급되고, 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
이러한 전기 에너지는 수퍼커패시터 또는 배터리의 충전부(3)에 충전되는데, 상기 과정에서 연료 전지(17)의 공기극(13)에서 연료극(15)으로 넘어온 수분은 워터 트랩(90)에 응축수로 저장되고, 그 응축수는 드레인 밸브(91)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 회생 제동부(1)를 통해 회생 제동 에너지(전기 에너지)를 충전부(3)에 충전하는데, 제어기(도면에 도시되지 않음)를 통해 충전부(3)가 만충되었다고 판단된 경우, 회생 제동에 따른 전기 에너지는 워터 트랩(90)에 구성된 전기 분해부(93)에 인가된다.
그러면, 상기 전기 분해부(93)는 워터 트랩(90)에 저장된 응축수를 수소와 산소로 전기 분해한다. 이 중에서 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 수소 재순환유닛(80)의 수소 블로워(81)로 공급되고, 그 수소 재순환유닛(80)을 통하여 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.
한편, 상기 스택(10)에서는 퍼지 라인(86)을 통하여 퍼지 수소를 배출하는데, 이 퍼지 수소는 제1 연결라인(94)을 통하여 상기 전기 분해된 수소와 함께 연료 전지(17)의 연료극(15)으로 공급된다.
다른 한편으로, 상기 전기 분해부(93)에서 얻어진 산소는 제2 연결라인(95)을 통하여 차량의 실내로 공급되는데, 차량의 공조 시스템(도면에 도시되지 않음)을 통하여 차내로 공급될 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 차량용 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 충전부(3)가 만충된 경우, 회생 제동 에너지를 열로서 소진하지 않고 전기 분해부(93)에 회생제동 에너지를 인가하여 워터 트랩(90)의 응축수를 전기 분해할 수 있으며, 전기 분해된 수소를 스택으로 공급하고 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있고, 스택(10)으로부터 배출되는 퍼지 수소를 전기 분해된 수소와 함께 스택으로 공급할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 전기 분해된 수소와 퍼지 수소를 스택(10)으로 공급할 수 있으므로 스택(10)의 수소 이용율 및 발전 효율을 향상시킬 수 있으며, 전기 분해된 산소를 차량의 실내로 공급할 수 있으므로 차량의 운전 환경을 개선할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1... 회생 제동부 3... 충전부
10... 스택 17... 연료 전지
30... 공기 공급유닛 31... 공기 블로워
50... 가습장치 51... 하우징
55... 막 모듈 56... 중공사막
70... 수소 공급유닛 80... 수소 재순환유닛
85... 퍼지 밸브 86... 퍼지 라인
90... 워터 트랩 91... 드레인 밸브
93... 전기 분해부 94... 제1 연결라인
95... 제2 연결라인

Claims (7)

  1. 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 스택;
    상기 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛;
    상기 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급유닛;
    상기 연료극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 상기 수소 공급유닛으로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 상기 연료극으로 공급하는 수소 재순환유닛; 및
    상기 연료극으로부터 배출되는 응축수를 저장하는 워터 트랩
    을 포함하되,
    상기 워터 트랩에는 수퍼커패시터 또는 배터리의 만충 시, 회생제동으로 발생하는 전기 에너지로서 상기 응축수를 전기 분해하기 위한 전기 분해부가 구성되는 차량용 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 재순환유닛은,
    상기 연료 전지 스택에 대하여 수소를 퍼지시키기 위한 퍼지 밸브를 더 포함하는 차량용 연료 전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전기 분해부는 제1 연결라인을 통해 상기 수소 재순환유닛과 연결되며, 상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 퍼지 밸브는 퍼지 라인에 설치되며, 상기 퍼지 라인은 상기 제1 연결라인과 연결되고,
    상기 퍼지 라인으로 배출되는 퍼지 수소는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 스택으로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전기 분해부에서 응축수의 전기 분해로 얻어진 산소는 제2 연결라인을 통해 차량의 실내로 공급되는 차량용 연료 전지 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 워터 트랩에는 상기 응축수를 선택적으로 배출하기 위한 드레인 밸브가 설치되는 차량용 연료 전지 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 공기극으로부터 배출되는 배출 공기와 상기 공기 공급유닛으로부터 공급되는 건조 공기의 막 가습이 이루어지고 그 가습된 공기를 상기 공기극으로 공급하는 가습기를 더 포함하는 차량용 연료 전지 시스템.
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