KR101290712B1 - 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하여 배터리를 충전하는 것에 의해 급속 충전으로 인한 배터리 수명 단축 문제를 극복하고 수소 공급을 위한 인프라 구축 문제를 해결할 수 있도록 한 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템에 관한 것으로, 연료전지에 공급되는 연료를 생성하기 위한 제 1 반응체를 공급하는 위한 제 1 반응체 공급 장치와, 제 2 반응체를 공급하기 위한 제 2 반응체 공급 장치와, 상기 제 1,2 반응체의 반응 온도를 높이기 위한 히팅 장치를 구비하고 상기 제 1,2 반응체를 반응시켜 수소를 발생시키는 수소 발생 장치를 포함하고 전기 자동차에 탑재되는 연료 생성 장치;상기 연료 생성 장치로부터 공급되는 수소를 이용하여 배터리 충전을 위한 전원을 발생하는 고분자 전해질 연료전지;상기 연료전지로부터 공급되는 전원에 의해 충전되고, 충전된 전원을 모터 구동을 위하여 출력하는 배터리;상기 배터리에서 공급되는 전원에 의해 구동되는 모터;를 포함하고,상기 제 1 반응체는 물이고, 제 2 반응체는 붕소인 것이다.
Description
본 발명은 전기 자동차 동력 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 수소를 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 전기자동차의 주동력원인 배터리 충전에 사용하는 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템에 관한 것이다.
자동차의 주동력원으로 사용되는 내연기관은 이산화탄소 및 각종 오염 물질의 배출원으로 사람이 생활하는 주거 및 활동 공간의 대기 오염에도 상당한 영향을 미치고 있다.
따라서, 자동차와 같은 육상 운송 수단에 대한 배출 가스에 대한 규제가 점차 강화되고 있으며, 그에 따라, 화석연료가 아닌 다른 동력원을 사용할 수 있는 운송 수단에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
이산화탄소 발생의 주범인 화석연료를 대체할 수 있는 동력원으로 가장 바람직한 것은 전기 에너지로, 전기로 구동되는 운송 수단은 공해를 발생시키지 않으면서 소음 발생량도 적은 장점이 있다.
이와 같은 전기 자동차에서 동력원으로 사용하는 배터리는 반복적으로 급속 충전을 하여야 하고, 충전시에 운송 수단의 이동이 제한되는 문제가 있다.
또한, 충전 횟수가 증가함에 따라 배터리의 성능이 급속히 저하될 뿐만 아니라, 배터리 수명도 빠르게 단축되는 문제점이 있다.
이와 같은 운송용 동력원으로서의 2차 전지가 갖고 있는 단점들과, 내연기관이 가지고 있는 공해 문제를 한 번에 해결할 수 있는 장치 즉, 2차 전지와 같이 충전을 필요로 하지 않을 뿐 아니라, 화석연료의 직접 연소에 따른 각종 문제점들을 해결하는 동시에, 공해를 거의 발생시키지 않으면서 전기를 직접 생산할 수 있는 연료전지가 개발되었다.
그러나 연료전지의 경우 높은 전압이 요구되는 고속 운전 영역에서는 출력 전압이 급격히 감소하여 구동 모터에 필요로 되는 충분한 전기를 공급하지 못하여 전기자동차의 동력원으로 사용하는데 한계가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 엔진과 연료전지를 함께 사용하는 하이브리드 차량이 개발되었으나 엔진을 주동력원으로 사용함에 따라 여전히 공해를 발생시키는 문제가 있다.
그리고 충방전이 가능한 2차 전지와 연료전지를 같이 전기자동차의 동력원으로 사용하는 방법이 제안되고 있으나, 일반 운송 수단용으로까지는 폭 넓게 사용되지 못하고 특수 목적용으로만 한정된 범위에서 사용되고 있는 실정이다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 전기 자동차의 동력 공급 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 수소를 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 전기자동차의 주동력원인 배터리 충전에 사용하는 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 수소 발생량이 가장 높고, 습도에 영향을 받지 않고, 점화 온도(ignition temperature)가 높아 저장과 운송에 용이한 붕소를 사용하여 수소를 발생시켜 연료 전지에 공급하는 것에 의해 안정성 및 효율성을 높인 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연료 전지에 수소를 공급하기 위하여 사용되는 붕소의 반응온도를 높이기 위한 버너(heating system)를 장착하여 수소 발생 효율을 높일 수 있도록 한 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 공급하는 것에 의해 연료전지가 지속적으로 배터리 충전을 하여 급속 충전으로 인한 배터리 수명 단축 문제를 해결할 수 있도록 한 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하는 것에 의해 수소 공급을 위한 인프라 구축 문제를 해결할 수 있도록 한 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템은 연료전지에 공급되는 연료를 생성하기 위한 제 1 반응체를 공급하는 위한 제 1 반응체 공급 장치와, 제 2 반응체를 공급하기 위한 제 2 반응체 공급 장치와, 상기 제 1,2 반응체의 반응 온도를 높이기 위한 히팅 장치를 구비하고 상기 제 1,2 반응체를 반응시켜 수소를 발생시키는 수소 발생 장치를 포함하고 전기 자동차에 탑재되는 연료 생성 장치;상기 연료 생성 장치로부터 공급되는 수소를 이용하여 배터리 충전을 위한 전원을 발생하는 고분자 전해질 연료전지;상기 연료전지로부터 공급되는 전원에 의해 충전되고, 충전된 전원을 모터 구동을 위하여 출력하는 배터리;상기 배터리에서 공급되는 전원에 의해 구동되는 모터;를 포함하고, 상기 제 1 반응체는 물이고, 제 2 반응체는 붕소인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 수소 발생 장치에서의 반응에 따른 반응물의 재사용을 위한 순환 장치 및 연료전지에 공급되는 연료의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 수소 발생 장치에서의 반응에 따른 반응물의 재사용을 위한 순환 장치 및 연료전지에 공급되는 연료의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
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이와 같은 본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 수소를 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 전기자동차의 주동력원인 배터리 충전에 사용하여 전기자동차의 주행 거리를 연장할 수 있다.
둘째, 수소 발생량이 가장 높고, 습도에 영향을 받지 않고, 점화 온도(ignition temperature)가 높아 저장과 운송에 용이한 붕소를 사용하여 안정성 및 효율성을 높일 수 있다.
셋째, 연료 전지에 수소를 공급하기 위하여 사용되는 붕소의 반응온도를 높이기 위한 버너(heating system)를 장착하여 수소 발생 효율을 높일 수 있다.
넷째, 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하여 배터리를 충전하므로 급속 충전으로 인한 배터리 수명 단축 문제를 극복할 수 있다.
다섯째, 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하여 배터리를 충전하므로 수소 공급을 위한 인프라 구축 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도
이하, 본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성도이다.
본 발명은 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하여 배터리를 충전하는 것에 의해 급속 충전으로 인한 배터리 수명 단축 문제를 극복하고 수소 공급을 위한 인프라 구축 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템의 가장 큰 특징은 연료 전지에 공급되는 연료 즉, 수소와 같은 에너지 담체를 별도로 저장하는 연료 저장 탱크를 구비하지 않는 것이다.
연료 전지에 공급하기 위한 연료를 저장하는 연료 탱크를 차량에 탑재하는 경우에는 해당 연료를 충전하기 위한 충전소 개념의 인프라를 구축해야 하는 문제가 발생한다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템은 도 1에서와 같이 차량에 수소 발생 장치를 탑재하는 것이다.
구체적으로, 차량 구동 모터에 전원을 공급하기 위한 배터리와, 상기 배터리를 충전하기 위한 연료전지와, 연료 전지에 공급되는 연료를 생성하기 위한 연료 생성 장치를 포함한다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 연료 생성 장치는 재생 가능하며 에너지 밀도가 높은 알루미늄 카트리지를 이용하여 수소를 제조하는 것이고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료 생성 장치는 지속가능한 에너지공급시스템으로 붕소(Boron)와 물의 가수 분해로 수소를 생성하는 것이다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템의 상세 구성은 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도이다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 고분자 전해질 연료전지로부터 생산된 전력을 전기자동차의 배터리의 충전에 사용하는 것이다.
즉, 재생 가능하며 에너지 밀도가 높은 알루미늄 카트리지를 이용하여 수소를 제조하고 소규모 고분자 전해질 연료전지로부터 생산된 전력을 전기자동차의 배터리의 충전에 사용하는 것으로, 제 1 반응체로 수산화나트륨을 사용하고, 제 2 반응체로 알루미늄 파우더를 사용하는 것이다.
먼저, 전기 자동차에 탑재되는 연료 생성 장치(10)가, 제 1 반응체로 수산화나트륨과 같은 반응액을 저장하는 반응액 저장 장치(11)와, 반응액 저장 장치(11)의 반응액을 수소 발생 장치로 공급하기 위한 마이크로 펌프(13)와, 제 2 반응체로 사용되는 알루미늄 파우더를 수소 발생 장치로 공급하기 위한 알루미늄 파우더 공급 장치(12)와, 알루미늄 파우더 공급 장치(12)에서 공급되는 알루미늄 파우더 및 마이크로 펌프(13)에서 공급되는 수산화나트륨을 반응시켜 수소를 발생시키는 수소 발생 장치(14)를 포함하고 구성된다.
그리고 수소 발생 장치(14)에서 공급되는 수소를 이용하여 전원을 발생하는 고분자 전해질 연료전지(20)와, 연료전지(20)에서 생성된 전원을 충전에 적합하도록 변환하는 DC/DC 컨버터(21)와, DC/DC 컨버터(21)에서 출력되는 충전 전원을 일정 레벨로 유지하기 위한 충전 제어기(22)와, 충전 제어기(22)에 의해 공급되는 전원에 의해 충전되고, 충전된 전원을 모터 구동을 위하여 출력하는 배터리(30)와, 배터리(30)에서 공급되는 전원을 이용하여 모터 구동을 제어하는 모터 제어기(31)와, 모터 제어기(31)에 의한 구동 전원 제어에 의해 구동되어 차량의 구동력을 제공하는 모터(40)를 포함하고 구성된다.
여기서, 수소 발생 장치(14)에서의 반응에 따른 반응물의 재사용을 위한 순환 장치 및 연료전지(20)에 공급되는 연료의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단이 더 구비될 수 있다.
또한, 배터리(30)를 외부 전원을 이용하여 충전하기 위한 외부 충전 인터페이스 장치들이 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 전 세계적으로 이산화탄소 배출 규제가 강화되면서 이산화탄소 저감 목표에 기여할 수 있도록 재활용 가능하고 순환하여 친환경적으로 사용할 수 있는 수산화나트륨/알루미늄 반응기로 수소를 제조하고 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 공급하는 것이다.
연료전지를 전기자동차의 주동력원으로 사용하는 것이 아니고, 최대 효율에서 정숙 운전을 하여 배터리를 충전함으로써 배터리의 낮은 에너지밀도로 인한 전기자동차의 짧은 주행거리, 급속충전으로 인한 배터리 수명을 보완할 수 있도록 한 것이다.
따라서, 알루미늄 유동반응로가 수소를 제조하여 연료전지가 지속적으로 배터리 충전을 함으로써 전기자동차가 가지고 있는 짧은 주행거리와 급속충전으로 인한 배터리 수명 단축을 극복함과 동시에 수소 인프라 구축 문제도 동시에 해결할 수 있다.
이하에서 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템의 구성 블록도이다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 재활용 가능하고 순환하여 친환경적으로 사용할 수 있는 붕소(Boron)와 물의 가수 분해로 생성되는 수소를 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 공급하는 것이다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 제 1 반응체로 물을 사용하고, 제 2 반응체로 금속 즉, 붕소를 사용하는 것이다.
이를 위하여, 도 3에서와 같이, 전기 자동차에 탑재되는 연료 생성 장치(50)가, 제 1 반응체로 물과 같은 반응액을 저장하는 반응액 저장 장치(51)와, 반응액 저장 장치(51)의 반응액을 수소 발생 장치로 공급하기 위한 마이크로 펌프(53)와, 제 2 반응체인 붕소를 수소 발생 장치로 공급하기 위한 붕소 공급 장치(52)와, 붕소 공급 장치(52)에서 공급되는 붕소 및 마이크로 펌프(53)에서 공급되는 물을 반응시켜 수소를 발생시키는 수소 발생 장치(54)와, 붕소와 물의 가수분해를 진행하는 과정에서 반응 온도를 높이기 위한 히팅 장치(55)를 포함하고 구성된다.
그리고 수소 발생 장치(54)에서 공급되는 수소를 이용하여 전원을 발생하는 고분자 전해질 연료전지(60)와, 연료전지(60)에서 생성된 전원을 충전에 적합하도록 변환하는 DC/DC 컨버터(61)와, DC/DC 컨버터(61)에서 출력되는 충전 전원을 일정 레벨로 유지하기 위한 충전 제어기(62)와, 충전 제어기(62)에 의해 공급되는 전원에 의해 충전되고, 충전된 전원을 모터 구동을 위하여 출력하는 배터리(70)와, 배터리(70)에서 공급되는 전원을 이용하여 모터 구동을 제어하는 모터 제어기(71)와, 모터 제어기(71)에 의한 구동 전원 제어에 의해 구동되어 차량의 구동력을 제공하는 모터(80)를 포함하고 구성된다.
여기서, 수소 발생 장치(54)에서의 반응에 따른 반응물의 재사용을 위한 순환 장치 및 연료전지(60)에 공급되는 연료의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단이 더 구비될 수 있다.
또한, 배터리(70)를 외부 전원을 이용하여 충전하기 위한 외부 충전 인터페이스 장치들이 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 붕소(Boron)와 물의 가수 분해로 생성되는 수소를 에너지 담체로 사용하여 연료전지에서 에너지를 전력으로 변환하여 공급하는 것에 의해 최대 효율에서 정숙 운전을 하여 배터리를 충전함으로써 배터리의 낮은 에너지밀도로 인한 전기자동차의 짧은 주행거리, 급속충전으로 인한 배터리 수명을 보완할 수 있도록 한 것이다.
표 1은 금속 가수 분해시의 수소 발생량을 비교한 것으로, 붕소는 기타 금속과 비교하였을 경우 수소 발생량이 가장 높고, 습도에 영향을 받지 않고, 점화 온도(ignition temperature)가 높아 저장과 운송에 용이하여 수소 발생에 적합한 금속임을 알 수 있다.
붕소의 수소 발생 효율은 일반적으로 900K~1000K (섭씨온도 626~726℃)에서 최대인데, 본 발명에서는 예혼합 과정에서 반응온도를 높이기 위한 버너(heating system)를 장착하여 수소 발생 효율을 높인 것이다.
이와 같이, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 붕소+물 반응기가 수소를 제조하여 연료전지가 지속적으로 배터리 충전을 할 수 있도록 한 것이다.
이와 같이 본 발명의 제 1,2 실시 예에 따른 하이브리드 동력 시스템은 전기자동차에 수소 발생 장치를 탑재하여 수소를 제조하여 연료 전지에 공급하여 배터리를 충전하는 것으로, 급속 충전으로 인한 배터리 수명 단축 문제를 극복하고 수소 공급을 위한 인프라 구축 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10.50. 연료 생성 장치 20.60. 연료 전지
30.70. 배터리 40.80. 모터
30.70. 배터리 40.80. 모터
Claims (5)
- 연료전지에 공급되는 연료를 생성하기 위한 제 1 반응체를 공급하는 위한 제 1 반응체 공급 장치와, 제 2 반응체를 공급하기 위한 제 2 반응체 공급 장치와, 상기 제 1,2 반응체의 반응 온도를 높이기 위한 히팅 장치를 구비하고 상기 제 1,2 반응체를 반응시켜 수소를 발생시키는 수소 발생 장치를 포함하고 전기 자동차에 탑재되는 연료 생성 장치;
상기 연료 생성 장치로부터 공급되는 수소를 이용하여 배터리 충전을 위한 전원을 발생하는 고분자 전해질 연료전지;
상기 연료전지로부터 공급되는 전원에 의해 충전되고, 충전된 전원을 모터 구동을 위하여 출력하는 배터리;
상기 배터리에서 공급되는 전원에 의해 구동되는 모터;를 포함하고,
상기 제 1 반응체는 물이고, 제 2 반응체는 붕소인 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 수소 발생 장치에서의 반응에 따른 반응물의 재사용을 위한 순환 장치 및 연료전지에 공급되는 연료의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 주행거리 연장을 위한 하이브리드 동력 시스템.
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