KR101910126B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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범한산업 주식회사
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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템은 수소공급부, 수소공급부와 연결되고, 수소공급부로부터 공급되는 수소가 충진되는 수소 충진 반응 또는 충진된 수소가 방출되는 수소 방출 반응이 일어나는 수소저장부, 수소저장부와 연결되고, 수소저장부로부터 방출되는 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지부, 연료전지부와 연결되고, 수소저장부에 열을 공급하여 수소저장부의 수소 방출 반응을 촉진시키는 열공급부, 수소저장부와 연결되고, 수소저장부에서 수소 충진 반응이 일어날 때 발생하는 열이 회수되는 열회수부, 수소저장부, 연료전지부 및 열공급부 사이에서 냉매를 순환시키는 제 1 냉매순환유로 및 수소저장부 및 열회수부 사이에서 냉매를 순환시키는 제 2 냉매순환유로를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{SYSTEM FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell; AFC), 인산형 연료전지(Phosporic Acid Fuel Cell; PAFC), 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC), 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)로 구분될 수 있다. 이 중 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 수소 가스를 직접 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Photon Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 세분화될 수 있다.
이때, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 비교적 저온에서 작동될 수 있고, 출력밀도가 크므로 소형화 및 경량화가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
다만, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)를 상용화시키기 위해서는 안정적인 수소의 생산 및 공급이 선결되어야 할 가장 중요한 기술적 문제이다. 이를 위한 방법으로 수소저장합금(metal hydride)을 사용하여 다량의 수소를 수소저장탱크에 충진하고, 수소저장탱크에 충진된 수소를 방출시켜서 연료전지에 공급하는 수소저장합금 기반의 연료전지가 주목 받고 있다.
이러한 종래의 수소저장합금 기반의 연료전지 시스템은 별도의 가열장치에 의해 수소저장탱크에 열이 공급되고, 공급된 열에 의해 가열된 수소저장탱크로부터 수소가 방출되며, 방출된 수소가 연료전지에 공급됨으로써, 전기에너지가 생성될 수 있다. 또한, 이때, 연료전지에서 전기에너지가 생성되는 과정에서 발생하는 반응열은 별도의 냉각장치에 의해 냉각되도록 구성되어 있다.
그러나, 이러한 종래의 수소저장합금 기반의 연료전지 시스템은 아래와 같은 문제점들이 있다.
첫째, 연료전지에서 발생하는 반응열을 냉각시키기 위해, 별도의 냉각장치가 필요하므로, 연료전지 시스템의 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
둘째, 수소저장탱크에 수소를 충진하기 위해서는 수소저장탱크를 냉각시키는 별도의 냉각장치가 필요하고, 수소저장탱크에 충진된 수소를 방출하기 위해서는 수소저장탱크를 가열하는 별도의 가열장치가 필요하므로, 연료전지 시스템의 구조가 더욱 복잡해지는 문제가 있다.
셋째, 상기한 바와 같이, 연료전지에서 발생하는 반응열 및 수소저장탱크에 수소를 충진하는 과정에서 발생하는 열이 활용되지 못하므로, 연료전지 시스템의 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
국내 등록특허공보 제10-1095309호 (2011.12.12. 등록)
본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점에 착안하여 제안되는 것으로서, 시스템 구성이 보다 간소화될 수 있고, 에너지 효율이 향상될 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수소공급부, 상기 수소공급부와 연결되고, 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소가 충진되는 수소 충진 반응 또는 충진된 수소가 방출되는 수소 방출 반응이 일어나는 수소저장부, 상기 수소저장부와 연결되고, 상기 수소저장부로부터 방출되는 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지부, 상기 연료전지부와 연결되고, 상기 수소저장부에 열을 공급하여 상기 수소저장부의 상기 수소 방출 반응을 촉진시키는 열공급부, 상기 수소저장부와 연결되고, 상기 수소저장부에서 상기 수소 충진 반응이 일어날 때 발생하는 열이 회수되는 열회수부, 상기 수소저장부, 상기 연료전지부 및 상기 열공급부 사이에서 냉매를 순환시키는 제 1 냉매순환유로 및 상기 수소저장부 및 상기 열회수부 사이에서 상기 냉매를 순환시키는 제 2 냉매순환유로를 포함하는, 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 수소저장부는, 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 1 수소저장합금탱크와 병렬 연결되는 제 2 수소저장합금탱크를 포함하고, 상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크 중 어느 하나에서 상기 수소 충진 반응이 일어나면, 상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크 중 다른 하나에서 상기 수소 방출 반응이 교대로 일어날 수 있다.
또한, 상기 열공급부는, 상기 연료전지부와 연결되고, 내부에 냉매가 저장되는 저온냉매저장탱크 및 상기 저온냉매저장탱크와 연결되고, 상기 저온냉매저장탱크를 냉각시키는 냉각부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉매순환유로는, 상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 1 냉매순환관, 상기 제 1 냉매순환관에 개재되는 제 1 냉매밸브, 상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 저온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 2 냉매순환관, 상기 제 2 냉매순환관에 개재되는 제 2 냉매밸브, 상기 저온냉매저장탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 3 냉매순환관, 상기 제 3 냉매순환관에 개재되는 제 1 냉매펌프, 상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 4 냉매순환관, 상기 제 4 냉매순환관에 개재되는 제 3 냉매밸브, 상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 저온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 5 냉매순환관 및 상기 제 5 냉매순환관에 개재되는 제 4 냉매밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열회수부는, 상기 수소저장부와 연결되고, 내부에 냉매가 저장되는 고온냉매저장탱크 및 상기 고온냉매저장탱크와 연결되고, 상기 고온냉매저장탱크로부터 배출되는 냉매와 외부 공기를 서로 열교환시키는 열교환기를 포함하고, 상기 연료전지부는, 상기 제 1 수소저장합금탱크 또는 상기 제 2 수소저장합금탱크에서 방출되는 수소 및 상기 열교환기에서 냉매와 열교환되면서 가열된 공기를 사용하여 전기에너지를 생성할 수 있다. 또한, 상기 제 2 냉매순환유로는, 상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 고온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 6 냉매순환관, 상기 제 6 냉매순환관에 개재되는 제 5 냉매밸브, 상기 고온냉매저장탱크와 상기 열교환기 사이에 연결되는 제 7 냉매순환관, 상기 열교환기와 상기 제 2 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 8 냉매순환관, 상기 제 8 냉매순환관에 개재되는 제 2 냉매펌프, 상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 고온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 9 냉매순환관, 상기 제 9 냉매순환관에 개재되는 제 6 냉매밸브 및 상기 열교환기와 상기 제 1 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 10 냉매순환관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크는 수소저장합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 수소공급부와 상기 제 1 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 1 수소공급관, 상기 제 1 수소공급관에 개재되는 제 1 수소밸브, 상기 수소공급부와 상기 제 2 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 2 수소공급관, 상기 제 2 수소공급관에 개재되는 제 2 수소밸브, 상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 3 수소공급관 및 상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 4 수소공급관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열교환기와 연결되고, 상기 외부 공기를 상기 열교환기에 공급하기 위한 공기공급부 및 상기 수소공급부, 상기 수소저장부, 상기 연료전지부, 상기 열공급부, 상기 열회수부 및 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템은 시스템 구성이 보다 간소화될 수 있고, 에너지 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 제 1 수소저장합금탱크에 충진된 수소가 방출되고, 제 2 수소저장합금탱크에 수소가 충진되는 과정에서 냉매, 수소 및 공기의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 연료전지 시스템의 제 1 수소저장합금탱크에 수소가 충진되고, 제 2 수소저장합금탱크에 충진된 수소가 방출되는 과정에서 냉매, 수소 및 공기의 흐름을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '결합되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하겠다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지 시스템의 제 1 수소저장합금탱크에 충진된 수소가 방출되고, 제 2 수소저장합금탱크에 수소가 충진되는 과정에서 냉매, 수소 및 공기의 흐름을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1의 연료전지 시스템의 제 1 수소저장합금탱크에 수소가 충진되고, 제 2 수소저장합금탱크에 충진된 수소가 방출되는 과정에서 냉매, 수소 및 공기의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은 수소공급부(100), 수소저장부(200), 연료전지부(300), 열공급부(400), 열회수부(500), 제 1 냉매순환유로(600), 제 2 냉매순환유로(700), 공기공급부(800) 및 제어부(900)를 포함할 수 있다.
수소공급부(100)는 수소저장부(200)에 수소를 공급할 수 있다. 이때, 수소는 연료전지부(300)의 연료로서 사용될 수 있다. 수소공급부(100)는 수소저장부(200)의 전단에 연결될 수 있으며, 일 예로 고압수소탱크일 수 있다.
수소저장부(200)는 수소공급부(100)로부터 수소를 공급받아서 저장할 수 있다. 이러한 수소저장부(200)는 수소공급부(100)의 후단에 연결될 수 있다.
이때, 수소저장부(200)는 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)를 포함할 수 있다.
이러한 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)는 동시에 운전될 수 있다. 다만, 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)는 수소공급부(100)로부터 공급된 수소가 충진되는 제 1 모드(또는, 수소 충진 모드) 및 충진된 수소가 방출되는 제 2 모드(또는, 수소 방출 모드)가 교대로 작동되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 수소저장합금탱크(210)의 제 1 모드와 제 2 수소저장합금탱크(220)의 제 2 모드가 동시에 일어날 수 있고, 제 1 수소저장합금탱크(210)의 제 2 모드와 제 2 수소저장합금탱크(220)의 제 1 모드가 동시에 일어날 수 있다.
이때, 제 1 및 제 2 수소저장합금탱크(210, 220)가 제 1 모드로 작동될 경우에는 수소공급부(100)로부터 수소를 공급받는 수소 충진 반응이 일어나는데, 이러한 수소 충진 반응은 열을 방출하는 발열반응에 해당되므로, 반응이 원활하게 이루어지기 위해서는 외부로 열이 방출되어야 한다. 또한, 제 1 및 제 2 수소저장합금탱크(210, 220)가 제 2 모드로 작동될 경우에는 연료전지부(300)로 수소를 공급하는 수소 방출 반응이 일어나는데, 이러한 수소 방출 반응은 열을 흡수하는 흡열반응에 해당되므로, 반응이 원활하게 이루어지기 위해서는 외부로부터 열이 공급되어야 한다.
한편, 제 1 수소저장합금탱크(210)는 제 1 수소공급관(150)을 통해 수소공급부(100)와 연결될 수 있으며, 제 3 수소공급관(250)을 통해 연료전지부(300)와 연결될 수 있다.
이때, 제 1 수소저장합금탱크(210)가 제 1 모드로 작동될 때에는, 제 1 수소공급관(150)에 개재된 제 1 수소밸브(151)가 개방되어 제 1 수소공급관(150)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210)로 수소가 공급됨으로써, 제 1 수소저장합금탱크(210)의 내부에 수소가 충진될 수 있다.
반대로, 제 1 수소저장합금탱크(210)가 제 2 모드로 작동될 때에는, 제 1 수소저장합금탱크(210)의 내부에 충진된 수소는 제 3 수소공급관(250)을 통해 연료전지부(300)로 공급될 수 있다. 이러한 제 1 수소저장합금탱크(210)는 일 예로, Mg2Ni계, FeTi계, ZrMn2계, LaNi5계 등과 같은 수소저장합금 재질로 이루어질 수 있다.
제 2 수소저장합금탱크(220)는 제 2 수소공급관(160)을 통해 수소공급부(100)와 연결될 수 있으며, 제 4 수소공급관(260)을 통해 연료전지부(300)와 연결될 수 있다.
또한, 제 2 수소저장합금탱크(220)가 제 1 모드로 작동되는 경우, 제 2 수소공급관(160)에 개재된 제 2 수소밸브(161)가 개방되고, 제 2 수소저장합금탱크(220)는 제 2 수소공급관(160)을 통해 수소를 공급받을 수 있다. 이에 따라, 제 2 수소저장합금탱크(220)에는 수소가 충진될 수 있다.
이와는 달리, 제 2 수소저장합금탱크(220)가 제 2 모드로 작동될 때에는, 제 2 수소저장합금탱크(220)의 내부에 충진된 수소는 방출될 수 있으며, 방출된 수소는 제 4 수소공급관(260)을 통해 연료전지부(300)로 공급될 수 있다. 이러한 제 2 수소저장합금탱크(220)는 일 예로, Mg2Ni계, FeTi계, ZrMn2계, LaNi5계 등과 같은 수소저장합금 재질로 이루어질 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 수소공급부(100)가 제 1 수소저장합금탱크(210) 또는 제 2 수소저장합금탱크(220)에 수소를 공급하는 시점을 결정해주기 위해, 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220) 내부에는 수소잔량감지센서 및 온도센서가 설치될 수도 있다.
이러한 수소잔량감지센서는 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)의 수소 잔량을 감지하여 감지된 수소 잔량을 제어부(900)에 실시간으로 전송할 수 있다. 또한, 온도센서는 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)의 내부온도를 감지하여 감지된 온도를 제어부(900)에 실시간으로 전송할 수 있다. 이에 따라, 제어부(900)는 전송된 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)의 수소 잔량 및 내부온도를 바탕으로 수소공급부(100)로부터 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)로 수소가 공급되는 시점 및 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)에 충진된 수소가 연료전지부(300) 측으로 방출되는 시점을 결정할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 수소저장부(200)가 두 개의 수소저장합금탱크, 예컨대, 제 1 수소저장합금탱크(210) 및 제 2 수소저장합금탱크(220)로 이루어지는 경우를 일 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 연료전지부(300)의 운전 시간 등을 고려하여 수소저장부(200)는 병렬 연결된 두 개 이상의 수소저장합금탱크들로 구성되는 것도 가능하다.
연료전지부(300)는 수소 및 공기 중의 산소를 사용하여 전기에너지를 생성할 수 있다. 이러한 연료전지부(300)는 수소저장부(200)의 후단에 연결될 수 있다.
구체적으로, 연료전지부(300)는 제 3 수소공급관(250) 및 제 1 냉매순환관(610)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210)와 연결될 수 있고, 제 4 수소공급관(260) 및 제 4 냉매순환관(640)을 통해 제 2 수소저장합금탱크(220)와 연결될 수 있다. 또한, 연료전지부(300)는 제 3 냉매순환관(630)을 통해 열공급부 (400)의 저온냉매저장탱크(410)와 연결될 수 있으며, 공기공급관(810)을 통해 열회수부(500)의 열교환기(520) 및 공기공급부(800)와 연결될 수 있다.
한편, 연료전지부(300)는 일 예로, 애노드 전극(미도시), 애노드 전극과 대향하는 캐소드 전극(미도시) 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 개재된 전해질막(미도시)으로 이루어지는 연료전지셀(미도시)이 복수개 적층된 고분자 전해질형 연료전지일 수 있다.
구체적으로, 애노드 전극은 제 3 수소공급관(250) 또는 제 4 수소공급관(260)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210) 또는 제 2 수소저장합금탱크(220)에서 방출된 수소를 공급받을 수 있고, 캐소드 전극은 공기공급관(810)을 통해 공급되는 공기 중의 산소를 공급받을 수 있다. 이 경우, 공기는 공기공급부(800)로부터 공급되는 외부 공기가 열회수부(500)의 열교환기(520)에서 열교환되면서 가열된 공기일 수 있다.
이때, 애노드 전극에서는 반응식 (1)과 같은 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 반응식 (2)와 같은 환원반응이 일어난다. 그리고, 연료전지부(300)의 총 반응은 반응식 (3)과 같다.
반응식 (1): H2 → 2H+ + 2e-
반응식 (2): 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H20
반응식 (3): H2 + 1/2O2 → H2O + 반응열
반응식 (3)을 참조하면, 연료전지부(300)의 총 반응의 반응부산물로서 물 및 반응열이 생성됨을 알 수 있다.
이때, 반응열의 적어도 일부는 제 1 냉매순환관(610) 또는 제 4 냉매순환관(640)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210) 또는 제 2 수소저장합금탱크(220)에 전달될 수 있다. 이렇게 전달된 열은 제 1 수소저장합금탱크(210) 또는 제 2 수소저장합금탱크(220)에 충진된 수소가 방출될 때 발생되는 반응을 일으키는데 활용될 수 있다.
열공급부(400)는 저온냉매저장탱크(410) 및 냉각부재(420)를 포함할 수 있으며, 연료전지부(300)의 후단과 연결될 수 있다. 이때, 열공급부(400)는 연료전지부(300)의 열을 회수하여 가열된 고온의 냉매를 제 1 또는 제 2 수소저장합금탱크(210, 220)에 투입하여 수소 방출시 일어나는 흡열반응을 촉진시킬 수 있도록 열을 공급하는 기능을 수행하므로, "열공급부"라고 말할 수 있다.
저온냉매저장탱크(410)는 별도의 냉매 공급원(미도시)으로부터 냉매를 공급받아 내부에 저장할 수 있다. 이때, 저온냉매저장탱크(410)에 저장되는 냉매는 일 예로, 저온의 물일 수 있다.
또한, 저온냉매저장탱크(410)에는 연료전지부(300)의 반응부산물인 물이 다시 회수되어 저장될 수도 있으며, 저온냉매저장탱크(410) 내부에 저장되는 냉매가 물 이외의 다른 종류의 냉매일 경우에는 반응부산물인 물이 외부로 배출되도록 구성될 수도 있다.
이에 따라, 연료전지부(300)에서 발생되는 반응열은 적어도 일부가 냉매를 통해 저온냉매저장탱크(410)로 회수될 수 있으므로, 연료전지부(300)는 운전에 필요한 최적 온도 하에서 운전되면서, 전기에너지를 생성할 수 있다.
한편, 저온냉매저장탱크(410)는 제 2 냉매순환관(620)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210)와 연결될 수 있으며, 제 5 냉매순환관(650)을 통해 제 2 수소저장합금탱크(220)와 연결될 수 있다. 또한, 저온냉매저장탱크(410)는 제 3 냉매순환관(630)을 통해 연료전지부(300)와 연결될 수 있다.
한편, 연료전지 시스템(10)의 운전 횟수가 증가되면, 연료전지부(300)의 반응열이 저온냉매저장탱크(410)에 누적될 가능성이 있으므로, 저온냉매저장탱크(410)에는 냉각부재(420)가 추가적으로 설치될 수 있다. 이러한 냉각부재(420)는 저온냉매저장탱크(410)를 냉각시키도록 구성될 수 있으며, 일 예로, 냉각팬일 수 있다.
열회수부(500)는 고온냉매저장탱크(510) 및 열교환기(520)를 포함할 수 있으며, 수소저장부(200)와 연결될 수 있다. 이때, 열회수부(500)는 공기공급부(800)로부터 공급되는 외부 공기에 의해 냉각된 저온의 냉매를 제 1 또는 제 2 수소저장합금탱크(210, 220)에 투입하여 수소 충진시 일어나는 발열반응을 촉진시킬 수 있도록 열을 회수하는 기능을 수행하므로, "열회수부"라고 말할 수 있다.
고온냉매저장탱크(510)는 별도의 냉매 공급원(미도시)으로부터 냉매를 공급받아 내부에 저장할 수 있다. 이때, 고온냉매저장탱크(510)에 저장되는 냉매는 일 예로, 고온의 물일 수 있다.
또한, 고온냉매저장탱크(510)에 저장되는 냉매는 제 1 수소저장합금탱크(210) 또는 제 2 수소저장합금탱크(220)에 수소가 충진될 때 발생하는 열을 회수하므로, 고온냉매저장탱크(510)의 내부에 저장된 냉매는 고온의 상태일 수 있다.
이때, 도시하지는 않았으나, 고온냉매저장탱크(510)와 연료전지부(300) 사이를 연결하는 물이동관을 통해, 연료전지부(300)의 반응부산물인 물이 고온냉매저장탱크(510)로 회수되어 내부에 저장되도록 구성될 수도 있다.
고온냉매저장탱크(510)는 제 6 냉매순환관(710)을 통해 제 2 수소저장합금탱크(220)와 연결될 수 있으며, 제 9 냉매 순환관(740)을 통해 제 1 수소저장합금탱크(210)에 연결될 수 있다. 또한, 고온냉매저장탱크(510)는 제 7 냉매순환관(720)을 통해 열교환기(520)와 연결될 수 있다.
열교환기(520)는 고온냉매저장탱크(510)에 저장된 고온의 냉매와 공기공급부(800)로부터 공급되는 외부 공기를 서로 열교환시킬 수 있다. 이를 위해, 열교환기(520)는 공기공급부(800) 및 연료전지부(300)와 연결될 수 있다. 이에, 열교환기(520)에서 열교환되면서 가열된 공기는 연료전지부(300)로 공급되어 연료전지부(300)의 산화가스로서 사용될 수 있다.
제 1 냉매순환유로(600)는 수소저장부(200), 연료전지부(300) 및 열공급부(400) 사이에서 냉매가 순환되는 유로로 정의될 수 있다.
이러한 제 1 냉매순환유로(600)는 제 1 냉매순환관(610), 제 1 냉매밸브(611), 제 2 냉매순환관(620), 제 2 냉매밸브(621), 제 3 냉매순환관(630), 제 1 냉매펌프(631) 제 4 냉매순환관(640), 제 3 냉매밸브(641), 제 5 냉매순환관(650) 및 제 4 냉매밸브(651)를 포함할 수 있다.
이때, 제 1 수소저장합금탱크(210)에 충진된 수소가 방출되는 경우, 제 1 냉매밸브(611)가 개방되고, 제 3 냉매밸브(641)가 폐쇄됨으로써 냉매는 제 1 냉매순환관(610), 제 2 냉매순환관(620) 및 제 3 냉매순환관(630)을 순환할 수 있다.
또한, 제 2 수소저장합금탱크(220)에 충진된 수소가 방출되는 경우, 제 1 냉매밸브(611)가 폐쇄되고, 제 3 냉매밸브(641)가 개방됨으로써 냉매는 제 3 냉매순환관(630), 제 4 냉매순환관(640) 및 제 5 냉매순환관(650)을 순환할 수 있다.
제 2 냉매순환유로(700)는 수소저장부(200) 및 열회수부(500) 사이에서 냉매가 순환되는 유로로 정의될 수 있다.
이러한 제 2 냉매순환유로(700)는 제 6 냉매순환관(710), 제 5 냉매밸브(711), 제 7 냉매순환관(720), 제 8 냉매순환관(730), 제 2 냉매펌프(731), 제 9 냉매순환관(740), 제 6 냉매밸브(741) 및 제 10 냉매순환관(750)을 포함할 수 있다.
이때, 제 2 수소저장합금탱크(220)에 수소가 저장되는 경우, 제 5 냉매밸브(711)가 개방되고, 제 6 냉매밸브(741)가 폐쇄됨으로써 냉매는 제 6 냉매순환관(710), 제 7 냉매순환관(720) 및 제 8 냉매순환관(730)을 순환할 수 있다.
또한, 제 1 수소저장합금탱크(210)에 수소가 저장되는 경우, 제 5 냉매밸브(711)가 폐쇄되고, 제 6 냉매밸브(741)가 개방됨으로써 냉매는 제 7 냉매순환관(720), 제 9 냉매순환관(740) 및 제 10 냉매순환관(750)을 순환할 수 있다.
이하에서는, 제 1 수소저장합금탱크(210)가 제 1 모드로 동작될 때 냉매가 순환되는 경로에 대하여 설명하겠다.
제 9 냉매순환관(740)은 제 1 수소저장합금탱크(210)와 고온냉매저장탱크(510) 사이에 연결될 수 있다. 이러한 제 9 냉매순환관(740)을 통해 전달되는 냉매는 제 1 수소저장합금탱크(210)에 수소가 충진될 때 발생하는 반응열을 전달받아서 가열될 수 있다. 그리고, 제 9 냉매순환관(740)에 개재된 제 6 냉매밸브(741)가 개방됨으로써, 가열된 냉매가 고온냉매저장탱크(510)로 이동될 수 있다.
제 7 냉매순환관(720)은 고온냉매저장탱크(510)와 열교환기(520) 사이를 연결하는 관으로, 제 7 냉매순환관(720)은 열교환기(520)의 내부를 관통하는 구조를 가질 수 있다. 이로써, 제 7 냉매순환관(720)을 유동하는 냉매는 열교환기(520)에 의해 외부 공기와 열교환되어 냉각될 수 있다.
제 10 냉매순환관(750)은 열교환기(520)와 제 1 수소저장합금탱크(210) 사이에 연결된 관으로, 제 10 냉매순환관(750)에는 열교환기(520)에 의해 냉각된 냉매가 전달될 수 있다. 이때, 제 2 냉매펌프(731)의 구동에 의해 냉매의 유동이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 제 2 수소저장합금탱크(220)가 제 1 모드로 동작될 때 냉매가 순환되는 경로에 대하여 설명하겠다.
제 6 냉매순환관(710)은 제 2 수소저장합금탱크(220)와 고온냉매저장탱크(510) 사이에 연결되는 관으로, 제 6 냉매순환관(710)을 통해 전달되는 냉매는 제 2 수소저장합금탱크(220)에 수소가 충진될 때 발생하는 반응열을 전달받아서 가열될 수 있다. 그리고, 제 6 냉매순환관(710)에 개재된 제 5 냉매밸브(711)가 개방됨으로써, 가열된 냉매가 고온냉매저장탱크(510)로 이동될 수 있다.
가열된 냉매는 제 7 냉매순환관(720)을 통해 열교환기(520)의 내부를 유동하면서 외부 공기와 열교환되어 냉각될 수 있다.
제 8 냉매순환관(730)은 열교환기(520)와 제 2 수소저장합금탱크(220) 사이에 연결된 관으로, 열교환기(520)에 의해 냉각된 냉매가 전달될 수 있다. 이때, 제 2 냉매펌프(731)의 구동에 의해 냉매의 유동이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 제 1 수소저장합금탱크(210)가 제 2 모드로 동작될 때 냉매가 순환되는 경로에 대하여 설명하겠다.
제 1 냉매순환관(610)은 제 1 수소저장합금탱크(210)와 연료전지부(300) 사이에 연결된 관으로, 제 1 냉매밸브(611)를 구비할 수 있다. 제 1 냉매순환관(610)을 유동하는 냉매는 연료전지부(300)에서 전기에너지를 생성하는 과정에서 발생하는 반응열에 의해 가열될 수 있다. 또한, 제 1 냉매순환관(610)에 개재된 제 1 냉매밸브(611)가 개방됨으로써, 가열된 냉매가 제 1 수소저장합금탱크(210)로 이동될 수 있다.
이때, 연료전지부(300)의 반응열에 의해 가열된 냉매가 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 수소저장합금탱크(210)로 이동되면, 가열된 냉매의 열이 제 1 수소저장합금탱크(210)로 전달되어 수소가 방출되는 반응이 일어날 수 있다. 이렇게 제 1 수소저장합금탱크(210)로부터 방출된 수소는 제 3 수소공급관(250)을 통해 연료전지부(300)로 공급되어 연료전지부(300)의 연료로 사용될 수 있다.
제 2 냉매순환관(620)은 제 1 수소저장합금탱크(210)와 저온냉매저장탱크(410) 사이에 연결된 관으로, 제 1 수소저장합금탱크(210)에 충진된 수소가 방출되는 과정에서 열을 빼앗기고 냉각된 냉매는 제 2 냉매순환관(620)을 통해 저온냉매저장탱크(410)로 회수될 수 있다.
제 3 냉매순환관(630)은 저온냉매저장탱크(410)와 연료전지부(300) 사이에 연결된 관으로, 제 3 냉매순환관(630)에는 제 1 냉매펌프(631)가 개재될 수 있다. 이러한 제1 냉매펌프(631)의 구동에 의해 냉매의 순환이 이루어질 수 있으며, 제어부(900)에 의해 제어됨으로써, 냉매의 유량을 조절할 수 있다.
이하에서는, 제 2 수소저장합금탱크(220)가 제 2 모드로 동작될 때 냉매가 순환되는 경로에 대하여 설명하겠다.
제 4 냉매순환관(640)은 연료전지부(300)와 제 2 수소저장합금탱크(220) 사이에 연결된 관으로, 제 3 냉매밸브(641)를 구비할 수 있다. 제 4 냉매순환관(640)을 유동하는 냉매는 연료전지부(300)에서 전기에너지를 생성하는 과정에서 발생하는 반응열에 의해 가열될 수 있다. 그리고, 제 4 냉매순환관(640)에 개재된 제 3 냉매밸브(641)가 개방됨으로써, 가열된 냉매가 제 2 수소저장합금탱크(220)로 이동될 수 있다.
이때, 연료전지부(300)의 반응열에 의해 가열된 냉매가 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 수소저장합금탱크(220)로 이동되면, 가열된 냉매의 열이 제 2 수소저장합금탱크(220)로 전달되어 수소가 방출되는 반응이 일어날 수 있다. 이렇게 제 2 수소저장합금탱크(220)로부터 방출된 수소는 제 4 수소공급관(260)을 통해 연료전지부(300)로 공급되어 연료전지부(300)의 연료로 사용될 수 있다.
제 5 냉매순환관(650)은 제 2 수소저장합금탱크(220)와 저온냉매저장탱크(410) 사이에 연결된 관으로, 제 2 수소저장합금탱크(220)에 충진된 수소가 방출되는 과정에서 열을 빼앗기고 냉각된 냉매는 제 5 냉매순환관(650)을 통해 저온냉매저장탱크(410)로 회수될 수 있다. 저온냉매저장탱크(410)에 저장된 저온의 냉매는 제 3 냉매순환관(630)을 거쳐서 연료전지부(300)로 이동될 수 있다.
공기공급부(800)는 열회수부(500)의 열교환기(520)에 외부 공기를 공급할 수 있다. 이러한 공기공급부(800)는 공기공급관(810)을 통해 열교환기(520)와 연결될 수 있다. 일 예로, 공기공급부(800)는 공기공급장치일 수 있다.
제어부(900)는 수소공급부(100), 수소저장부(200), 연료전지부(300), 열공급부(400), 열회수부(500) 및 공기공급부(800) 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(900)는 소형 내장형 컴퓨터로 이루어질 수 있고, 프로그램, 메모리, CPU 등으로 이루어지는 데이터 처리부 등을 구비할 수 있다.
상기 프로그램은 수소공급부(100), 수소저장부(200), 연료전지부(300), 열공급부(400), 열회수부(500) 및 공기공급부(800)로부터 측정되거나 분석된 값들을 토대로 수소공급부(100)의 동작, 수소저장부(200)의 동작, 연료전지부(300)의 동작, 열공급부(400)의 동작, 열회수부(500)의 동작 및 공기공급부(800)의 동작을 제어하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 이러한 프로그램은 컴퓨터 기억 매체 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 메모리부에 저장되어서 제어부(900)에 설치될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 연료전지 시스템(10)은 연료전지부(300)에서 발생하는 반응열을 수소저장부(200)의 수소 방출에 활용하기 때문에, 연료전지부에서 발생하는 반응열을 별도의 냉각장치를 사용하여 냉각시키던 종래에 비하여, 시스템 구조를 간소화시킬 수 있고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료전지부(300)에서 발생하는 반응열이 수소저장부(200)의 수소 방출에 활용되기 때문에, 수소저장부(200)의 수소 방출을 위해 수소저장부를 별도의 가열장치로 가열시키던 종래에 비하여, 시스템 구조를 간소화시킬 수 있고, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 수소저장부(200)에 충진된 수소를 방출할 때 발생하는 열과 열교환되어 가열된 공기를 연료전지부(300)에 산화가스로서 공급함으로써, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시 적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10: 연료전지 시스템 100: 수소공급부
150: 제 1 수소공급관 151: 제 1 수소밸브
160: 제 2 수소공급관 161: 제 2 수소밸브
200: 수소저장부 210: 제 1 수소저장합금탱크
220: 제 2 수소저장합금탱크 250: 제 3 수소공급관
260: 제 4 수소공급관 300: 연료전지부
400: 열공급부 410: 저온냉매저장탱크
420: 냉각부재 500: 열회수부
510: 고온냉매저장탱크 520: 열교환기
600: 제 1 냉매순환유로 610: 제 1 냉매순환관
611: 제 1 냉매밸브 620: 제 2 냉매순환관
621: 제 2 냉매밸브 630: 제 3 냉매순환관
631: 제 1 냉매펌프 640: 제 4 냉매순환관
641: 제 3 냉매밸브 650: 제 5 냉매순환관
651: 제 4 냉매밸브 700: 제 2 냉매순환유로
710: 제 6 냉매순환관 711: 제 5 냉매밸브
720: 제 7 냉매순환관 730: 제 8 냉매순환관
740: 제 2 냉매펌프 741: 제 6 냉매밸브
750: 제 10 냉매순환관 800: 공기공급부
810: 공기공급관 900: 제어부

Claims (9)

  1. 수소공급부;
    상기 수소공급부와 연결되고, 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소가 충진되는 수소 충진 반응 또는 충진된 수소가 방출되는 수소 방출 반응이 일어나는 수소저장부;
    상기 수소저장부와 연결되고, 상기 수소저장부로부터 방출되는 수소를 공급받아 전기에너지를 생성하는 연료전지부;
    상기 연료전지부와 연결되고, 상기 수소저장부에 열을 공급하여 상기 수소저장부의 상기 수소 방출 반응을 촉진시키는 열공급부;
    상기 수소저장부와 연결되고, 상기 수소저장부에서 상기 수소 충진 반응이 일어날 때 발생하는 열이 회수되는 열회수부;
    상기 수소저장부, 상기 연료전지부 및 상기 열공급부 사이에서 냉매를 순환시키는 제 1 냉매순환유로; 및
    상기 수소저장부 및 상기 열회수부 사이에서 상기 냉매를 순환시키는 제 2 냉매순환유로를 포함하고,
    상기 열회수부는,
    상기 수소저장부와 연결되고, 내부에 냉매가 저장되는 고온냉매저장탱크; 및
    상기 고온냉매저장탱크와 연결되고, 상기 고온냉매저장탱크로부터 배출되는 냉매와 외부 공기를 서로 열교환시키는 열교환기를 포함하고,
    상기 연료전지부는,
    상기 수소저장부에서 방출되는 수소 및 상기 열교환기에서 냉매와 열교환되면서 가열된 공기를 사용하여 전기에너지를 생성하는,
    연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소저장부는,
    제 1 수소저장합금탱크; 및
    상기 제 1 수소저장합금탱크와 병렬 연결되는 제 2 수소저장합금탱크를 포함하고,
    상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크 중 어느 하나에서 상기 수소 충진 반응이 일어나면, 상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크 중 다른 하나에서 상기 수소 방출 반응이 일어나는,
    연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열공급부는,
    상기 연료전지부와 연결되고, 내부에 냉매가 저장되는 저온냉매저장탱크; 및
    상기 저온냉매저장탱크와 연결되고, 상기 저온냉매저장탱크를 냉각시키는 냉각부재를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 냉매순환유로는,
    상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 1 냉매순환관;
    상기 제 1 냉매순환관에 개재되는 제 1 냉매밸브;
    상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 저온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 2 냉매순환관;
    상기 제 2 냉매순환관에 개재되는 제 2 냉매밸브;
    상기 저온냉매저장탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 3 냉매순환관;
    상기 제 3 냉매순환관에 개재되는 제 1 냉매펌프;
    상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 4 냉매순환관;
    상기 제 4 냉매순환관에 개재되는 제 3 냉매밸브;
    상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 저온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 5 냉매순환관; 및
    상기 제 5 냉매순환관에 개재되는 제 4 냉매밸브를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 냉매순환유로는,
    상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 고온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 6 냉매순환관;
    상기 제 6 냉매순환관에 개재되는 제 5 냉매밸브;
    상기 고온냉매저장탱크와 상기 열교환기 사이에 연결되는 제 7 냉매순환관;
    상기 열교환기와 상기 제 2 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 8 냉매순환관;
    상기 제 8 냉매순환관에 개재되는 제 2 냉매펌프;
    상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 고온냉매저장탱크 사이에 연결되는 제 9 냉매순환관;
    상기 제 9 냉매순환관에 개재되는 제 6 냉매밸브; 및
    상기 열교환기와 상기 제 1 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 10 냉매순환관을 포함하는,
    연료전지 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 수소저장합금탱크 및 상기 제 2 수소저장합금탱크는 수소저장합금으로 이루어지는,
    연료전지 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소공급부와 상기 제 1 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 1 수소공급관;
    상기 제 1 수소공급관에 개재되는 제 1 수소밸브;
    상기 수소공급부와 상기 제 2 수소저장합금탱크 사이에 연결되는 제 2 수소공급관;
    상기 제 2 수소공급관에 개재되는 제 2 수소밸브;
    상기 제 1 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 3 수소공급관; 및
    상기 제 2 수소저장합금탱크와 상기 연료전지부 사이에 연결되는 제 4 수소공급관을 더 포함하는,
    연료전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기와 연결되고, 상기 외부 공기를 상기 열교환기에 공급하기 위한 공기공급부; 및
    상기 수소공급부, 상기 수소저장부, 상기 연료전지부, 상기 열공급부, 상기 열회수부 및 상기 공기공급부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는,
    연료전지 시스템.

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