KR102374959B1 - 액화수소 기화손실가스를 이용한 수소연료전지 시스템 - Google Patents

액화수소 기화손실가스를 이용한 수소연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 수소연료전지 시스템은, 수소가 저장되는 탱크, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택, 액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로, 기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리 및 상기 수소의 유동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

액화수소 기화손실가스를 이용한 수소연료전지 시스템{Hydrogen fuel cell system using the boil off gas of liquefied hydrogen}
본 발명은 수소연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액화수소의 기화손실가스를 이용하여 수소연료전지의 효율을 극대화한 수소연료전지 시스템에 관한 것이다.
동력의 연료로 수소를 사용하는 수소 차량은 자동차, 기타 운송차량 외에도 우주 발사체 등 다양한 분야에서의 적용이 가능하며, 이에 따라 최근 친환경 차량에 대한 전세계적인 관심이 집중되고 있다.
대기압에서 수소의 끓는점은 약 -253℃로, 효율성을 위하여 수소는 수소탱크에서 액체 상태로 보관하나, 극도의 단열 및 보냉 재료로 수소탱크를 제조해도 일정량의 자연기화는 불가피하며 일 기준 최대 1% 내지 3%의 수소 기화손실이 발생하는 것으로 알려져 있다.
이와 같이 자연기화시 수소탱크 내압의 상승으로 인해 폭발의 위험성이 있으며 안전을 위해 강제 배출이 요구된다.
따라서, 배출되는 수소를 처리하여 수소 차량의 동력성능 향상 및 효율 향상이 필요하다.
대한민국공개특허공보 제 10-2009-0062587호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 수소 차량이 비운전 시 자연 기화되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하고 이를 별도의 보조 배터리를 이용하여 충전하는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 수소 차량의 운전 시 자연 기화되는 수소를 연료전지 스택에 추가 공급하여 전기를 생산하는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소연료전지 시스템은, 수소가 저장되는 탱크, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택, 액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로, 기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리 및 상기 수소의 유동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1경로에 구비되어 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브 및 상기 제3경로에 구비되어 상기 기체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제3밸브를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 제1밸브 또는 상기 제3밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로 및 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 유동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수소연료전지 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 자연 기화되는 수소를 활용하여 효율을 극대화할 수 있다.
둘째, 효율적인 열관리에 따라 라디에이터의 방열면적을 기존의 수소 차량과 비교하여 현저하게 감소시킬 수 있다.
셋째, 고성능의 냉각팬 또는 냉각수 순환을 위한 고전압의 모터펌프가 불필요하다.
넷째, 방열면적의 감소, 냉각팬 또는 모터펌프의 면적을 최소화하여 차량의 구조설계의 공간효율을 향상시킬 수 있다.
다섯째, 방열면적의 감소, 냉각팬 또는 모터펌프의 면적을 최소화에 따른 무게 감소로 경량화가 가능하여 궁극적인 차량 효율 증대의 선순환 효과를 제시할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 수소연료전지 시스템의 개요도이다.
그리고 도 3은 본 발명의 냉각수의 흐름과 관련된 개요도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 수소연료전지 시스템에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 수소연료전지 시스템의 개요도이고, 도 3은 본 발명의 냉각수의 흐름과 관련된 개요도이다.
본 발명의 수소연료전지 시스템은, 탱크(100), 연료전지 스택(200), 모터(300), 제1경로(10), 제2경로(20), 기화기(15), 열교환기(400), 제1밸브(11), 제2밸브(29), 제3경로(30), 제4경로(40), 보조배터리(500) 및 제어부(600)를 포함할 수 있다.
상기 탱크(100)는, 액체 수소가 저장되는 탱크(100)로 -253℃ 이하로 유지될 수 있도록 기존에 개발된 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 탱크(100)에는 기액분리기가 구비되어 기체 상태의 수소와 액체 상태의 수소가 혼합된 상태로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 연료전지 스택(200)은, 상기 탱크(100)로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 구성으로, 상기 탱크(100)로부터 공급되는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성할 수 있다.
상기 제1경로(10)는, 상기 탱크(100)로부터 액체 상태의 수소가 상기 연료전지 스택(200)으로 이동하는 경로를 제공하는 구성으로, 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브(11) 및 상기 탱크(100)로부터 공급되는 액체 상태의 수소를 기체 상태로 상기 연료전지 스택(200)에 공급하기 위한 기화기(15)를 포함할 수 있다.
상기 제3경로(30)는, 상기 탱크(100)와 상기 연료전지 스택(200)과 연결되는 상기 제1경로(10)와 다른 별도의 경로로, 상기 탱크(100)에서 자연 기화하는 기체 상태의 수소가 상기 연료전지 스택(200)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
상기 제3경로(30)는 기화된 수소의 유동을 제어하는 제3밸브(31)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 탱크(100)는 액체수소를 보관하고 있으며, 자연 기화가 발생한다. 이에 따라 탱크(100)의 압력이 커져 탱크(100)의 손상에 따른 폭발의 위험성을 방지하기 위하여 일정량 배출이 필요하며, 상기 배출되는 기화된 수소는 상기 제3경로(30)를 통해 상기 연료전지 스택(200)에 공급될 수 있다.
그리고 상기 제3밸브(31)는 상기 제어부(600)에 의해 개폐 또는 개도량이 제어되고, 상기 기화된 수소는 상기 연료전지 스택(200)에 유입되어 전기를 생산할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)에 의해 상기 보조배터리(500)의 충전량 또는 상기 보조배터리(500)로부터 상기 모터(300)로의 전기 공급이 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(600)는 상기 주행에 따른 상기 모터(300)의 구동을 위해 상기 연료전지 스택(200)에서 전기를 공급할 경우, 상기 제3밸브(31)는 닫고 상기 제1밸브(11)를 열어 상기 액체상태의 수소가 상기 탱크(100)로부터 상기 연료전지 스택(200)으로 공급되도록 하여 충분한 양의 전기를 생성 및 공급할 수 있다.
그리고 상기 수소 차량이 신호에 의해 정지 상태에 있거나 주 정차 상황에서는 상기 제1밸브(11)를 닫고 상기 제3밸브(31)를 열어 상기 자연 기화된 수소가 상기 탱크(100)로부터 상기 연료전지 스택(200)으로 공급되어 보조배터리(500)에 충전된 전기를 이용하여 효율적인 운행 및 유지가 가능하다.
또한, 수소 차량이 주행 중인 경우에도 상기 제1밸브(11)를 통해 공급되어 연료전지 스택(200)에서 생성되는 전기는 주행을 위한 모터(300)의 구동에만 사용되고 보조배터리(500)에서 저장 중인 전기는 주행 외에 수소 차량에 구비된 전자 장비를 운용하기 위한 전기로 사용되게 제어될 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 보조배터리(500)에 충전된 전기를 우선 사용하도록 제어할 수 있으며, 상기 보조배터리(500)가 완전 충전된 상태로 수소 차량이 전기를 사용하지 않는 경우 상기 탱크(100)에서 기화된 수소가 대기로 배출될 수 있도록 제어할 수 있다. 이를 위해 별도의 압력 밸브가 설치될 수 있다.
이는 상술한 바와 같이 수소 차량의 운행하는 경우뿐만 아니라 액화 수소를 저장하는 경우에도 응용이 가능하다. 즉, 액화 수소를 저장하여 보관하는 가운데 자연 기화되는 수소를 통해 발생하는 전기를 별도의 보조 배터리에 충전하는 과정을 통해 버려지는 수소량을 최소화할 수 있다.
상기 모터(300)는, 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생하는 구성으로 수소 차량의 주행을 가능하게 한다.
상기 보조배터리(500)는, 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성되는 전기를 공급받아 충전하는 구성일 수 있다.
상기 제4경로(40)는, 상기 연료전지 스택(200)과 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성된 전기를 충전하는 보조배터리(500)를 연결하는 구성이다.
상기 제어부(600)는, 상기 탱크(100), 상기 연료전지 스택(200), 상기 모터(300), 상기 기화기(15), 상기 열교환기(400), 상기 제1밸브(11), 상기 제2밸브(29), 상기 제3밸브(31) 및 보조배터리(500) 등 본 발명의 구성의 구동 등을 제어할 수 있다.
상기 제2경로(20)는, 냉각수가 상기 연료전지 스택(200)을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 구성으로, 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브(29)를 포함할 수 있다.
상기 열교환기(400)는, 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 구성으로, 상기 제1경로(10) 및 상기 제2경로(20)는 상기 열교환기(400)를 경유하도록 구성되어 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환이 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제2경로(20)는, 제2-1경로(21), 제2-2경로(22), 제2-3경로(23), 제2-4경로(24), 제2-5경로(미도시) 제1방향전환부(25), 제2방향전환부(26), 제1온도센서(27) 및 제2온도센서(28)를 포함할 수 있다.
상기 제2-1경로(21)는 상기 열교환기(400)로부터 상기 수소와 열교환된 상기 냉각수가 상기 연료전지 스택(200) 방향으로 유동할 수 있도록 길을 제공하는 구성으로, 제2-2경로(22) 또는 제2-3경로(23)로 분기될 수 있다.
상기 제2-2경로(22)는 상기 연료전지 스택(200)의 일 모서리로부터 상기 연료전지 스택(200)의 둘레를 감싸며 형성되어 상기 제2-4경로(24)로 합류할 수 있다.
상기 제2-3경로(23)는 상기 제2-2경로(22)가 시작되는 모서리와 마주보는 상기 연료전지 스택(200)의 상기 연료전지 스택(200)의 모서리로부터 상기 연료 전지 스택(200)의 둘레를 감싸며 형성되어 상기 제2-4경로(24)로 합류할 수 있다.
상기 제1방향전환부(25)는 상기 제2-1경로(21)로부터 상기 제2-2경로(22)와 상기 제2-3경로(23)로 분기되는 지점에 형성되어 상기 제어부(600)에 의해 상기 제2-1경로(21)로부터 유입되는 상기 냉각수를 상기 제2-2경로(22) 또는 상기 제2-3경로(23)로 유동시킨다.
이때, 상기 제1방향전환부(25)는 상기 냉각수의 유동 방향 외에 유량을 제어할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2방향전환부(26)는 상기 제2-3경로(23)와 상기 제2-4경로(24)로부터 합류되는 지점에 형성되어 상기 제어부(600)에 의해 상기 제2-3경로(23) 및 상기 제2-4경로(24)로부터 유입되는 상기 냉각수를 상기 제2-4경로(24)를 통해 유동시킨다.
그리고 상기 제2-4경로(24)는 상기 열교환기(400)를 거쳐 상기 제2-1경로(21)와 연결되어 상기 냉각수가 순환될 수 있도록 경로를 제공할 수 있다.
상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)는 각각 상기 제2-2경로(22) 및 상기 제2-3경로(23)에 구비되어 상기 냉각수 또는 상기 연료전지 스택(200)의 특정 지점에서의 온도를 감지할 수 있으며, 상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)는 상기 제2-4경로(24)에 합류하기 직전에 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐 다양한 위치에서 온도를 측정할 수 있음은 자명하다.
상기 제2-5경로는 상기 모터를 냉각시킬 수 있도록 상기 제2경로로부터 분기되어 형성될 수 있다.
상기 제어부(600)는, 상기 제1밸브(11) 또는 상기 제2밸브(29)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(600)는, 상기 연료전지 스택(200)에서 생성되는 전기량과 상기 모터(300)에서 요구하는 전기량을 고려하여 상기 제1밸브(11) 또는 상기 기화기(15)를 제어하여 상기 탱크(100)로부터 공급되는 액체 상태의 수소를 기체 상태로 상기 연료전지 스택(200)에 공급할 수 있다.
또한 상기 제어부(600)는, 상기 제2밸브(29)의 제어를 통해 상기 연료전지 스택(200)의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)에서 측정한 온도 값을 전달받은 상기 제어부(600)는, 상기 제1온도센서(27)에서 측정한 온도가 상기 제2온도센서(28) 측정한 온도보다 높은 경우 상기 제2-2경로(22)로 상기 냉각수를 더 많이 유동하게 하여 균형을 유지할 수 있다.
기존의 냉각수는 하나의 경로로 한 방향으로만 유동하므로 냉각수가 최초 연료전지 스택(200)을 냉각시키는 지점은 항상 온도가 낮고 최후에 냉각시키는 지점은 이보다 온도가 높게 형성된다.
그러나, 본 발명의 제2경로(20)는 제2-2경로(22)와 제2-3경로(23)로 분기되어 상기 연료전지 스택(200)의 양면을 동시에 냉각할 수 있어 효율적인 냉각이 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 제1경로
11: 제1밸브
15: 기화기
20: 제2경로
21: 제2-1경로
22: 제2-2경로
23: 제2-3경로
24: 제2-4경로
25: 제1방향전환부
26: 제2방향전환부
27: 제1온도센서
28: 제2온도센서
29: 제2밸브
30: 제3경로
31: 제3밸브
40: 제4경로
100: 탱크
200: 연료전지 스택
300: 모터
400: 열교환기
500: 보조배터리
600: 제어부

Claims (6)

  1. 수소가 저장되는 탱크;
    육면체로 형성되고, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택;
    액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로;
    냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로; 및
    기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로;
    상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기;
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터;
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리; 및
    상기 수소의 유동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제2경로는,
    상기 열교환기로부터 상기 수소와 열교환된 상기 냉각수가 상기 연료전지 스택의 방향으로 유동할 수 있도록 길을 제공하는 제2-1경로;
    상기 제2-1경로로부터 분기되어 상기 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 형성되는 제2-2경로;
    상기 제2-1경로로부터 분기되어 상기 연료전지 스택의 둘레를 감싸도록 형성되는 제2-3경로; 및
    상기 제2-2경로 및 상기 제2-3경로가 합류되어 상기 냉각수가 열교환기를 경유하게 형성되고, 상기 제2-1경로와 연결되는 제2-4경로;
    를 포함하는 수소연료전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1경로에 구비되어 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브; 및
    상기 제3경로에 구비되어 상기 기체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제3밸브;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1밸브 또는 상기 제3밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
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