KR102422306B1 - 무손실 극저온 수소공급시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소연료전지 파워팩을 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 수소연료전지에 있어서, 바디 내측에 수소저장조(110)가 구비되어 이루어진 수소저장용기부(100)와, 상기 수소저장조(110)와 이송라인을 통해 연결되며 이송된 수소를 저장하는 수소버퍼저장조(210)를 갖는 수소버퍼용기부(200)와, 상기 수소저장조(110)에 저장되는 수소의 압력이 설정값 이상으로 상승시 수소를 수소버퍼저장조(210)로 이송될 수 있도록 하여 압력을 조절하게 되는 압력조절밸브(300)를 포함하는 수소연료전지 파워팩을 제시한다.
본 발명에 따라 수소저장조의 압력이 설정값 이상으로 상승시 이를 해소할 수 있도록 함에 따라 수소를 안전하게 장시간 보호할 수 있는 장점이 있다.
이에 본 발명에서는 수소연료전지에 있어서, 바디 내측에 수소저장조(110)가 구비되어 이루어진 수소저장용기부(100)와, 상기 수소저장조(110)와 이송라인을 통해 연결되며 이송된 수소를 저장하는 수소버퍼저장조(210)를 갖는 수소버퍼용기부(200)와, 상기 수소저장조(110)에 저장되는 수소의 압력이 설정값 이상으로 상승시 수소를 수소버퍼저장조(210)로 이송될 수 있도록 하여 압력을 조절하게 되는 압력조절밸브(300)를 포함하는 수소연료전지 파워팩을 제시한다.
본 발명에 따라 수소저장조의 압력이 설정값 이상으로 상승시 이를 해소할 수 있도록 함에 따라 수소를 안전하게 장시간 보호할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 수소연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극저온 상태의 수소(H2)(액화수소(LH2) 또는 극저온가압수소(CCH2:cryo-compressed hydrogen))가 저장된 수소저장용기의 내부 압력이 설정값 이상으로 상승시 압력조절밸브를 통해 이를 제어할 수 있도록 하고 또한 압력 조절에 따른 수소를 별도의 수소버퍼용기에 저장될 수 있도록 함과 더불어 수소버퍼용기에 저장된 수소는 극저온 냉동기를 통해 냉각되도록 하여 수소를 적정한 상태로 안전하게 저장 및 사용할 수 있도록 하는 수소연료전지 파워팩에 관한 것이다.
통상, 수소를 저장하는 방법으로는 기체수소 저장방법, 액체수소 저장방법, 수소 저장합금, 액상 유기 수소 운반체 등이 있으며, 350 bar 이상의 고압으로 기체 수소를 저장하는 방법이 주로 수소 모빌리티에 사용되고 있다.
하지만, 수소 기체의 저장밀도를 높일수록 압력 용기가 중량이 증가되는 단점이 있고 또한, 상온 상태에서 압력을 높여 수소 기체의 저장 밀도를 높이더라도 액체수소에 비해서는 현저히 낮은 수준이다.
이러한 점을 극복하기 위해 국내외에서 극저온 고압상태로 수소를 저장하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
현재 연구되고 있는 저장 기술로는 고압 수소 기체 저장, 저온 액체 수소 저장, 수소 저장 합금을 이용한 저장, 탄소나노재료를 이용한 저장 방법 등이 제시되고 있다.
극저온 고압 상태에서는 액체수소의 저장밀도 이상으로 수소를 저장할수 있는 영역이 존재하여 기체 수소와 액체 수소보다 많은 수소 저장이 가능하다.
하지만, 여전히 외부에서 수소 저장용기로 유입되는 열에 의하여 저장탱크의압력이 상승하며 운영조건에 따라 저장된 수소 중 일부를 외부로 배출하는 경우도 발생할 수 있어 상용화에 많은 어려움이 있다.
이에, 수소 저장 밀도가 액체수소 이상인 극저온 고압 상태시 외부에서 열이 유입되도라도 압력의 과도한 상승을 억제할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
또한, 기존 극저온 고압용 수소용기는 외부에서 유입되는 열에 의해 압력이 설정치 이상으로 상승할 경우 안전을 위해 일부 수소를 대기중으로 방출 시키게 되는데, 이를 지하주차장, 실내주차장 등과 같이 환기가 잘 이루어지 않는 곳에서 사용할 경우 폭발의 위험성이 존재하는 등의 문제가 예상되고 있다.
또한, 연료전지는 주기적으로 사용하지 않을 경우 스택이 건조되어 성능이 저하되므로 장기간 주차시에는 이를 방지하기 위한 별도의 장치가 필요하게 되는 요구가 있어왔다.
한편, 국내 뿐만아니라 일본, 독일, 미국 등의 선진국들은 차세대 연료전지 자동차(FCV) 생산에 경쟁적으로 박차를 가하고 있다.
수소의 저장은, 수소용기에 수소를 압축하는 방법과 액화 수소로 저장하는 방법이 일반적이고, BMW 등에서 액체수소보다 에너지 밀도를 증대시킬 수 있는 극저온 가압수소(CCH2) 형태의 저장에 대한 실증사업이 추진되고 있으며, 수소 화물이나 유기화학 하이드라이드 형태로 저장하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있다.
현재 수소 모빌리티 분야에서는 수소저장 및 이송의 편의성을 고려하여 주로 압축수소를 동력원으로 사용하고 있지만, 압축수소의 경우 액체수소 또는 CCH2 보다 에너지 밀도가 낮아서 장거리 운행 또는 고중량 이송 등의 분야에는 상대적으로 효율적이지 못한 측면이 있다.
또한, 액체수소 및 CCH2는 700 bar 기준 압축기체 보다 약1.7 ~ 2 배정도의 높은 에너지 밀도를 보유하고 있어 압축수소의 약점 보완이 가능한 잠재적 후보로 주목받고 있으며 최근에는 완성차 업체를 중심으로 액체수소/CCH2 기반 연료공급시스템에 대한 효율성을 입증하기 위하여 장거리/고중량 이송이 필요한 대형 트럭 등을 대상으로 실증사업을 펼쳐 나가고 있다.
한편, 액체 수소기반 연료공급 시스템을 차량에 적용하기 위해서는 액체수소 저장용기 내부로 침투되는 열에 의해 발생되는 BOG (Boil-Off Gas)와 그로인해 상승되는 압력의 해결 방안 제시가 기술적 난제로 남아 있고, 상승된 압력이 저장용기의 최대 허용압력 이상이 되면 심각한 차량 안전사고가 발생할 수 있으므로 아무리 고에너지 밀도를 보유한 잠재적 후보라 할지라도 이에 대한 해결 방안없는 상용화는 요원 할 것이라 할 수 있다. 또한, 에너지 밀도가 향상되어 차세대 차량용 연료공급시스템으로 주목 받는 장점이 있지만, CCH2 역시 극저온에서 압축된 초임계 상태의 수소이므로 저장용기 내부온도 상승에 따른 압력 상승의 수반은 피할수 없어 상용화에 난항을 겪고 있는 실정에 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하면서 극저온 가압수소(CCH2)를 저장하는 수소저장조에 안전하게 저장하고자 하는 수소연료전지의 기술적 한계 및 문제점을 해결하려는 발상에서, 수소연료전지를 이루는 수소저장조에 극저온 가압수소 저장 시 내부에서 발생되는 압력을 제어할 수 있는 새로운 형태의 수소저장 개념을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 수소연료전지의 수소저장조 내부 압력이 증가하는 경우 압력을 해소시킬 수 있도록 하는 수소연료전지 파워팩을 제공하는데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 구체적 수단은,
수소연료전지에 있어서,
바디 내측에 수소저장조가 구비되어 이루어진 수소저장용기부와, 상기 수소저장조와 이송라인을 통해 연결되며 이송된 수소를 저장하는 수소버퍼저장조를 갖는 수소버퍼용기부와, 상기 수소저장조에 저장되는 수소의 압력이 설정값 이상으로 상승시 수소를 수소버퍼저장조로 이송될 수 있도록 하여 압력을 조절하게 되는 압력조절밸브를 포함하는 수소연료전지 파워팩을 제시한다.
이로써 본 발명은, 수소저장용기부의 수소저장조에 저장된 수소의 압력 상승시 압력조절밸브를 통해 수소가 수소버퍼용기부의 수소버퍼저장조로 이송되도록 하여 압력을 해소 및 이를 통해 안전하게 보관할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수소저장조에 온도센서 및 압력센서가 설치되어 센싱값을 입력받은 제어부의 출력값을 통해 압력조절밸브를 제어하도록 할 수 있다.
또한, 상기 수소버퍼저장조에, 내통의 온도 및 압력 조절을 위한 극저온 냉동기가 더 설치되도록 할 수 있다.
극저온 냉동기는, 전원공급부의 전원을 통해 동작되도록 할 수 있으며,
상기 전원공급부는, 수소저장조 또는 수소버퍼저장조로부터 공급된 수소를 연료로 사용할 수 있다.
또한, 수소저장용기부를 이루는 바디내에 복수개의 수소저장조가 배열되고 각각 압력조절밸브와 연결된 이송라인을 통해 상기 수소버퍼용기부의 수소버퍼저장조와 연결되도록 할 수 있다.
또한, 수소버퍼용기부의 수소버퍼저장조가 복수개 배열되도록 하되 직렬 또는 직렬 형태로 배열되도록 한 후 수소가 저장되도록 할 수 있다.
또한, 이송라인에는, 베이오넷(bavonet) 진공단열배관을 설치할 수 있고, 또한 이송라인에 팽창밸브를 더 설치하여 냉각 효과를 증대시키도록 할 수 있다.
상기와 같은 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명은, 외부로부터 침투되는 열을 제거함으로써 압력 상승을 억제하는 구조임에 따라 외부로 방출되는 수소가 없으므로 폭발의 위험성을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지를 통해 주기적으로 냉동기를 구동시킬 수 있도록 함에 따라 장기간 주차시에도 연료전지의 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 냉동기를 통해 일정 온도 이상으로 수소용기의 온도가 상승하는 것을 억제할 수 있도록 함에 따라 내부에 충전된 수소의 방출손실을 방지할 수 있고, 초고압의 수소를 공급할 필요가 없어 수소 충전소 운영이 보다 안전하고 단순해지는 장점이 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수소연료전지 파워팩의 실시예에 따른 구성도이다.
도 2는 도 1에서 수소저장용기부의 수소저장조가 복수개 배열된 상태에서 수소가 이송될 수 있도록 하는 다른 실시예를 보인 블럭 구성도이다.
도 3은 도 1에서 수소버퍼용기부의 다른 실시예로서 수소버퍼조의 직렬 형태를 보인 블럭 구성도이다.
도 4는 도 1에서 수소버퍼용기부의 또 다른 실시예로서 수소버퍼조의 병렬 형태를 보인 블럭 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 쿨링 존(H2 cooling zone)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에서 수소저장용기부의 수소저장조가 복수개 배열된 상태에서 수소가 이송될 수 있도록 하는 다른 실시예를 보인 블럭 구성도이다.
도 3은 도 1에서 수소버퍼용기부의 다른 실시예로서 수소버퍼조의 직렬 형태를 보인 블럭 구성도이다.
도 4는 도 1에서 수소버퍼용기부의 또 다른 실시예로서 수소버퍼조의 병렬 형태를 보인 블럭 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 쿨링 존(H2 cooling zone)을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하며 본 발명을 설명하기에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다. 또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 설명하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다. 그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
본 발명은 수소가 저장된 저장용기의 내부압력 그리고 온도가 설정값 이상의 압력으로 상승시 압력이 자동 조절될 수 있도록 하는 수소연료전지 파워팩에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예를 도시한 블럭 구성도로서, 본 발명은 바디 내부에 수소저장조(110)가 구비된 수소저장용기부(100)와, 상기 수소저장용기부(100)의 바디에 구비된 수소저장조로(110)부터 수소가 이송될 수 있도록 이송라인으로 연결된 수소버퍼용기부(200)와, 상기 이송라인에 설치되어 수소저장용기부(100)의 압력에 따라 개폐되어 압력을 조절하게 되는 압력조절밸브(300)와, 상기 수소자장조의 내부 온도 및 압력을 센싱하여 상기 압력조절밸브(300)를 조작하게 되는 제어부(400)와, 상기 각 구성물품에 전원을 공급하게 되는 전원공급부(500)를 포함하여 구성된다.
수소저장용기부(100)는, 바디와, 바디내에 외부로부터 공급되는 수소를 저장하는 수소저장조(110) 및 수소저장조(110)의 내부 온도 및 내부 압력을 센싱하는 온도센서 및 압력센서를 포함하여 다양한 센서 및 밸브가 설치되어 구성된다.
상기 온도센서 및 압력센서는, 각종 센서 및 밸브와 마찬가지로 상기 수소저장조(110)에 저장된 수소의 온도 및 압력을 실시간으로 센싱하여 센싱된 신호값을 상기 제어부(400)로 출력하게 된다.
여기서, 바디내에 설치된 수소저장조(110)는 수소저장용기부(100)에 하나로 구성될 수 있을 뿐만 아니라 복수개의 수소저장조(110)(110a)(110b)(110c) 배열 형태를 이루며 구성될 수 있다.(도 2참조)
즉, 배열된 수소저장조(110)(110a)(110b)(110c)가 각각 이송라인(120)을 통해 상기 수소버퍼용기부(200)의 수소버퍼저장조(210)와 연결되어 해당되는 온도센서 및 압력센서의 센싱값에 따라 압력조절밸브(300)를 통해 이송라인(120)을 개방시켜 수소가 이송 저장될 수 있도록 할 수 있다.
여기서, 상기 수소버퍼저장조(210)와 연결되는 이송라인(120)에는 각종 밸브가 설치될 수 있며, 상기 밸브는 제어부(400)의 신호값에 따라 동작되어 수소 이송을 제어하게 된다.
수소저장조(110)는, 수소를 액체상태, 고압기체상태, 극저온 고압상태 등 다양한 상태로 저장 가능함은 물론 다양한 형태로 제작될 수 있다.
일 예로서 내부에 저장공간을 갖는 인너 탱크(inner tank)와 그 외측의 아우터 탱크(outer tank)로 구성될 수 있다.
인너 탱크는 상기 저장공간의 내벽을 이루는 라이너(liner)와, 상기 라이너의 외측에 형성되어 차폐 기능을 수행하는 복합재료층(Composite layer)으로 이루어진 것을 적용할 수 있다.
또한, 상기 인너 탱크와 상기 아우터 탱크 사이에는, 진공을 통해 단열이 유지하도록 하는 진공 단열공간(Insulation layer)이 형성되도록 할 수 있다.
라이너는, 금속 또는 폴리머 계열의 비금속 재질로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 및 스테인레스 등 이들의 합금에서 선택된 것을 적용할 수 있다.
복합재료층은, 상기 라이너의 외측에서 보강을 위한 것으로 섬유사, 유리섬유, 탄소섬유, 등으로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 고압에 견딜 수 있는 복합소재의 적용이 바람직하다.
진공 단열공간은, 상기 복합재료층의 외측에서 내부가 진공이 형성되도록 하여 구성하되, 그 내측에는 복수의 단열층이 형성된 MLI(Multi-Layer Insulation)층이 형성된 것으로 구성할 수 있다.
수소버퍼용기부(200)는, 상기 수소저장용기부(100)의 일측에 위치되며, 바디에 구비된 수소저장조(110)로부터 수소가 이송될 수 있도록 이송라인(120)으로 연통 가능하게 연결되며, 내측에 상기 이송라인(120)을 통해 이송된 수소가 저장될 수 있도록 수소버퍼저장조(210)가 설치된다. 또한 내부 온도 및 압력을 센싱하는 온도센서 및 압력센서가 설치됨은 물론 각종 센서와 밸브 및 다양한 측정 장비가 설치된다.
여기서, 상기 수소버퍼저장조(210) 하나로 구성될 뿐만 아니라 다수개를 가지며 직렬 또는 병렬 형태로로 구성된 것을 적용할 수 있다.(도 3 참조)
도 3은 수소버퍼용기부(200)의 수소버퍼저장조(210)(210a)가 직렬 형태로 구성된 것을 보인 회로도이다.
즉, 수소버퍼용기부(200)에 수소버퍼저장조(210)(210a)가 직렬 형태로 더 설치되고, 수소버퍼저장조(210)(210a)를 연결하는 이송라인(220)에는 압력조절밸브(300)가 설치되어 수소버퍼저장조(210)의 압력 상승시 압력조절밸브(300)가 이를 센싱하여 개방시키게 되고 개방된 이송라인(220)을 통해 수소가 이송되어 저장될 수 있도록 된 것이다.
도 4는 수소버퍼저장조(210)(210a)가 병렬 형태를 이루며 설치된 것을 보인 구성도이다.
즉, 상기 수소버퍼용기부(200)의 내부에 수소버퍼저장조(210) 복수개로 배열 설치되며, 각각의 수소버퍼저장조(210)(210a)는 상기 수소저장조(110)와 이송라인(120)으로 연결되어 상기 수소저장조(110)의 압력 상승으로 압력조절밸브(300)의 개방시 해당되는 수소버퍼저장조(210)(210a)를 선택적으로 개방되어 수소가 이송 저장될 수 있도록 한 것이다.
여기서, 상기 수소버퍼용기부(200)의 수소버퍼저장조(210)(210a)에는 일측에 극저온 냉동기(600)가 각각 설치되며, 상기 극저온 냉동기(600)는, 상기 제어부(400)의 신호값에 따라 전원공급부(500)로부터 공급된 전원을 통해 수소를 열교환시키도록 되어 있다.
상기 극저온 냉동기(600)는, 수소 이송시 외부의 열이 수소버퍼저장조(210)의 내부로 침투됨에 따라 기체 수소로 상태 변화되게 되는데 이때, 수소버퍼저장조(210)에 설치된 온도센서 및 압력센서가 신호값을 센싱하여 제어부(400)로 출력하고 제어부(400)는 기 설정된 센싱값과 이를 비교하여 상기 극저온 냉동기(600)를 동작시켜 압력을 조절하도록 된 것이다.
또한, 상기 극저온 냉동기(600)는, 저장된 수소와 직접 접촉하여 열을 제거할 수 있도록 선단에 냉기를 발산하는 콜드헤드를 상기 수소버퍼저장조(210)의 내부에 설치할 수 있고, 다른 예로서 수소버퍼저장조(210)의 외측에 설치하여 열전달을 통해 냉기를 발산하도록 한 것을 적용할 수 있다.
이에따라 상기 극저온 냉동기(600)는, 기 설정된 작동 프로세스에 의해 수소버퍼저장조(210)의 온도 및 압력 조건을 제어하기 위하여 온/오프 동작을 반복하며 수소를 냉각 또는 액화시켜 장시간 저장이 가능하도록 할 수 있다.
압력조절밸브(300)는, 본 발명의 핵심 구성으로 각각 상기 이송라인(120)(220)에 설치되어 상기 수소저장조(110) 또는 수소버퍼저장조(210)의 압력이 설정 압력 이상으로 올라가는 경우 이를 센싱한 상기 제어부(400)의 신호값에 따라 개방 상태가 되어 상기 수소저장조(110)의 내부 압력이 해소되도록 하게 되고, 이때 상기 수소저장조(110)의 압력에 의한 수소는 이송라인(120)(220)을 통해 이송되어 압력이 해소될 수 있도록 구성되어 있다.
전원공급부(500)는, 극저온 냉동기(600), 제어부(400) 등 구동에 필요한 전원을 공급하는 것으로 연료전지 및 배터리로 구성될 수 있고, 경우에 따라 신재생에너지, 태양전지, 풍력발전기등의 전력생산장치와 연결하여 전원을 공급할 수 있고 또한, 수소저장조(110) 및 수소버퍼저장조(210)의 수소를 통해 배터리를 충전시켜 이를 통해 전원을 공급받을 수 있도록 할 수 있다.
상기한 경우 수소저장조(110)와 수소버퍼저장조(210)에 기설치된 이송라인(120) 또는 별도의 공급라인을 설치하고, 상기 이송라인 또는 공급라인에 개폐 가능한 각종 밸브를 설치하여 상기 제어부(400)의 밸브의 조작을 통해 필요시 수소를 공급받아 이를 통해 배터리를 충전할 수 있도록 하면 된다.
제어부(400)는, 각 부품의 전기적 신호값을 제어하게 되며, 상기 수소저장조(110)에 설치된 온도센서 및 압력센서의 센싱값에 따라 압력조절밸브(300)를 제어하도록 되어 있다.
예로서, 수소저장조(110)의 온도 및 압력을 온도 및 압력센서를 통해 모니터링 하여 온도 또는 압력이 기설정값 이상으로 입력되는 경우 이를 통해 압력조절밸브(300)를 개도하여 온도 및 압력 상태를 제어할 수 있다.
상기 이송라인(120)(220)에는, 단열재 또는 밀봉재가 내장된 베이오넷(bavonet) 진공단열배관을 추가 설치할 수 있다.
상기 베이오넷 내부 배관 연결부 중간에는 테프론 또는 kcl-F 등의 단열재 또는 밀봉재가 착설될 수 있고, 이 단열재 또는 밀봉재로 인하여 수소버퍼조는 수소버퍼조를 제외한 나머지 시스템과 유체 이동은 가능하게 하고 열적 이동은 억제시킬 수 있는 열적 분리 상태를 유지할 수 있게 된다.
이는, 수소버퍼조(210)로 유입 및 저장된 수소를 냉각 또는 액화시켜 압력 상승을 방지하고자 극저온 냉동기(600)를 작동시키게 되는데, 이때 수소버퍼조(210)와 연결된 이송라인을 통한 지속적인 열침투가 발생하므로 이를 최소화 하고자 하기 위한 것이다.
즉, 상기 이송라인(120)(220)에 테프론 등을 이용한 베이오넷 진공단열배관을 설치하여 수소버퍼조(210)에서 제거해야 할 열부하를 최소화 시킬 수 있게 되며, 이를통해 극저온 냉동기(600)의 전력소모를 감소시킬 수 있게 된다.
이상에서와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소연료전지 파워팩의 실시예에 따른 적용 및 사용 상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수소저장용기부(100)의 수소저장조(110)에 극저온 상태의 수소(LH2 또는CCH2)가 저장된 상태에서, 차량의 운행시는 지속적인 연료 소모가 있으므로 수소저장조(110)내의 압력상승으로 인한 안전문제가 발생되지 않아 일반적인 고압 기체상태의 수소와 동일하게 수소연료차량의 연료로 공급될 수 있게 된다.
하지만, 장기간 차량의 운행 중지 상태에서는, 액체상태 또는 극저온 고압 상태로 저장된 수소는 외부로부터 침투되는 열에 의해 온도가 상승하게 되고 이는 수소저장조(110)의 내부 압력 상승을 유발하게 되는데 이때, 수소저장조(110)의 압력이 기설정된 최대 운영 압력을 초과하는 경우, 압력조절밸브(300)가 열리면서 일정량의 수소가 분출되어 수소저장조(110) 내부의 압력은 다시 설정 압력 이하로 감소하게 되고, 동시에 분출된 수소는 수소버퍼용기부(200)의 수소버퍼저장조(210)로 이송 및 저장되게 된다.
상기와 같이 수소버퍼저장조(210)로 저장된 수소의 상태는 압력센서와 온도센서를 통해 온도와 압력이 모니터링되며 모니터링된 신호값을 실시간으로 전달받은 제어부(400)는 필요 시 극저온냉동기(600)를 작동시켜 내부 압력과 온도가 정상 상태로 센싱될때까지 구동하게 된다.
즉, 수소버퍼저장조(210)에 저장된 수소는 시간 경과에 따라 외부열 침입에 의해 역시 온도 및 압력이 증가되게 되는데, 일정 수준이상의 상태에 도달하면 제어부(400)의 센싱값에 따라 극저온 냉동기(600)가 작동되어 침투열은 제거되게 되고 압력은 설정값 이하로 감소하게 되며 이러한 과정을 통하여 연료공급시스템 전체의 압력 제어가 가능하게 된다.
여기서, 극저온냉동기(600)가 작동하는 동안 전력공급을 위하여 일정량의 수소 연료 소모는 계속해서 진행되며, 이때, 극저온 냉동기(600)의 작동없이 기설정된 수소저장용기부(100) 및 수소버퍼용기부(200)의 최대 허용 압력 이하로 내부압력 유지가 가능할 경우에 더이상 침투된 열의 제거가 필요없게 되므로 극저온냉동기(600)의 작동을 중단시킬 수 있다.
또한, 전원공급부(500)에서는, 연료전지(fuel cell)이외에도 배터리에 저장된 전력이나 전력생산장치에서 생산된 전력을 공급하거나 연료전지를 구동시켜 배터리를 충전시킨 후 전력을 공급할 수 있다.
또한, 수소저장용기부(100)의 수소저장조(110)로부터 방출되어 수소버퍼조(210)로 유입되는 이송라인(120)의 중간에 팽창밸브(700,JT valve )를 설치하여 유입 수소의 조건이 도 6에 도시된 바와같이 'H2 cooling zone(J-T 계수, μμ>0)'내에 존재할 경우 팽창밸브(700)를 통과시켜 냉각효과를 기대할 수 있다. 한편 상기한 영역 이외의 유입 수소 조건에서는 팽창밸브(700) 통과시 오히려 온도 상승의 효과가 발생하므로 바이패스(by-pass)하여 수소버퍼조(210)로 유입되도록 하면 된다.(도 6 참조)
또한, 상기 팽창밸브(700)는, 수소버퍼조(210)의 다단 배열시 첫번째와 두번째 수소버퍼조(210)(210a)의 이송라인에 설치하게 되면 각각 냉각효과를 기대할 수 있어 극저온 냉동기(600)의 동력소모를 최소화 할 수 있게 된다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 수소연료전지 관련 기술은 공지의 기술과 동일한 것으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
100: 수소저장용기부
110,110a,110b,110c: 수소저장조
120: 이송라인
200: 수소버퍼용기부
210,210a: 수소버퍼저장조
220: 이송라인
300: 압력조절밸브
400: 제어부
500: 전원공급부
600: 극저온 냉동기
700: 팽창밸브
800: 베이오넷
110,110a,110b,110c: 수소저장조
120: 이송라인
200: 수소버퍼용기부
210,210a: 수소버퍼저장조
220: 이송라인
300: 압력조절밸브
400: 제어부
500: 전원공급부
600: 극저온 냉동기
700: 팽창밸브
800: 베이오넷
Claims (9)
- 온도 및 압력센서가 설치된 복수개의 수소저장조(110)(110a)(110b)가 바디 내측에 구비된 수소저장용기부(100),
수소저장조(110)(110a)(110b)와 각각 이송라인을 통해 연결되어 수소를 저장하도록 직렬 또는 병렬 형태로 배열된 수소버퍼저장조(210)를 갖는 수소버퍼용기부(200),
수소저장조(110)(110a)(110b)에 설치되어 압력을 조절하게 되는 압력조절밸브(300),
수소저장조(110)(110a)(110b)에 저장되는 수소의 압력이 설정값 이상으로 상승시 수소를 수소버퍼저장조(210)로 이송될 수 있도록 제어하는 제어부(400)를 포함하며;
상기 수소버퍼저장조(210)에, 수소 열교환을 하게 되며 전원공급부(500)의 전원을 통해 동작되는 극저온 냉동기(600)가 설치되도록 하고;
상기 이송라인은, 팽창밸브가 설치되며 단열재 또는 밀봉재가 내장되어 유체 이동은 가능하게 하고 열적 이동은 억제시킬 수 있도록 하는 베이오넷 진공단열배관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소연료전지 파워팩.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전원공급부(500)는,
수소저장조(110) 또는 수소버퍼저장조(210)로부터 공급된 수소를 연료로 사용하는 수소연료전지 파워팩.
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