KR102535355B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR102535355B1
KR102535355B1 KR1020220165115A KR20220165115A KR102535355B1 KR 102535355 B1 KR102535355 B1 KR 102535355B1 KR 1020220165115 A KR1020220165115 A KR 1020220165115A KR 20220165115 A KR20220165115 A KR 20220165115A KR 102535355 B1 KR102535355 B1 KR 102535355B1
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air
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길도원
오동조
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한화에어로스페이스 주식회사
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Abstract

본 발명은 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기를 작동시키는 연료전지 시스템에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 축을 포함하는 모체 동력부, 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시키는 제1 공기 압축기, 상기 제1 축에서 상기 제1 공기 압축기로 회전력의 일부를 전달하는 제1 회전력 전달부 및 상기 제1 공기 압축기로부터 압축 공기를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템을 개시한다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기를 작동시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 산소(O2) 및 수소(H2)의 전기화학 반응을 이용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 반응은 연료전지 스택(stack)에서 일어난다. 연료전지가 전기 에너지를 생산하기 위해서는 산소 공급을 위해 연료전지 스택에 공기의 공급이 필요하다. 이를 위해 공기 압축기가 사용된다.
연료전지 시스템에서 공기 압축기가 소모하는 전력은 연료전지 시스템 전체의 기생 전력 중 대부분을 차지한다. 이로 인하여 연료전지 시스템의 순수 가용 출력을 감소시키는 문제가 있다.
특히, 항공기의 경우, 고도가 높아질수록 공기 밀도가 낮아져 더 많은 공기를 더 높은 압력으로 압축시켜야 한다. 이에 따라 공기 압축기의 소모 전력은 더욱 증가하게 된다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기를 작동시킴으로써 공기 압축에 소모되는 전력을 줄이고, 순수 가용 출력이 증가되는 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다. 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 축을 포함하는 모체 동력부, 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시키는 제1 공기 압축기, 상기 제1 축에서 상기 제1 공기 압축기로 회전력의 일부를 전달하는 제1 회전력 전달부 및 상기 제1 공기 압축기로부터 압축 공기를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 공기 압축기는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받는 제2 축을 포함하며, 상기 제1 회전력 전달부는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 연결하는 변속기를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 공기 압축기 및 상기 연료전지 스택 사이에 배치되는 제2 공기 압축기를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기를 상기 제1 공기 압축기로 공급하는 공기 재순환 유로를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 공기 재순환 유로는 상기 제1 공기 압축기에 전달되는 회전력의 크기에 따라, 재순환되는 공기의 양을 조절하는 공기 재순환 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 모체 동력부, 수소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택에서 배출되는 수소를 압축하여 상기 연료전지 스택에 다시 공급하는 수소 압축기를 포함하며, 상기 수소 압축기는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 상기 수소를 압축하는 연료전지 시스템을 개시한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 모체 동력부, 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 냉각부를 포함하며, 상기 냉각부는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수를 가압하는 냉각수 펌프를 포함하는 연료전지 시스템을 개시한다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기를 작동시킴으로써, 공기 압축에 소모되는 전력을 줄일 수 있고, 이에 따라 연료전지 시스템의 순수 가용 출력이 증가될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템에서 제2 공기 압축기가 추가된, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템에서 공기 재순환 유로가 추가된, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, X축, Y축 및 Z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, X축, Y축 및 Z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
이하 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
연료전지 시스템(1)은 자동차, 항공기, 선박, 철도 등 연료전지를 동력원으로 사용하는 다양한 이동 수단(T)에 이용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(10)은 모체 동력부(100), 공기 순환부(200), 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제1 회전력 전달부(500)를 포함할 수 있다.
모체 동력부(100)는 연료전지 시스템(1)을 동력원으로 사용하는 이동 수단(T)(이하, '모체'라 함)이 동력인 회전력으로부터 이동할 수 있는 힘을 만들어내는 역할을 할 수 있다. 모체 동력부(100)는 원동기(110), 구동 기구(120) 및 제1 축(130)을 포함할 수 있다.
원동기(110)는 전기 에너지로부터 회전력을 얻는 장치이다. 일 실시예로, 원동기(110)는 전기 모터(motor)를 포함할 수 있다.
구동 기구(120)는 모체(T)가 이동할 수 있는 힘을 만들어낼 수 있다. 구동 기구(120)의 종류는 특별히 한정하지 않는다. 일 실시예로, 모체(T)가 항공기인 경우, 구동 기구(120)는 로터(rotor) 또는 프로펠러(propeller)를 포함할 수 있다.
제1 축(130)은 원동기(110)로부터 모체(T) 내의 구동 기구(120)로 회전력을 공급하는 역할을 할 수 있다. 즉, 제1 축(130)의 일단은 원동기(110)에 연결되고, 제1 축(130)의 타단은 구동 기구(120)에 연결될 수 있다. 원동기(110)는 제1 축(130)을 회전시킴으로써, 구동 기구(120)에 회전력을 전달할 수 있다.
제1 축(130)은 후술할 제1 회전력 전달부(500)를 통해 원동기(110)가 생산한 회전력의 일부를 제1 공기 압축기(210)에 전달하는 역할을 할 수 있다.
공기 순환부(200)는 외부에서 유입된 공기를 가압하여 후술할 연료전지 스택(400)으로 공급하는 역할을 할 수 있다. 공기 순환부(200)는 제1 공기 압축기(210), 유량 조절기(220) 및 가습기(240)를 포함할 수 있다.
제1 공기 압축기(210)는 유입된 외부 공기를 고압으로 압축하여 연료전지 스택(400)으로 공급할 수 있다. 이에 따라 공기는 고압으로 압축되며, 연료전지 스택(400)에서 높은 반응성으로 수소와 반응할 수 있다.
제1 공기 압축기(210)의 구체적인 작동 원리에 대해서는 후술한다.
유량 조절기(220)는, 모체(T)의 운행 상태, 수소의 유량 및 연료 전지 스택(400)의 현재 상태, 생산된 전기 에너지 등을 고려하여 산정된 공기 요구량만큼의 공기가 연료전지 스택(400)으로 공급될 수 있도록, 공기의 유량을 조절하는 역할을 할 수 있다. 도 1에는 유량 조절기(220)가 제1 공기 압축기(210)와 연료전지 스택(400) 사이에 배치되어 있으나, 이에 한정하지 않는다. 일 실시예로, 유량 조절기(220)는 제1 공기 압축기(210)의 전단에 배치될 수 있다.
가습기(240)는 연료전지 스택(400)으로 공급되는 공기의 습도를 조절할 수 있다. 가습기(240)는 제1 공기 압축기(210)와 연료전지 스택(400) 사이에 배치될 수 있다. 가습기(240)는 제1 공기 압축기(210)에서 배출되는 공기에 습기를 투입하거나, 제1 공기 압축기(210)에서 배출되는 공기로부터 습기를 제거함으로써 수소와 산소의 전기화학 반응에 최적화된 습도를 가지는 공기를 연료전지 스택(400)에 공급할 수 있다.
수소 순환부(300)는 연료전지 시스템(10)에서 연료에 해당하는 수소를 연료전지 스택(400)에 공급할 수 있다. 수소 순환부(300)는 수소 탱크(310), 수소 밸브(320), 수소 이젝터(330) 및 수소 압축기(340)를 포함할 수 있다.
수소 탱크(310)는 고압의 수소 기체를 저장할 수 있다. 수소 탱크(310)에 저장된 수소 기체의 압력은 연료전지 시스템(10)의 사양에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어 수소 탱크(310)에 저장된 수소 기체의 압력은 100 bar 내지 1000 bar 사이일 수 있다.
수소 밸브(320)는 모체(T)의 운행 상태, 공기의 유량 및 연료전지 스택(400)의 현재 상태, 생산된 전기 에너지 등을 고려해 수소 유입로를 개폐하거나 개도를 조절할 수 있다. 보다 많은 양의 수소가 필요한 경우, 수소 밸브(320)는 개도를 높이거나 완전 개방할 수 있다. 또한 수소 요구량이 적거나 필요하지 않은 경우 또는 연료전지 시스템(10)이 작동을 중지하는 경우에는 수소 밸브(320)는 개도를 줄이거나 완전 폐쇄될 수 있다.
수소 이젝터(330)는 수소 밸브(320)를 통과한 수소를 소정의 압력으로 감압시킬 수 있다. 예를 들어 수소 이젝터(330)를 통과한 수소는 1 bar 내지 20 bar 사이의 압력으로 감압될 수 있다. 수소 이젝터(330)에서 배출된 수소는 연료전지 스택(400)으로 공급될 수 있다.
연료전지 스택(400)에서 반응이 끝난 후 일부 수소는 산소와 반응하지 않고 잔존할 수 있다. 잔존하는 수소 중 적어도 일부는 수소 압축기(340)를 통해 순환되어, 수소 이젝터(330)로 유입될 수 있다. 예를 들어 수소 압축기(340)는 연료전지 스택(400)에서 배출된 고순도의 수소를 압축하여 수소 이젝터(330)의 전단으로 이송시킬 수 있다. 이송된 수소는 수소 탱크(310)에서 배출된 수소와 함께 수소 이젝터(330)로 유입되어 감압된 후 다시 연료전지 스택(400)으로 유입될 수 있다. 일 실시예로 재순환에 요구되는 순도에 미달하는 수소는 순환되지 않고 연료전지 스택(400)에서 배출될 수 있다.
연료전지 스택(400)은 수소 및 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 연료전지 스택(400)은 제1 공기 압축기(210)로부터 압축 공기를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다.
구체적으로, 연료전지 스택(400)은 복수 개의 연료전지 셀이 적층되어 구성되며, 제1 공기 압축기(210)에서 유입된 공기 중의 산소와 수소 이젝터(330)에서 유입된 수소를 반응시켜 전기 에너지를 생산할 수 있다.
연료전지 스택(400)을 구성하는 연료전지 셀의 종류는 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어 연료전지 셀은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 또는 알칼리형 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell) 중 어느 하나일 수 있다.
제1 회전력 전달부(500)는 제1 축(130) 및 제1 공기 압축기(210) 사이에 배치될 수 있다. 제1 회전력 전달부(500)는 제1 축(130)에서 제1 공기 압축기(210)로 회전력의 일부를 전달하는 역할을 할 수 있다. 제1 회전력 전달부(500)에 의해, 제1 공기 압축기(210)는 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시킬 수 있다.
일 실시예로, 제1 공기 압축기(210)는 축류형 압축기(axial flow compressor)일 수 있다. 제1 공기 압축기(210)는 회전자 및 고정자를 포함할 수 있다. 외부 공기는 회전자 및 고정자를 반복하여 통과하면서 압력이 증가된다. 제1 공기 압축기(210)를 작동시키는데 드는 에너지는 회전자를 회전시키는데 사용된다.
제1 공기 압축기(210)를 연료전지 스택(400)에서 생산된 전기 에너지로 작동시키는 경우 소모되는 전력의 크기와, 제1 공기 압축기(210)를 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부로 작동시키는 경우 소모되는 에너지의 크기를 비교하면, 후자가 훨씬 작다.
따라서, 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기(210)를 작동시킴으로써, 공기 압축에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 또한 절약되는 에너지만큼 연료전지 시스템(10)의 순수 가용 출력이 증가될 수 있어, 연료전지 시스템(10)의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 공기 압축기(210)는 제2 축(211)을 더 포함할 수 있다. 제2 축(211)은 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 제2 축(211)은 제1 공기 압축기(210) 내부의 회전자와 연결될 수 있다.
제1 회전력 전달부(500)가 제1 축(130)에서 제1 공기 압축기(210)로 회전력의 일부를 전달하는 방법은 특별히 한정하지 않는다. 일 실시예로, 제1 회전력 전달부(500)는 제1 기어(미도시) 및 제2 기어(미도시)를 포함할 수 있다. 제1 기어는 제1 축(130) 상에 배치되고, 제2 기어는 제2 축(211) 상에 배치되며, 제1 기어 및 제2 기어는 서로 맞물릴 수 있다. 이에 따라, 제1 축(130)의 회전력의 일부가 제2 축(211)에 전달되고, 제2 축(211)은 전달받은 회전력으로 회전자를 회전시켜 외부 공기를 압축시킬 수 있다.
다른 실시예로, 제1 회전력 전달부(500)는 벨트(미도시)를 포함할 수 있다. 벨트는 제1 축(130) 및 제2 축(211)을 연결하여 제1 축(130)의 회전력의 일부를 제2 축(211)에 전달할 수 있다.
또 다른 실시예로, 제1 회전력 전달부(500)는 제1 축(130) 및 제2 축(211)을 연결하는 변속기(미도시)를 포함할 수 있다. 변속기에 의해 제2 축(211)의 회전 속도가 요구되는 압축 공기량에 맞게 조절될 수 있다.
제1 회전력 전달부(500)가 제1 축(130) 및 제2 축(211)을 연결함에 따른 효과를 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 따라 연료전지 스택(400)에 공급되어야 할 압축 공기량이 정해질 수 있다. 정해진 압축 공기량만큼 제1 공기 압축기(210)를 작동시켜야 한다. 즉, 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 따라 제1 공기 압축기(210) 내 회전자의 회전 속도가 달라져야 하며, 제1 공기 압축기(210) 내 회전자의 회전 속도에 따라, 제1 공기 압축기(210)에 의해 압축되는 공기량이 달라질 수 있다.
모체(T)의 이동 속도와 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력은 비례하는 경우가 있을 수 있다. 모체 동력부(100) 내 제1 축(130)의 회전 속도는, 모체(T)의 이동 속도와 관련이 있다. 제1 공기 압축기(210) 내 회전자에 연결된 제2 축(211)의 회전 속도는, 전술한 바와 같이, 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 맞추어야 한다. 제1 회전력 전달부(500)가 모체 동력부(100) 내 제1 축(130)과 제1 공기 압축기(210) 내 제2 축(211)을 연결함으로써, 모체(T)의 이동 속도에 따라 제1 공기 압축기(210)에 의해 압축되는 공기량이 달라지게 할 수 있다.
도 2는 도 1의 연료전지 시스템(10)에서 제2 공기 압축기(230)가 추가된, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(10A)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템(10A)은 모체 동력부(100), 공기 순환부(200A), 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제1 회전력 전달부(500)를 포함할 수 있다. 이 때, 모체 동력부(100), 제1 공기 압축기(210), 유량 조절기(220), 가습기(240), 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제1 회전력 전달부(500)는 전술한 연료전지 시스템(10)에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도 1에 나타낸 연료전지 시스템(10)과 동일한 구성에 대해서는 모두 도 2에 동일한 도면 부호로 표시하였다.
도 2를 참조하면, 공기 순환부(200A)는 제2 공기 압축기(230)를 더 포함할 수 있다. 제2 공기 압축기(230)는 제1 공기 압축기(210) 및 연료전지 스택(400) 사이에 배치될 수 있다.
제2 공기 압축기(230)는 제1 공기 압축기(210)의 공기 압축을 보조하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 모체(T)의 이동 속도가 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 미치지 못하는 경우, 제1 축(130)으로부터 회전력의 일부를 전달받아 제1 공기 압축기(210)가 압축한 공기량은 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 필요한 압축 공기량에 미치지 못할 수 있다. 이에 따라 부족한 압축 공기량을 제2 공기 압축기(230)가 채울 수 있다. 또는, 모체(T)의 이동 속도가 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 미치지 못하는 경우, 제1 축(130)으로부터 회전력의 일부를 전달받은 제1 공기 압축기(210)에 의해 압축된 공기의 압력이 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력에 미치지 못할 수 있다. 이 때, 제1 공기 압축기(210)에 의해 압축된 공기는 제2 공기 압축기(230)를 다시 거치면서 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력에 도달할 때까지 압축될 수 있다.
제2 공기 압축기(230)는 제1 공기 압축기(210)와 달리 별도의 전원을 공급받을 수 있다. 일 실시예로, 제2 공기 압축기(230)는 연료전지 시스템(10A)에서 생산된 전기 에너지를 사용하여 공기를 압축할 수 있다.
연료전지 시스템(10A)은 제2 공기 압축기(230)가 추가됨에 따라, 제2 공기 압축기(230)가 제1 공기 압축기(210)를 보조함으로써, 연료전지 스택(400)에 요구되는 압축 공기량 또는 요구되는 압력 수준의 공기를 원활하게 공급할 수 있다. 제2 공기 압축기(230)가 전기 에너지를 소모하더라도, 제1 공기 압축기(210) 및 제2 공기 압축기(230) 모두 전기 에너지를 소모하는 경우보다는 여전히 적은 에너지를 소모한다.
도 3은 도 2의 연료전지 시스템(10A)에서 공기 재순환 유로(250)가 추가된, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(10B)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3를 참조하면, 연료전지 시스템(10B)은 모체 동력부(100), 공기 순환부(200B), 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제1 회전력 전달부(500)를 포함할 수 있다. 이 때, 모체 동력부(100), 제1 공기 압축기(210), 유량 조절기(220), 제2 공기 압축기(230), 가습기(240), 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제1 회전력 전달부(500)는 전술한 연료전지 시스템(10A)에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 도 2에 나타낸 연료전지 시스템(10A)과 동일한 구성에 대해서는 모두 도 3에 동일한 도면 부호로 표시하였다.
도 3을 참조하면, 공기 순환부(200B)는 공기 재순환 유로(250)를 더 포함할 수 있다.
공기 재순환 유로(250)의 일단은 연료전지 스택(400)의 공기 배출구에 연결될 수 있고, 공기 재순환 유로(250)의 타단은 제1 공기 압축기(210)의 공기 흡입구에 연결될 수 있다.
공기 재순환 유로(250)는 연료전지 스택(400)으로부터 배출되는 공기를 제1 공기 압축기(210)로 공급할 수 있다. 공급된 공기는 외부 공기와 함께 제1 공기 압축기(210)에서 압축된 후 다시 연료전지 스택(400)으로 유입될 수 있다.
연료전지 스택(400)에 공급된 공기 중의 일부 산소는 연료전지 스택(400)에서 반응이 끝난 후에도 수소와 반응하지 않고 잔존할 수 있다. 즉, 연료전지 스택(400)의 공기 배출구로 배출되는 공기에는 산소가 잔존할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(400)에서 배출되는 공기는 연료전지 스택(400)에 다시 공급되어 전기화학 반응을 일으킬 수 있다.
한편, 연료전지 스택(400)에 공급된 공기는 공기 순환부(200B)를 통해 압축되었기 때문에, 연료전지 스택(400)에서 반응이 끝난 후 배출되는 공기는 연료전지 스택(400)에 공급되기 직전의 압력보다는 낮지만 여전히 유의미한 압축 상태에 있을 수 있다. 따라서 연료전지 스택(400)에서 배출된 공기를 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력으로 압축시키는데 드는 에너지는 대기압 상태의 외부 공기를 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력으로 압축시키는데 드는 에너지보다 훨씬 적게 든다.
따라서, 연료전지 시스템(10B)은 공기 재순환 유로(250)를 통하여, 연료전지 스택(400)에서 배출된 공기를 재사용함으로써, 연료전지 스택(400)에 공급할 공기를 압축시키는 데 더 적은 에너지를 사용하게 되므로, 연료전지 시스템(10B)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
공기 재순환 유로(250)는 공기 재순환 밸브(251)를 더 포함할 수 있다. 공기 재순환 밸브(251)는 제1 공기 압축기(210)에 유입되는 외부 공기 및 공기 재순환 유로(250)를 통해 유입되는 공기의 비율을 조절할 수 있다.
일 실시예로, 공기 재순환 밸브(251)는 제1 공기 압축기(210)에 전달되는 회전력의 크기에 따라, 재순환되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 구체적으로, 제1 공기 압축기(210)에 전달되는 회전력의 크기가, 대기압 상태의 외부 공기를 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력으로 압축시키기에 충분하다면, 공기 재순환 유로(250)로 공기가 유입될 필요가 없으므로, 공기 재순환 밸브(251)는 폐쇄될 수 있다. 반대로, 제1 공기 압축기(210)에 전달되는 회전력의 크기가, 대기압 상태의 외부 공기를 연료전지 스택(400)이 요구하는 압력으로 압축시키기에 부족하다면, 공기 재순환 밸브(251)는 개방되어, 공기 재순환 유로(250)를 통해 연료전지 스택(400)으로부터 배출된 공기를 제1 공기 압축기(210)로 공급할 수 있다.
제1 공기 압축기(210)에 전달되는 회전력의 크기에 따라 제1 공기 압축기(210)로 재공급되는 공기의 유량을 조절함으로써, 모체 동력부(100)에서 생산되는 회전력의 크기가 크든 작든 상관없이, 연료전지 시스템(10)에 요구되는 출력에 필요한 압축 공기량을 연료전지 스택(400)에 원활히 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(11)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템(11)은 모체 동력부(100), 공기 순환부(200B) 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400) 및 제2 회전력 전달부(600)를 포함할 수 있다.
모체 동력부(100)는 원동기(110)로부터 모체(T) 내의 구동 기구(120)로 회전력을 공급하는 제1 축(130)을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(400)은 수소 순환부(300A)로부터 수소를 공급받아 전기 에너지를 생산할 수 있다. 모체 동력부(100), 공기 순환부(200B), 수소 탱크(310), 수소 밸브(320), 수소 이젝터(330) 및 연료전지 스택(400)은 전술한 연료전지 시스템(10)에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
수소 순환부(300A)는 수소 압축기(340A)를 포함할 수 있다. 수소 압축기(340A)는 연료전지 스택(400)에서 배출되는 수소를 압축하여 연료전지 스택(400)에 다시 공급할 수 있다.
제2 회전력 전달부(600)는 제1 축(130) 및 수소 압축기(340A) 사이에 배치될 수 있다. 제2 회전력 전달부(600)는 제1 축(130)으로부터 수소 압축기(340A)로 회전력을 전달하는 역할을 할 수 있다. 제2 회전력 전달부(600)에 의해, 수소 압축기(340A)는 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 수소를 압축할 수 있다.
수소 압축기(340A)를 연료전지 스택(400)에서 생산된 전기 에너지로 작동시키는 경우 소모되는 전력의 크기와, 수소 압축기(340A)를 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부로 작동시키는 경우 소모되는 에너지의 크기를 비교하면, 후자가 훨씬 작다.
따라서, 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 수소 압축기(340A)를 작동시킴으로써, 수소 압축에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 또한 절약되는 에너지만큼 연료전지 시스템(11)의 순수 가용 출력이 증가될 수 있어, 연료전지 시스템(11)의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(12)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(12)은 모체 동력부(100), 공기 순환부(200B) 수소 순환부(300), 연료전지 스택(400), 냉각부(700) 및 제3 회전력 전달부(800)를 포함할 수 있다.
모체 동력부(100)는 원동기(110)로부터 모체(T) 내의 구동 기구(120)로 회전력을 공급하는 제1 축(130)을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(400)은 공기 순환부(200B)로부터 공기를, 수소 순환부(300)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다. 모체 동력부(100), 공기 순환부(200B), 수소 순환부(300) 및 연료전지 스택(400)은 전술한 연료전지 시스템(10)에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
냉각부(700)는 연료전지 시스템(12)이 작동함에 따라 연료전지 스택(400)이 과열되지 않도록 연료전지 스택(400)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다. 예를 들어 냉각부(700)는 냉각수를 순환시켜 연료전지 스택(400)을 냉각할 수 있다.
냉각부(700)는 라디에이터(710), 냉각수 밸브(720), 냉각수 펌프(730) 및 냉각수 순환 유로(740)를 포함할 수 있다.
라디에이터(710)는 연료전지 스택(400)을 냉각시킨 후 뜨거워진 냉각수를 방열시켜 다시 냉각시킬 수 있다. 다시 냉각된 냉각수는 냉각수 펌프(730)를 통해 가압된 후 연료전지 스택(400)으로 투입될 수 있다. 투입된 냉각수는 연료전지 스택(400)을 냉각시킨 후 다시 배출되어 라디에이터(710)로 유입될 수 있다.
냉각수 순환 유로(740)는 냉각수가 연료전지 스택(400)로 유입 및 유출되어 순환하는 유로로서, 라디에이터(710)와 냉각수 펌프(730) 및 냉각수 순환 유로(740)를 거쳐 연료전지 스택(400)과 연결될 수 있다. 냉각수 밸브(720)는 냉각수 순환 유로(740)의 일측, 예를 들어 라디에이터(710)와 냉각수 펌프(730) 사이에 배치되어 냉각수의 유량을 조절할 수 있다.
제3 회전력 전달부(800)는 제1 축(130) 및 냉각수 펌프(730) 사이에 배치될 수 있다. 제3 회전력 전달부(800)는 제1 축(130)으로부터 냉각수 펌프(730)로 회전력을 전달하는 역할을 할 수 있다. 제3 회전력 전달부(800)에 의해, 냉각수 펌프(730)는 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수를 가압할 수 있다.
냉각수 펌프(730)를 연료전지 스택(400)에서 생산된 전기 에너지로 작동시키는 경우 소모되는 전력의 크기와, 냉각수 펌프(730)를 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부로 작동시키는 경우 소모되는 에너지의 크기를 비교하면, 후자가 훨씬 작다.
따라서, 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수 펌프(730)를 작동시킴으로써, 냉각수 가압에 소모되는 에너지를 절약할 수 있다. 또한 절약되는 에너지만큼 연료전지 시스템(12)의 순수 가용 출력이 증가될 수 있어, 연료전지 시스템(12)의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(13)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(14)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템(15)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
일 실시예로, 도 6을 참조하면, 연료전지 시스템(13)은 제1 회전력 전달부(500) 및 제2 회전력 전달부(600)를 모두 포함할 수 있다. 즉, 제1 공기 압축기(210)가 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시킴과 동시에, 수소 압축기(340A)도 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 수소를 압축할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 시스템(13)의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다른 실시예로, 도 7을 참조하면, 연료전지 시스템(14)은 제1 회전력 전달부(500) 및 제3 회전력 전달부(800)를 모두 포함할 수 있다. 즉, 제1 공기 압축기(210)가 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시킴과 동시에, 냉각수 펌프(730)도 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수를 가압할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 시스템(14)의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또 다른 실시예로, 도 8을 참조하면, 연료전지 시스템(15)은 제1 회전력 전달부(500), 제2 회전력 전달부(600) 및 제3 회전력 전달부(800)를 모두 포함할 수 있다. 즉, 제1 공기 압축기(210)가 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시키면서 동시에, 수소 압축기(340A)도 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 수소를 압축시키고, 동시에 냉각수 펌프(730)도 모체 동력부(100)에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수를 가압할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 시스템(15)의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10(10A, 10B), 11, 12, 13, 14, 15: 연료전지 시스템
100: 모체 동력부 110: 원동기
120: 구동 기구 130: 제1 축
200: 공기 순환부 210: 제1 공기 압축기
211: 제2 축 220: 유량 조절기
230: 제2 공기 압축기 240: 가습기
250: 공기 재순환 유로 251: 공기 재순환 밸브
300: 수소 순환부 310: 수소 탱크
320: 수소 밸브 330: 수소 이젝터
340(340A): 수소 압축기 341: 제3 축
400: 연료전지 스택 500: 제1 회전력 전달부
600: 제2 회전력 전달부 700: 냉각부
710: 라디에이터 720: 냉각수 밸브
730: 냉각수 펌프 731: 제4 축
740: 냉각수 순환 유로 800: 제3 회전력 전달부
T: 모체

Claims (7)

  1. 제1 축을 포함하는 모체 동력부;
    상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 외부 공기를 압축시키는 제1 공기 압축기;
    상기 제1 축에서 상기 제1 공기 압축기로 회전력의 일부를 전달하는 제1 회전력 전달부; 및
    상기 제1 공기 압축기로부터 압축 공기를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택;을 포함하는, 연료전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 공기 압축기는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받는 제2 축을 포함하며,
    상기 제1 회전력 전달부는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 연결하는 변속기를 포함하는, 연료전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 공기 압축기 및 상기 연료전지 스택 사이에 배치되는 제2 공기 압축기;를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기를 상기 제1 공기 압축기로 공급하는 공기 재순환 유로;를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 공기 재순환 유로는
    상기 제1 공기 압축기에 전달되는 회전력의 크기에 따라, 재순환되는 공기의 양을 조절하는 공기 재순환 밸브;를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  6. 모체 동력부;
    수소를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 배출되는 수소를 압축하여 상기 연료전지 스택에 다시 공급하는 수소 압축기;를 포함하며,
    상기 수소 압축기는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 상기 수소를 압축하는, 연료전지 시스템.
  7. 모체 동력부;
    전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택; 및
    상기 연료전지 스택에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 냉각부;를 포함하며,
    상기 냉각부는 상기 모체 동력부에서 생산된 회전력의 일부를 전달받아 냉각수를 가압하는 냉각수 펌프;를 포함하는, 연료전지 시스템.
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