KR200234245Y1 - 태양전지와 고체고분자형 연료전지(ｐｅｆｃ)와휘발유엔진의 병렬 하이브리드 자동차 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양전지와 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 전기에너지와 휘발유엔진의 동력을 병렬로 연결한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.

휘발유 자동차에 대한 대안으로 태양전지차와 연료전지차가 부각되고 있다. 그러나 태양전지는 지역이나 계절, 시간에 따라 에너지 이용에 변동요인이 많다. 고체고분자형 연료전지(PEFC)차는 연료 비용이 아직은 비싸며, 일산화탄소에 백금전극이 쉽게 피독되는 결점이 있다. 또한 섭씨 100도가 넘으면 전지의 전기에너지 발생이 크게 감소함으로 냉각시켜야 한다. 그럼에도 불구하고 상온에서 작동하고 부식성이 낮고 가볍고 부피도 적어 유망시되고 있다.

본 고안에서는 외부전원으로 미리 충전시켜 놓은 축전지를 단거리에서는 이용하고, 부족할 경우 태양전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 이 에너지로 부족하면 연료전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때, 연료가 떨어졌을 때는 엔진을 이용할 수 있는 교통수단을 제공한다.

본 고안은 전적으로 화석연료 사용의 감축을 필요로 하는 시대에 연료전지의 결점을 보완한 교통수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

병렬 연결장치는 모터와 엔진을 동력으로 함으로 미리 외부전원으로 충전시킨 배터리 전원으로 주행하기에는 먼 장거리 주행에 유리하다. 또 외부전원에 의한 전기에너지 공급이 어렵거나 태양에너지 공급이 어려울 때, 연료전지가 비쌀수록유리하다.

Description

태양전지와 고체고분자형 연료전지(ＰＥＦＣ)와 휘발유엔진의 병렬 하이브리드 자동차{A parallel hybrid automobile car of the solar cells, the polymer electrolyte fuel cells and the gasoline engine}

본 고안은 태양전지와 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 전기에너지와 엔진의 동력을 병렬로 연결한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.

휘발유 자동차에 대한 대안으로 태양전지차와 연료전지차가 부각되고 있다. 그러나 태양전지는 지역이나 계절, 시간에 따라 에너지 이용에 변동요인이 많다. 고체고분자형 연료전지(PEFC)는 연료 비용이 아직은 비싸며, 연료에 섞여 들어오는 일산화탄소에 쉽게 성능이 감소되는 결점이 있다. 또한 섭씨 100도가 넘으면 전지의 전기에너지발생이 크게 감소함으로 냉각시켜야 한다. 그럼에도 불구하고 상온에서 작동하고 부식성이 낮고 가볍고 부피도 적어 유망시되고 있다.

연료전지자동차는 매연이 발생하지 않는다는 장점이 있을 뿐, 아직은 연료가 휘발유보다 비싸며, 추운 날씨에는 시동이 어려울 수가 있으며, 연료인 수소가 부피가 크기 때문에 저장하는데 어려움이 있으며, 위험도 따른다. 그러나 고체고분자형 연료전지(PEFC)차는 기동이 빠른 편이고 열효율도 좋으므로 차세대 교통수단으로 유망하다.

최근 태양전지나 자동차 엔진으로 전기를 발생시켜 이 전기로 물을 분해하여 수소를 발생시켜 이용하려는 시도가 있다. 그러나 이러한 시도는 에너지 효율을 크게 떨어트릴 뿐이다.

본 고안은 석유자원의 고갈과 지구 온난화 때문에 화석연료의 국제적인 사용제한 압력에 대비한 교통수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

지구 온난화에 대비한 탄소세 부과에 대한 국제적인 움직임 등으로 화석연료 사용에 대책이 시급하다.

본 고안에서는 미리 축전시켜 놓은 배터리의 전기에너지를 단거리에 주로 이용하며, 이 에너지로 부족하거나 장거리를 운용할 경우는 태양전지에서 발생한 전기에너지를 이용하고, 이 에너지로 부족하면 연료전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때, 연료가 떨어졌을 때는 엔진을 이용할 수 있는 교통수단을 제공한다.

본 고안은 전적으로 화석연료 사용의 감축을 필요로 하는 시대에 연료전지의 결점을 보완한 교통수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

태양전지에서 발생한 전기에너지와, 연료전지에서 발생한 전기에너지에 의해 움직이는 모터와 엔진을 직렬로 연결한 경우는 1. 태양전지나 외부전원에 의해 충전된 배터리에 의한 전기 에너지에 의해 주로 움직이며, 2. 충전된 전기에너지가 부족하여 운행이 여의치 않으면 연료전지에 의해 움직이고, 3. 연료전지에 의한 운행에 제약이 있으면 엔진에 의해 운행을 한다.

병렬 연결장치는 모터와 엔진으로 움직이게 됨으로 전기 에너지의 공급이 여의치 않은 지역에 유리하다. 또한 태양에너지의 공급이 충분치 않은 지역에서 보다 유리하고, 연료전지의 가격이 휘발유보다 비쌀수록 상대적으로 유리한 수단이 된다.

제 1도는 본 고안의 전체적인 불럭도이다.

제 2도는 배터리부 및 축전부속장치의 실시예이다.

＜ 도면의 주요 기분에 대한 부호의 설명 ＞

10: 태양전지장치 11: 충전장치 및 스위칭부 20: 엔진 21: 발전기

22: 정류 및 스위칭부 23: RPM감지부 24: 온도감지부 25: 연료통

26: 연료량감지부 27: 스로틀벨브구동부 28: 냉각장치

30: 연료전지스텍 31: 충전장치 및 스위칭부 32: 냉각장치 33: 히터

34: 온도센서 36: 연료통 37: 일산화탄소 제거장치

38: 송풍장치 40: 배터리부 및 축전부속장치 41: 배터리모듈

42: 전압감지부 43: 전류감지부 44: 온도감지부 45: 스위칭회로

46: 충전상태감지부 50: 모터 및 부속장치 60: 동력전달부

70: 변속기 및 부속장치 71: 바퀴

80: 엑셀 페달, 브레이크 페달, 차속센서, 사용자조작스위치

100: 하이브리드 제어부 101: 표시장치(모니터) 102: 온도센서

103: 광센서 104: 비상전원 200: 외부전원 콘넥터

본 고안의 구성과 작용을 자세히 설명하면 다음과 같다.

제 1도는 본 고안의 전체적인 불럭도이다.

본 고안의 하이브리드 자동차는 주행 전에 외부전원 콘넥터(200)를 통해 배터리부 및 축전부속장치(40)에 충분한 축전을 해놓는 것을 원칙으로 한다. 또한 주행 전에 충전장치 및 스위칭부1(11)을 통해 태양전지장치(10)로부터 충분한 축전을 해놓을 수도 있다.

태양전지장치(10)는 태양전지 모듈들 및 역류방지용 다이오드나 역류방지용 파워포인트 트래커를 포함할 수 있다. 충전장치 및 스위칭부(11)는 하이브리드제어부(100)의 제어를 받는 스위칭회로와, 고전압을 차단하는 충전제한기, 미약한 전기에너지를 증폭시키는 승압회로, 태양전지 셀들로부터 오는 전기량을 직렬과 병렬로 연결의 조합을 바꿀 수 있는 직병렬 교환기를 포함할 수 있다.

외부전원에 의한 충전이나 태양전지에 의한 충전이 부족한 경우에는 이산화탄소의 배출이 적은 연료전지를 사용한다.

고체고분자형 연료전지(PEFC)스텍(30)의 내부는 필요한 만큼의 연료전지 단위셀들이 내장되고, 직렬 또는 병렬로 연결되어 있어, 충분한 전압과 전류가 안정적으로 나올 수 있도록 설계된다. 날씨가 추울 때에는 히터(33)가 작동되어 영상의 온도를 만들며, 내부 온도가 섭씨 100도 이상 올라가지 않도록 냉각장치(32)가 작동될 수 있다. 냉각장치(32)는 수냉식을 사용함으로써 급격한 요구에 대처할 수 있다. 온도센서(34)는 온도를 하이브리드 제어부(100)에 보내어 설정된 기준에 따라 냉각장치(32)나 히터(33)가 작동될 수 있도록 한다.

고체고분자형 연료전지(PEFC)는 메탄이나 다른 천연가스를 개질하기 보다는 연료통(36)에 수소가스를 채워서 쓰는 것을 원칙으로 한다.

연료통의 수소가스는 일산화탄소 제거장치(37)에서 일산화탄소가 제거된 뒤, 고체고분자형 연료전지(PEFC)스텍(30)의 연료극에 들어간다. 일산화탄소 제거장치(37)는 황화구리의 염산산성 수용액이나 암모니아성 수용액을 이용할 수 있다.

공기는 송풍장치(38)를 통해 연료전지의 공기극에 보내진다.

연료전지스텍(30)에서 생성된 전기에너지는 충전장치 및 스위칭부(31)에서 과충전이 방지되고 하이브리드제어부(100)의 스위칭에 의해 제어되어 배터리부 및 부속장치(40)에 축전된다.

미리 축전시켜둔 전기에너지나 태양전지나 연료전지에 의한 에너지 공급이 여의치 않은 경우, 휘발유엔진(20)에 의해 동력을 발생시켜 기어나 구동축이나 벨트, 이들의 조합으로 이루어진 동력전달부(60)를 통해 동력을 전달하여 변속기 및 부속장치(70)를 통해 바퀴(71)에 동력을 전달할 수 있다. 이때 발전기(21)를 구동시켜 전력을 발생하여 정류 및 스위칭부(22)에서 교류를 직류로 바꾸고 하이브리드제어부(100)의 스위칭을 받아, 배터리부 및 축전부속장치(40)에 전기에너지가 축전할 수도 있다. 이때 엔진의 온도감지부(24)의 온도에 따라 하이브리드제어부(100)는 설정된 기준에 맞추어 냉각장치(28)를 가동하거나 중단하도록 할 수 있다. 또이때 발전기의 RPM감지부(24)의 측정값에 따라 하이브리드제어부(100)는 설정된 기준에 맞추어 연료통(25)의 스로틀벨브구동부(27)를 작동하거나 멈출 수 있다. 연료량감지부(26)의 측정값은 하이브리드제어부(100)에서 설정된 기준에 맞추어 태양전지시스템이나 연료전지시스템을 선택적으로 작동시키는 기준이 된다.

배터리부 및 축전부속장치(40)의 전기에너지에 의해 모터 및 부속장치(50)의 모터가 구동되고, 변속기 및 부속장치(70)를 통해 바퀴(71)의 방향이나 돌아가는 속도가 결정되는데, (80)에서 자동차의 속도나 방향이 조종된다. (80)은 조종자가 엑셀페달, 브레이크페달, 차속센서, 사용자조작스위치를 조종하는 운전장치이다.

하이브리드 제어부(100)는 표시장치(모니터)(101)를 통해 사용자에게 상태를 알리며, 온도센서(102)로 기온을 측정하여 설정된 기준에 따라 연료전지와 엔진, 어느 것을 선택할지의 기준을 제공하며, 광센서(103)로 측정한 광도에 따라 태양전지를 연결할지의 기준, 태양전지판이 먼지나 새똥 등으로 더럽혀졌는지 여부를 판단하게 할 수 있다. 또한 외부전원(200)과 연결이 가능한 비상용 축전지(104)로 시스템 다운을 막을 수 있다.

제 2도는 배터리부 및 축전부속장치의 실시예이다.

하이브리드 제어부(100)는 전압감지부(42)와, 전류감지부(43)와, 온도감지부(44)와, 충전상태감지부(46)를 통해 배터리모듈(41)의 상태를 감지하고 충전이 더 필요한지, 충전을 하면 안되는지, 등의 기준을 적용한다. 모터 및 부속장치(50)의 사용이 가능하면 스위칭회로(45)를 통해 전기에너지를 보낸다.

본 고안의 효과는 외부전원으로 미리 충전시켜 놓은 축전지를 단거리에서는 이용하고, 부족할 경우 태양전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 이 에너지로 부족하면 연료전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때, 연료가 떨어졌을 때는 엔진을 이용함으로써 청정 에너지를 불편이 적게 이용할 수 있는 교통수단을 제공하는 것이다.

또한 본 고안의 효과는 고체고분자형 연료전지(PEFC)를 사용하여 연료전지 중 무게와 부피를 작게 할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 태양광 에너지를 전류로 변환시키는 태양전지모듈들과 전기에너지의 역류를 방지하는 회로들로 구성된 태양전지 장치(10)와, 연료통(36)과 연결되고 연료전지 셀들로 구성되어 전기에너지를 발생시키는 고체고분자형 연료전지(PEFC)스텍(30)과, 전기에너지를 발생시키도록 발전기(21)를 구동시키는 휘발유엔진(20)과, 온도감지부(24), 연료량감지부(26), RPM감지부(23), 온도센서(34), 온도센서(102), 광센서(103)의 신호를 받아들여 기준 설정치에 맞는 제어를 하고, 충전장치 및 스위칭부1(11), 충전장치 및 스위칭부2(31), 정류 및 스위칭부(22)를 연결시키거나 차단시키는 제어를 하고, 스로틀벨브구동부(27)와 냉각장치(28)와 냉각장치(32)를 구동시키거나 차단시키는 제어를 하는 하이브리드 제어부(100)를 구비하고, 태양전지장치(10) 및 고체고분자형 연료전지(PEFC)스텍(30)을 통해 각각 발생한 전기에너지를 배터리부 및 축전부속장치(40)와 모터 및 부속장치(50)에 연결시키고, 모터의 구동이 어렵거나 불리할 때 모터 및 부속장치(50)를 휘발유엔진(20)의 동력과 병렬로 연결시켜 사용할 수 있도록 하는 동력전달장치(60)를 구비하며, 변속기와 엑셀페달과 브레이크페달과 사용자조작스위치를 구비한 하이브리드 자동차 장치.