KR200238902Y1 - 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형연료전지(ｐｅｆｃ)와 천연가스엔진의 병렬 하이브리드자동차 - Google Patents

Abstract

본 고안은 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 전기에너지와 천연가스엔진의 동력을 병렬로 연결한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.

본 고안에서는 미리 외부전원으로 충전한 배터리의 전기에너지에 의해 움직이고, 부족분을 연료전지에서 발생한 전기에너지에 의해 주행을 하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때는 천연가스엔진을 이용할 수 있는 교통수단을 제공한다.

연료전지에서 발생한 전기에너지에 의해 움직이는 모터와 엔진을 병렬로 연결한 경우는 1.미리 외부전원으로 충전된 배터리에 의한 전기 에너지에 의해 움직이며, 2. 미리 충전된 전기에너지가 부족되어 운행이 여의치 않으면 연료전지에 의해 움직이고, 3. 연료전지에 의한 운행에 제약이 있으면 천연가스엔진에 의해 운행을 한다.

병렬이 직렬보다 유리한 경우는 미리 충전시켜 놓은 전기에너지가 적거나, 장거리를 엔진으로 운행해야 하는 경우, 매연의 제약이 적은 교외에서 엔진을 사용할 경우, 온도의 상승이나 하강으로 연료전지 사용에 제약이 있을 경우, 연료전지의 부피를 자동차의 용적에 비해 크게 만들 수 없는 경우 등이다.

Description

천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(ＰＥＦＣ)와 천연가스엔진의 병렬 하이브리드 자동차{A parallel hybrid automobile car of the polymer electrolyte fuel cells with natural gas regenerator and the natural gas engine}

본 고안은 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 전기에너지와 천연가스엔진의 동력을 병렬로 연결한 하이브리드 자동차에 관한 것이다.

휘발유 자동차에 대한 대안으로 연료전지차가 부각되고 있다. 그러나 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC)차는 연료 비용이 아직은 비싸며, 연료에 섞여들어오는 일산화탄소에 백금전극이 쉽게 피독되는 결점이 있다. 또한 섭씨 100도가 넘으면 전지의 전기에너지발생이 크게 감소함으로 냉각시켜야 한다. 그러나 상온에서 작동이 가능하여 부식성이 적은 점 등으로 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 메탄올 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC)차는 무게가 가볍고 부피가 적고 열효율도 좋으므로 차세대 교통수단으로 유망하다.

최근 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 외부전원으로 충전한 배터리의 전기에너지에 의해 움직이고, 부족분을 연료전지에서 발생한 전기에너지에 의해 주행을 하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때는 천연가스엔진을 이용할 수 있는 교통수단을 제공한다.

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

연료전지에서 발생한 전기에너지에 의해 움직이는 모터와 천연가스엔진을 병렬로 연결한 경우는 1.미리 외부전원으로 충전된 배터리에 의한 전기 에너지에 의해 움직이며, 2. 미리 충전된 전기에너지가 부족되어 운행이 여의치 않으면 연료전지에 의해 움직이고, 3. 연료전지에 의한 운행에 제약이 있으면 천연가스엔진에 의해 운행을 한다.

병렬이 직렬보다 유리한 경우는 미리 충전시켜 놓은 전기에너지가 적거나, 장거리를 천연가스엔진으로 운행해야 하는 경우, 매연의 제약이 적은 교외에서 천연가스엔진을 사용할 경우, 온도의 상승이나 하강으로 연료전지 사용에 제약이 있을 경우, 연료전지의 부피를 자동차의 용적에 비해 크게 만들 수 없는 경우 등이다.

제 1도는 본 고안의 전체적인 불럭도이다.

제 2도는 배터리부 및 축전부속장치의 실시예이다.

〈 도면의 주요 기분에 대한 부호의 설명 〉

20:천연가스엔진 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: 천연가스 개질기 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

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 배 터리부 및 축전부속장치(40)에 충분한 축전을 해놓는 것을 원칙으로 한다. 축전이 불충분하거나 에너지가 부족하면 이산화탄소의 배출이 적은 연료전지를 사용한다.

천연가스 개질기를 가진 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 천연가스 개질기(36)에서 수소가스 발생시켜 쓰는 것을 원칙으로 한다.

천연가스 개질기(36)에서 생성된 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)에서과충전이 방지되고 하이브리드제어부(100)의 스위칭에 의해 제어되어 배터리부 및 부속장치(40)에 축전된다.

미리 축전시켜둔 전기에너지나 연료전지에 의한 에너지 공급이 여의치 않은 경우, 천연가스엔진(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. 또 이때 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, 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 연료전지에서 발생한 전기에너지를 이용하며, 연료전지의 시동이 쉽지 않은 추운 날이나, 연료전지가 고장이 났을 때는 천연가스엔진을 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.

또한 본 고안의 효과는 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC)를 사용하고 천연가스 엔진을 사용함으로써 연료통의 무게와 부피가 중복되지 않는 하이브리드 엔진을 만든다는 것이다.

Claims (1)

1. 천연가스 개질기(36)와 연결되고 연료전지 셀들로 구성되어 전기에너지를 발생시키는 천연가스 개질기를 가진 고체고분자형 연료전지(PEFC) 스텍(30)과, 전기에너지를 발생시키도록 발전기(21)를 구동시키는 천연가스 엔진(20)과, 온도감지부(24), 연료량감지부(26), RPM감지부(23), 온도센서(34), 온도센서(102)의 신호를 받아들여 기준 설정치에 맞는 제어를 하고, 충전장치 및 스위칭부(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, 고체고분자형 연료전지(PEFC) 스텍(30)을 통해 발생한 전기에너지를 배터리부 및 축전부속장치(40)와 모터 및 부속장치(50)에 연결시키고, 모터의 구동이 어렵거나 불리할 때 모터 및 부속장치(50)를 대신하여 천연가스 엔진(20)의 동력과 병렬로 연결시켜 사용할 수 있도록 하는 동력전달장치(60)를 구비하며, 변속기와 엑셀페달과 브레이크페달과 사용자조작스위치를 구비한 하이브리드 자동차 장치.