KR20030067117A

KR20030067117A - 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템

Info

Publication number: KR20030067117A
Application number: KR1020020006969A
Authority: KR
Inventors: 권순우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2003-08-14
Also published as: KR100461150B1

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템에 관한 것으로서, 수소 충전시 수소충전설비로부터 공급되는 냉각수를 차량의 수소저장탱크에 설치된 냉각수 순환파이프를 통해 순환시켜, 순환하는 냉각수와 수소저장탱크 내의 수소 사이에서 열교환이 이루어지도록 하고, 이를 통해 충전시 수소저장탱크 내의 수소 온도 상승을 억제함으로써, 수소가 충전되는 시간을 단축하고, 수소 충전시 안전성을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템{Cooling system for hydrogen storage tank of fuel cell powered vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 충전시 수소충전설비로부터 공급되는 냉각수를 차량의 수소저장탱크에 설치된 냉각수 순환파이프를 통해 순환시켜, 순환하는 냉각수와 수소저장탱크 내의 수소 사이에서 열교환이 이루어지도록 하고, 이를 통해 충전시 수소저장탱크 내의 수소 온도 상승을 억제함으로써, 수소가 충전되는 시간을 단축하고, 수소 충전시 안전성을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.

이러한 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층되어 있는 연료전지 셀 어셈블리 및 그 주변부품으로 구성된 연료전지스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.

이와 같이, 연료전지를 구동원으로 하는 차량에서는 상기한 바의 전기생산을위하여, 첨부한 도 3에 도시한 바와 같이, 차량(10)에 미리 저장시킨 수소를 연료전지스택(12)에 공급해야 하는 바, 차량(10)에는 차량 외부의 수소충전설비(20)로부터 공급받은 수소를 저장하기 위한 별도의 수소저장탱크(14)가 구비된다.

즉, 연료전지의 발전에 필요한 수소는 일단 차량(10)에 구비된 수소저장탱크(14)에 저장된 후 발전이 이루어지는 연료전지스택(12)으로 공급되는 것이다.

따라서, 연료전지스택(12)에서의 계속된 발전을 위해서는 적절한 시기에 수소저장탱크(14)를 충전시켜야 하는 바, 수소충전설비(20)는 수소공급탱크(22) 및 컴프레서(23) 등을 포함하고 있으며, 수소공급탱크(22)로부터 공급되는 수소는 컴프레서(23)에서 압력이 높아진 후 차량(10)의 수소저장탱크(14)로 공급되도록 되어 있다.

그러나, 종래에는 연료전지 차량의 수소저장탱크에 수소를 충전함에 있어서 다음과 같은 문제가 있었다.

수소는 충전시 팽창하면서 온도가 상승하는데, 이때 수소가 상승하는 온도는 통상 110℃ 정도이며, 약 8분 경과 후 80 ∼ 90℃ 정도로 떨어지게 된다.

이와 같이 온도가 상승하면 초기 충전시에 비해 충전압도 많이 상승하므로, 초기 설정한 충전압만큼 수소의 충전이 힘들고, 결국 1차로 수소를 충전한 후 온도가 안정된 다음 다시 한번 충전을 실시해야 하는 문제점이 생긴다.

또한, 수소의 온도 상승에 따른 안전문제를 고려해야 하므로 빠른 충전이 힘들어진다(충전시 약 10분 이상이 소요).

또한, 통상의 수소저장탱크에는 안전도출밸브(safety relief valve)가 구비되는데, 이 안전도출밸브는 수소저장탱크의 정해진 위치의 온도가 120℃ 정도로 상승하면 대기중으로 수소를 배출하도록 되어 있는 바, 충전시 수소의 온도가 전술한 바와 같이 110℃ 정도로 상승하므로 설계여유 및 안전여유가 적고, 이는 결국 안전성을 저해하는 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 수소 충전시 수소충전설비로부터 공급되는 냉각수를 차량의 수소저장탱크에 설치된 냉각수 순환파이프를 통해 순환시켜, 순환하는 냉각수와 수소저장탱크 내의 수소 사이에서 열교환이 이루어지도록 하고, 이를 통해 충전시 수소저장탱크 내의 수소 온도 상승을 억제함으로써, 수소가 충전되는 시간을 단축하고, 수소 충전시 안전성을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉각시스템의 구성 및 냉각수의 이동경로를 보여주는 블럭도

도 2는 본 발명에 따른 냉각시스템에서 수소저장탱크의 냉각수 순환파이프를 보여주는 단면도

도 3은 일반적인 수소충전설비 및 연료전지 차량에서 수소의 공급경로를 보여주는 블럭도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 차량12 : 연료전지스택

14 : 수소저장탱크16 : 쉘

17 : 냉각수 순환파이프18 : 냉각수 공급포트

19 : 냉각수 배출포트20 : 수소충전설비

22 : 수소공급탱크23 : 컴프레서

24 : 수소공급도관25 : 냉각수 공급시스템

26 : 냉각수 공급탱크27 : 펌프

28 : 냉각수 공급도관29 : 냉각수 배출도관

첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템은 냉각수가 순환 후 배출되면서 수소저장탱크(14) 내의 수소와 열교환이 이루어질 수 있도록 수소저장탱크(14)의 외곽을 이루는 쉘(16)에 전체적으로 균일하게 삽입 설치되는 냉각수순환파이프(17)와, 냉각수 공급이 가능하고 상기 냉각수 순환파이프(17)에 연결될 수 있도록 하여 차량 외부의 수소충전설비(20)에 구비되는 냉각수 공급시스템(25)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 냉각수 공급시스템(25)은 냉각수 공급탱크(26)와, 이 냉각수 공급탱크(26)와 연결된 펌프(27)와, 이 펌프(27)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 공급포트(18)와 연결 가능한 냉각수 공급도관(28)과, 상기 냉각수 공급탱크(26)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 배출포트(19)에 연결 가능한 냉각수 배출도관(29)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 순환파이프(17)는 쉘(16)의 길이방향을 따라 가면서 그 둘레에 코일형 또는 나선형으로 감기는 구조로 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 냉각시스템의 구성 및 냉각수의 이동경로를 보여주는 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉각시스템에서 수소저장탱크의 냉각수 순환파이프를 보여주는 단면도이다.

도면부호 21과 24는 각각 수소공급시스템과 수소공급도관을 나타낸다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 냉각시스템은 차량(10)의 수소저장탱크(14)에 구비되는 냉각수 순환파이프(17)와, 차량 외부의 수소충전설비(20)에 구비되는 냉각수 공급시스템(25)을 포함하여 이루어진다.

먼저, 상기 냉각수 순환파이프(17)는 수소 충전시 냉각수가 순환 후 배출되면서 수소저장탱크(14) 내 수소의 온도 상승을 억제하게 된다.

즉, 상기 수소저장탱크(14)에는 냉각수 공급포트(18)와 냉각수 배출포트(19)가 구비되고, 상기 냉각수 순환파이프(17)가 냉각수 공급포트(18)와 냉각수 배출포트(19)를 연결하고 있는 구조이다.

따라서, 상기 냉각수 공급포트(18)를 통해 공급되는 냉각수는 냉각수 순환파이프(17)를 따라 순환한 후 냉각수 배출포트(19)를 통해 배출된다.

여기서, 상기 냉각수 순환파이프(17)는 수소저장탱크(14)의 외곽을 이루는 쉘(shell)(16)에 전체적으로 균일하게 삽입 설치된다.

그 바람직한 실시예로서, 상기 냉각수 순환파이프(17)는 쉘(16)의 길이방향을 따라 가면서 그 둘레에 코일형 또는 나선형으로 감기는 구조로 설치될 수 있다.

결국, 냉각수 순환파이프(17)를 따라 흐르는 저온의 냉각수는 수소저장탱크(14) 내부에 충전되어 있는 고온의 수소와 열교환을 하게 되며, 이와 같이 이루어지는 열교환에 의해 수소저장탱크(14) 내부의 수소 온도가 낮아질 수 있게 되는 것이다.

한편, 수소충전설비(20)에는 냉각수를 공급할 수 있는 냉각수 공급시스템(25)이 설치되어, 수소 충전시 냉각수를 함께 공급할 수 있도록 되어 있고, 이 냉각수 공급시스템(25)으로부터 공급되는 냉각수는 냉각수 순환파이프(17)로 유입되어 흐르도록 되어 있다.

상기 냉각수 공급시스템(25)은 그 일례로서, 냉각수 공급탱크(26)와, 이 냉각수 공급탱크(26)와 연결된 펌프(27)와, 이 펌프(27)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 공급포트(18)와 연결 가능한 냉각수 공급도관(28)과, 상기 냉각수 공급탱크(26)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 배출포트(19)에 연결 가능한 냉각수 배출도관(29)을 포함한다.

여기서, 상기 냉각수 공급도관(28) 및 배출도관(29)은 수소 충전시 충전자가 직접 차량(10)에 연결, 즉 수소저장탱크(14)의 해당 포트(18,19)에 연결하도록 되어 있는 것이다.

이와 같이 하여, 수소 충전시 냉각수 공급도관(28)과 냉각수 배출도관(29)을 수소저장탱크(14)의 해당 포트(18,19)에 연결하고 펌프(27)를 구동시키면, 냉각수 공급탱크(26)에 저장되어 있던 냉각수가 냉각수 공급도관(28) 및 냉각수 공급포트(18)를 통해 냉각수 순환파이프(17)로 유입되고, 이 냉각수 순환파이프(17)에서 순환한 냉각수는 냉각수 배출포트(19) 및 냉각수 배출도관(29)을 통해 배출되어 다시 냉각수 공급탱크(26)로 모아지게 된다.

결국, 수소 충전시 냉각수 순환파이프(17)를 통해 저온의 냉각수를 흐르게 하면서, 순환하는 저온의 냉각수와 수소저장탱크(14) 내 고온의 수소 사이에서 열교환이 이루어지도록 하고, 이를 통해 수소저장탱크(14) 내 수소의 온도 상승을 억제할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템에 의하면, 수소 충전시 수소충전설비로부터 공급되는 냉각수를 차량의 수소저장탱크에 설치된 냉각수 순환파이프를 통해 순환시켜, 순환하는 냉각수와 수소저장탱크 내의 수소 사이에서 열교환이 이루어지도록 하고, 이를 통해 충전시 수소저장탱크 내의 수소 온도 상승을 억제함으로써, 수소가 충전되는 시간을 단축하고, 수소 충전시 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

냉각수가 순환 후 배출되면서 수소저장탱크(14) 내의 수소와 열교환이 이루어질 수 있도록 수소저장탱크(14)의 외곽을 이루는 쉘(16)에 전체적으로 균일하게 삽입 설치되는 냉각수 순환파이프(17)와, 냉각수 공급이 가능하고 상기 냉각수 순환파이프(17)에 연결될 수 있도록 하여 차량 외부의 수소충전설비(20)에 구비되는 냉각수 공급시스템(25)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각수 공급시스템(25)은 냉각수 공급탱크(26)와, 이 냉각수 공급탱크(26)와 연결된 펌프(27)와, 이 펌프(27)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 공급포트(18)와 연결 가능한 냉각수 공급도관(28)과, 상기 냉각수 공급탱크(26)와 연결되어 있고 상기 냉각수 순환파이프(17)의 냉각수 배출포트(19)에 연결 가능한 냉각수 배출도관(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 냉각수 순환파이프(17)는 쉘(16)의 길이방향을 따라 가면서 그 둘레에 코일형 또는 나선형으로 감기는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소저장탱크 냉각시스템.