KR20060033510A

KR20060033510A - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20060033510A
Application number: KR1020040082668A
Authority: KR
Inventors: 안상열
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-19

Abstract

본 발명은 연료전지스택의 미반응 수소가스가 연소실에서 발화하여 발생되는 폭발력을 이용하여 회전되는 터보차저에 의해 공기압축기의 일을 감소시킬 뿐 아니라 그 회전축상에 설치된 제너레이터를 통해 모든 운전상태에서 2차 전지에 전기를 충전시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지스택에서 미반응된 수소가스를 배출하는 통로에 설치된 연소실과; 상기 연소실에서 연소에 의한 폭발력에 의해 회전력을 얻는 터보차저와; 상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 회전축상에 설치된 제너레이터와; 상기 제어레이터에서 발생된 전기를 축전하는 2차 전지를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, 자동차의 감속 또는 정지시에만 작동하는 종래의 회생제동부와 달리, 정속주행 및 가속운행을 포함하여 모든 주행모드에서 항상 전기를 생산하여 2차 전지를 충전시키므로, 2차 전지는 충분한 충전 전력량을 유지할 수 있다.

연료전지 시스템, 미반응 수소가스, 연소실, 제너레이터, 2차전지

Description

연료전지 시스템{Fuel Cell System}

도 1은 종래의 연료전지 시스템을 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 터보차저 및 제너레이터를 포함하는 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 연료전지스택 12: 공기압축기

14: 수소재순환장치 16: 2차 전지

18: 회생제동부 20: 터보차저

22: 회전축 30: 연소실

32: 차단밸브 34: 점화플러그

40: 제너레이터

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지스택의 미반응 수소가스가 연소실에서 발화하여 발생되는 폭발력을 이용하여 회전되는 터보차저에 의해 공기압축기의 일을 감소시킬 뿐 아니라 그 회전축상에 설치된 제너 레이터를 통해 모든 운전상태에서 2차 전지에 전기를 충전시킬 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 자동차는, 기존의 내연기관 자동차가 화석연료와 공기중의 산소를 엔진 내에서 폭발반응시켜 그 화학에너지를 기계에너지로 바꾸어 구동동력을 얻는 것과 달리, 고압수소탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기터보압축기를 통해 공급되는 공기중의 산소를 연료전지스택내에서 전기화학반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하게 된다.

즉, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행중이다.

특히, 자동차에 사용되는 종래의 연료전지 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지스택에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기압축기(12)와 상기 연료전지스택에 수소를 공급하는 고압수소탱크(미도시)와, 연료전지스택(10)에서 미반응된 수소가스를 포집하여 연료전지스택(10)으로 재순환시키는 수소재순환장치(14) 등을 포함하여 구성된다.

또한, 연료전지 시스템에는 상기한 구성부품 이외에도, 가솔린 등 기타 연료로부터 수소를 만들어내는 개질기와, 온도를 조절하기 위해 냉각수를 순환시키는 물공급부 등이 포함된다.

그러나 연료전지 시스템에서는, 내연기관과 같은 피스톤의 행정운동에 의해 공기를 자연스럽게 흡입하는 기능이 없기 때문에, 공기를 강제로 일정 압력이상으로 불어 넣어 주는 장치가 필요하다.

이와 같은 장치로는 공기압축기가 있으며, 상기 공기압축기는 연료전지 운전에 있어서 가장 많은 일을 필요로 하는 장치로서, 연료전지 시스템 최대 출력의 5~20 %를 사용한다.

한편, 연료전지 자동차를 운행할 때 발전된 전력을 탑재된 전기자동차용 2차전지에 충전하고, 충전된 전력으로 다시 자동차의 동력에 재활용되도록 하는 장치가 국내 공개특허 제2002-0014178호에 개시되었다.

2차전지에 전력이 충전되는 과정을 더욱 상세하게 설명하면, 연료전지 자동차가 감속 운행하거나 정지중인 경우에는 연료전지스택에서 전력이 발생하지만 실제 동력에 사용되는 전력은 매우 양이 작으므로, 나머지 잉여전력을 회생제동부를 통해 2차 전지에 충전시키는 것이다.

자동차는 구동에 필요한 에너지외에 라이트, 히터, 에어컨 등 많은 전기를 필요로 하기 때문에, 전기를 지속적으로 공급하기 위해서는 2차전지(배터리)에 항상 일정 수준 이상의 전기를 충전하고 있어야 한다.

특히, 연료전지 자동차의 경우 2차전지(배터리)에 충전된 전력은, 상기 기능이외에 자동차의 시동, 등판, 급가속시에 연료전지스택을 보조하여 부족한 전원을 보충하는 역할을 한다.

그러나 상기한 종래 연료전지 시스템에서는, 자동차의 감속과 제동 그리고 정지시에만 연료전지스택의 잉여전력을 2차 전지에 충전하고, 고속 주행 또는 가속주행시에 보조 전원으로 방전하기 때문에, 2차 전지에 충분한 전력을 충전하고 있지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지스택으로부터 배출되는 미반응 수소가스를 연소시켜 얻는 폭발력에 의해 터보차저를 회전시키고, 그 회전력에 의해 터보차저와 같은 축에 연결된 공기압축기를 회전시키면서 그 축에 연결된 제너레이터를 통해 지속적으로 2차 전지(배터리)를 충전할 수 있는 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기공급부와 수소공급부와 물공급부와 연료전지스택 및 제어부로 구성된 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지스택에서 미반응된 수소가스를 배출하는 통로에 설치된 연소실과; 상기 연소실에서 연소에 의한 폭발력에 의해 회전력을 얻는 터보차저와; 상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 회전축상에 설치된 제너레이터와; 상기 제어레이터에서 발생된 전기를 축전하는 2차 전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은 상기 연소실에는 화염이 역화되는 것을 방지하기 위 해 차단밸브가 설치되고, 불꽃점화를 위해 점화플러그가 구비되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(10)의 미반응 수소가스의 배출통로에 설치된 연소실(30)과, 상기 연소실(30)에서 연소된 수소가스의 폭발력에 의해 회전력을 얻는 터보차저(20)와, 상기 터보차저(20)가 연결된 회전축상에 설치된 제너레이터(40)와, 상기 제너레이터(40)에서 발생된 전력을 저장하는 2차 전지(16)로 구성된 것이다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 연소실(30)은 연료전지스택(10)의 미반응 수소가스 배출관에 연결되어 설치되고, 상기 연소실(30)과 연료전지스택(10) 사이에는 화염이 상기 연료전지스택(10)의 내부로 역화되는 것을 방지하기 위해 차단밸브(32)가 설치되며, 연소실(30)내에는 착화를 위해 점화플러그(34)가 구비되어 있다.

상기 터보차저(20)는, 상기 연소실(30)에 연통되도록 연결되어있는 터빈블레이드로서, 연소실에서 점화플러그의 착화에 의해 발화되는 고압의 연소가스에 의해 회전력을 얻을 수 있도록 설치된다. 상기 터보차저(20)의 터빈블레이드 형상은 일반적인 형상을 사용할 수 있으므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같은 구성의 터보차저(20)의 중심축은 회전축(22)에 의해 공기를 압축하여 연료전지스택에 공급하는 공기압축기(12)의 중심축과 연결되어 있으므로, 가장 많은 에너지를 소모하는 공기 압축기(12)에 필요한 일을 제공하게 되고, 이에 따라 전체 효율은 증가하게 된다.

한편, 상기 제너레이터(40)는, 상기 터보차저(20)의 회전력을 공기압축기(12)에 전달하고 있는 회전축(22)상에 설치되는 것으로서, 상기 회전축(22)으로부터 회전력을 제공받아 전기를 발생시킨다.

또한, 상기 제너레이터의 기어치수는 그 회전수를 상기 회전축의 회전수보다 크게 하도록 조정하여 사용한다.

상기 2차 전지(16)는, 종래 연료전지에서처럼 회생제동부(18)를 통해 자동차의 감속운행 또는 정지시에 전력을 충전 할 뿐 아니라, 상기 터보차저(20)의 회전축(22)상에 설치된 제너레이터(40)를 통해 지속적으로 전력을 충전하게 된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

연료전지스택(10)에는 수소가스와 공기가 공급되어 전기화학반응에 의해 물과 전기가 생산되는데, 이때 미반응 수소가스는 배관을 통해 연소실(30)로 배출된다.

상기 연소실(30)에 일정량의 미반응 수소가스가 포집된 후에, 상기 연소실(30)과 연료전지스택(10)의 사이는 차단밸브(32)에 의해 차단된 상태에서 연소실(30)내의 점화플러그(34)에 의해 착화되어 미반응 수소가스가 발화된다.

이때, 연소실(30)의 고압 폭발가스는, 개방된 터보차저(20)쪽 출구를 통해 빠른 속도로 이동하면서 터보차저(20)를 회전시키므로, 동일한 회전축(22)에 의해 연결된 공기압축기(12)도 함께 회전하게 된다. 따라서, 공기압축기(12)에 소요되는 일의 양은 감소된다.

그리고, 상기 회전축(22)을 입력축으로 하여 상기 제너레이터(40)에 회전력이 입력되므로, 상기 제너레이터(40)는 빠른 속도로 회전하면서 많은 양의 전기를 생산할 수 있고, 이와 같이 생산된 전기는 2차 전지(배터리)(16)에 축적된다.

상기 제너레이터(40)는, 자동차의 감속 또는 정지시에만 작동하는 회생제동부와 달리 모든 운행모드에서 전기를 생산하여 2차 전지를 충전할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.

상술한 본 발명에 따른 연료전지시스템에 의하면, 자동차의 감속 또는 정지시에만 작동하는 종래의 회생제동부와 달리, 정속주행 및 가속운행을 포함하여 모든 주행모드에서 항상 전기를 생산하여 2차 전지를 충전시키므로, 2차 전지는 충분한 충전 전력량을 유지할 수 있다.

이에 따라 종래의 내연기관 보다 더욱 많은 전기를 필요로 하는 연료전지 자동차에 있어서, 히터, 에어콘 등 각종 전기장치의 가동시 뿐 아니라 급가속 및 고속주행시에 필요한 동력보충을 위한 전력을 공급할 수 있으므로, 자동차의 가속성능 및 급출발 성능이 향상되는 효과를 갖는다.

또한, 연료전지스택의 미반응 수소가스를 연소실에서 발화시켜 그 폭발력으로 터보차저를 회전시키고, 상기 터보차저의 회전력을 공기압축기에 제공함으로써, 공기압축기의 일을 저감시킬 수 있다.

Claims

공기공급부와 수소공급부와 물공급부와 연료전지스택 및 제어부로 구성된 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지스택에서 미반응된 수소가스를 배출하는 통로에 설치된 연소실과; 상기 연소실에서 연소에 의한 폭발력에 의해 회전력을 얻는 터보차저와; 상기 터보차저와 공기압축기를 연결하는 회전축상에 설치된 제너레이터와; 상기 제어레이터에서 발생된 전기를 축전하는 2차 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제너레이터의 회전수가 상기 회전축의 회전수보다 크도록 기어비를 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,

상기 연소실과 상기 연료전지스택 사이에는 화염이 역화되는 것을 방지하기 위해 차단밸브가 설치되고, 상기 연소실의 내부에는 착화를 위해 점화플러그가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.