KR20090011365A - 연료전지용 수소공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 수소공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탱크 내부에 고압의 압축 수소가스를 저장함에 있어서, 고압탱크 내부에 수소저장밀도가 높은 금속수소화물(MH;Metal Hydride) 탱크를 장착하고, 고압탱크에 수소 충전시에는 MH 탱크로부터 수소를 방출하고, 고압탱크에서 수소 배출시에는 MH 탱크에 수소를 충전함으로써, 고압탱크의 충방전시 온도의 변화를 MH 탱크를 이용하여 온도를 보상할 수 있도록 한 연료전지용 수소공급장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소충전소로부터 충전가능하고, 내부에 금속수소화물(MH) 탱크가 별개로 저장가능하도록 장착된 고압탱크; 상기 고압탱크의 양단에 설치된 제1 및 제2솔레노이드밸브; 상기 고압탱크와 병렬로 연결되는 버퍼탱크; 및 상기 고압탱크 또는 MH 탱크로부터 수소가 공급되는 스택;을 포함하여 구성되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 수소가 수소충전소로부터 고압탱크에 충전 및 방전되고, 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 MH 탱크에 충전 및 방전되며, 상기 고압탱크에 수소 충전시 제1 및 제2솔레노이드밸브가 동시에 열리면서 MH 탱크의 수소가 배출되며, MH 탱크에서 배출된 수소는 버퍼탱크에 저장되었다가 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치를 제공한다.
고압탱크, MH(금속수소화물), 버퍼탱크, 솔레노이드밸브

Description

연료전지용 수소공급장치{Hydrogen suppliment apparatus for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 수소공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탱크 내부에 고압의 압축 수소가스를 저장함에 있어서, 고압탱크 내부에 수소저장밀도가 높은 금속수소화물(MH;Metal Hydride) 탱크를 장착하고, 고압탱크에 수소 충전시에는 MH 탱크로부터 수소를 방출하고, 고압탱크에서 수소 배출시에는 MH 탱크에 수소를 충전함으로써, 고압탱크의 충방전시 온도의 변화를 MH 탱크를 이용하여 온도를 보상할 수 있도록 한 연료전지용 수소공급장치에 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 수소 를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.
이와 같이, 연료전지를 구동원으로 하는 차량에서는 상기한 바의 전기생산을 위하여, 차량에 미리 저장시킨 수소를 연료전지스택에 공급해야 하는 바, 차량에는 차량 외부의 수소충전설비로부터 공급받은 수소를 저장하기 위한 별도의 수소저장탱크가 구비된다.
즉, 연료전지의 발전에 필요한 수소는 일단 차량에 구비된 수소저장탱크에 저장된 후 발전이 이루어지는 연료전지스택으로 공급되는 것이다.
따라서, 연료전지스택에서의 계속된 발전을 위해서는 적절한 시기에 수소저장탱크를 충전시켜야 하는 바, 수소충전설비는 수소공급탱크 및 컴프레서 등을 포함하고 있으며, 수소공급탱크로부터 공급되는 수소는 컴프레서에서 압력이 높아진 후 차량의 수소저장탱크로 공급되도록 되어 있다.
한편, 연료인 수소의 저장 방식은 액체 수소저장, 고압압축방식 및 수소저장재료(금속수산화물, 다공성 나노재료)를 이용한 수소저장방식 등이 있다.
현재 상용화에 가장 근접한 기술은 고압압축방식이며, 수소저장재료를 이용한 방식도 매우 활발히 연구되고 있다.
도 1은 고압압축방식의 연료공급을 나타내는 모식도로서, 수소충전소(1)에서 고압수소탱크(2)에 수소를 충전하고, 고압 레귤레이터(3) 및 저압 레귤레이터(4)를 통해 압력을 조절하여 필요할 때 마다 고압수소탱크(2)로부터 스택(연료전지스택)에 수소를 공급하게 된다.
이때, 상기 고압수소탱크(2)의 일단부에는 솔레노이드밸브(5)가 설치되고, 그 타단부에는 엔드 플러그(마개)가 설치되어, 솔레노이드밸브(5)를 통해 가스를 충전하고, 상기 솔레노이드밸브(5)에 작동신호를 보내어 밸브가 온오프 되게 된다.
현재 연료전지 시스템에서의 수소저장방법은 350bar 또는 700bar의 고압으로 압축하는 방식이다.
그러나, 이 방식은 부피저장밀도가 낮아 주행거리를 확보하기 위해서는 동일부피에 압축압력을 높여야 하며, 동일압축압력에서는 저장부피가 커져야 하나 이는 안정성 및 차량탑재측면에서 불리하다.
또한 고압저장수소탱크에 수소를 압축하여 저장하는 중에 압력의 영향으로 발생하는 온도상승은 안전성측면에서 불리하다.
그리고, 도 2는 수소저장물질의 수소 흡방출을 나타내는 도면으로서, 수소저장재료에 수소를 저장할 때는 발열반응으로 인하여 열이 발생하며, 외부에서 열을 가해주면 수소가 방출되는 특성이 있다.
그러나, 상기 수소저장재료를 이용하면 고압압축 수소저장방식에 비해 중량저장밀도가 매우 높은 장점을 가지고 있으나, 수소의 흡방출 속도 및 발생하는 열관리 측면에서 고압압축 방식에 비해 기술적으로 불리한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고압탱크 내부에 금속수소화물 탱크를 장착하고, 고압탱크 양단에 솔레노이드밸브를 설치하고, 고압탱크의 수소 충방전시 수소의 출입방향을 MH 탱크와 서로 반대가 되도록 솔레노이드밸브를 제어하여 온도를 보상함으로써, 효율적인 열 관리 및 안전성 확보에 기여할 수 있도록 한 연료전지용 수소공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 수소공급장치에 있어서,
수소충전소로부터 충전가능하고, 내부에 금속수소화물(MH) 탱크가 별개로 저장가능하도록 장착된 고압탱크; 상기 고압탱크의 양단에 설치된 제1 및 제2솔레노이드밸브; 상기 고압탱크와 병렬로 연결되는 버퍼탱크; 및 상기 고압탱크 또는 MH 탱크로부터 수소가 공급되는 스택;을 포함하여 구성되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 수소가 수소충전소로부터 고압탱크에 충전 및 방전되고, 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 MH 탱크에 충전 및 방전되며, 상기 고압탱크에 수소 충전시 제1 및 제2솔레노이드밸브가 동시에 열리면서 MH 탱크의 수소가 배출되며, MH 탱크에서 배출된 수소는 버퍼탱크에 저장되었다가 스택에 공급되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 MH 탱크에 수소 충전시 제1 및 제2솔레노이드밸브가 동시에 열리면서 고압탱크의 수소가 배출되며, 고압 탱크에서 배출된 수소는 버퍼탱크에 저장되었다가 스택에 공급되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제1솔레노이드밸브에는 제1온도센서가 설치되고, 상기 고압탱크에 수소 충전시 제1온도센서가 고압탱크의 온도를 측정하여, 측정된 온도가 상승하면 제2솔레노이드밸브가 열리면서 MH 탱크의 수소가 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2솔레노이드밸브에는 제2온도센서가 설치되고, 상기 MH 탱크에 수소 충전시 제2온도센서가 MH 탱크의 온도를 측정하여 측정된 온도가 상승하면 제1솔레노이드밸브가 열리면서 고압탱크의 수소가 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1솔레노이드밸브에 제1압력센서가 설치되고, 상기 버퍼탱크에 제3압력센서가 설치되며, 상기 제1압력센서에서 측정된 압력값이 제3압력센서의 측정값보다 큰 경우에는 제1솔레노이드밸브가 열리면서 고압탱크의 수소가 버퍼탱크로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2솔레노이드밸브에 제2압력센서가 설치되고, 상기 제1압력센서를 통해 측정된 고압탱크의 압력값보다 제2압력센서를 통해 측정된 MH 탱크의 압력값이 더 높은 경우에는 제2솔레노이드밸브가 열리면서 MH 탱크의 수소가 버퍼탱크로 배출되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 버퍼탱크 및 스택 사이에는 고압 및 저압 레귤레이터가 설치되고, 상기 버퍼탱크의 수소는 고압 및 저압 레귤레이터를 통해 감압된 후 스택에 공급되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 수소공급장치에 의하면, 고압탱크의 내부에 장착된 금속수소화물탱크를 이용하여 고압탱크에 압축수소 주입시 고압탱크의 온도가 상승하면 MH 탱크의 솔레노이드밸브를 열어 수소를 방출하면서 고압탱크의 냉각효과가 발생하고, MH 탱크에 압축수소 주입시 MH 탱크의 온도가 상승하면 고압탱크의 솔레노이드밸브를 열어 수소를 방출하면서 고압탱크이 내부 온도는 냉각되며 MH 탱크에서 수소주입시 발생하는 온도로 보상함으로써, 효율적인 열관리 및 안전성을 확보할 수 있고, 수소충전속도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 고압탱크 충전시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이고, 도 4는 MH 탱크 충전시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이고, 도 5는 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이다.
연료전지 차량에서 사용되는 연료인 수소의 저장형태는 수소를 압축하여 일정한 체적공간을 갖는 봄베에 고압으로 충전하는 것이 일반적이나, 압축 수소 간의 거리가 커서 봄베에 충전되는 수소의 양에는 한계가 있고, 고압탱크(10)에 수소 충방전시 발생하는 열의 변화로 안전성 측면에서 문제가 있다.
또한, 금속수소화물(Metal Hydride;이하 "MH" 라 함)은 저온 시에 수소를 흡입하여 저장하고 고온이 되면 저장한 수소를 방출하는 금속으로서, 이와 같은 MH를 이용하여 수소를 저장하는 경우에 수소저장용량은 매우 크나, 수소저장합금의 중량이 커서 이를 움직이는데 에너지가 많이 소요되는 문제가 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 수소저장탱크는 크게 압축수소가스 저장용 고압탱크(10)와, 금속수소화물을 이용한 MH 탱크(11)와, 고압탱크(10) 및 MH 탱크(11) 중 어느 하나로부터 배출되는 수소를 저장하는 버퍼 탱크(12)로 나눌 수 있다.
상기 압축수소가스 저장용 고압탱크(10)는 압축 수소를 저장하는데 일반적으로 사용되는 봄베로서, 알루미늄 라이너 튜브의 양쪽 끝부분을 스피닝 가공한 후 나사 가공한다.
상기 MH 탱크(11)는 고압탱크(10)의 내부에 장착되는 수소저장탱크로서, 탱크의 크기는 작으나 금속 내부에 저장되는 수소 원자 간의 거리가 짧아서 저장되는 수소저장용량은 같은 크기의 고압탱크(10)에 비해 많다.
여기서, 상기 MH 탱크(11)를 고압 탱크(10)의 내부에 장착하기 위한 제작방법은 다음과 같다. 먼저 알루미늄 라이너 튜브의 일단부를 스피닝 가공한 후 한쪽 입구 부분(보스부위)를 나사 가공한 다음, 기 제작되어 있는 MH 탱크(11)를 고압 탱크 내부에 장착한다.
계속해서, 알루미늄 라이너 튜브의 타단부를 스피닝 가공 및 나사 가공 후 필라멘트 와인딩 공정을 거쳐 수지 경화하여 완성한다.
이와 같이 내부에 MH 탱크(11)가 장착된 고압탱크(10)의 일단에는 고압탱크 의 수소출입을 개폐하는 제1솔레노이드밸브(13), 제1온도센서 및 제1압력센서가 설치되고, 고압탱크(10)의 타단에는 MH 탱크(11)의 수소출입을 개폐하는 제2솔레노이드밸브(14), 제2온도센서 및 제2압력센서가 설치되어 있다.
또한, 상기 고압탱크(10)와 병렬로 버퍼탱크(12)가 설치되어, 제1솔레노이드밸브(13)는 수소충전소(17)에서 고압탱크(10)로의 충전 및 고압탱크(10)에서 버퍼탱크(12)로 배출되고, 제2솔레노이드밸브(14)는 수소충전소(17)에서 MH 탱크(11)로의 충전 및 MH 탱크(11)에서 버퍼탱크(12)로 배출되는 구조로 설치되어 있다.
이와 같은 구조는 고압탱크(10)에 수소를 충전함과 동시에 MH 탱크(11)에서 수소를 배출하거나, MH 탱크(11)에 수소를 충전함과 동시에 고압탱크(10)에서 수소를 배출하는 구조인바, 고압탱크(10) 또는 MH 탱크(11) 중 어느 하나에 수소가 입력되면 다른 하나에서 수소가 출력되도록 하기 위해 버퍼탱크(12)가 설치된다.
이때 버퍼탱크(12)의 일측에는 제1솔레노이드밸브(13)와 연결되는 제3솔레노이드밸브(15), 제3온도센서 및 제3압력센서가 설치되고, 버퍼탱크(12)의 타측에는 제2솔레노이드밸브(14)와 연결되는 제4솔레노이드밸브(16), 제4온도센서 및 제4압력센서가 설치되어 있다.
상기 온도센서 및 압력센서는 솔레노이드밸브(13~16)에 장착될 수 있다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
1) 고압 탱크에 압축 수소 주입시
수소충전소(17)에서 고압의 압축수소를 고압탱크(10)에 주입하여 충전시키 고, 고압탱크측의 온도센서(제1온도센서)를 통해 고압탱크(10) 내부의 온도를 측정한다.
상기 측정된 온도가 상승하면 MH 탱크 측의 제2솔레노이드밸브(14)에 제어신호를 보내어 회로를 오픈시킨 후 MH 탱크(11) 내의 수소가 버퍼 탱크(12)로 방출되도록 한다.
따라서, 상기 압축수소가 고압탱크(10)에 충전되는 동안 상승되는 온도는 MH 탱크(11)의 수소 방출에 의해 냉각되는 효과를 얻을 수 있고, 버퍼 탱크(12)의 수소는 스택(18)에 공급되게 된다.
2) MH 탱크(11)에 압축수소 주입시
수소충전소(17)에서 고압의 압축수소를 MH 탱크(11)에 주입하여 충전시키면 MH 탱크(11) 내의 온도가 상승한다. 이때 발생하는 온도를 MH 탱크(11) 측에 설치된 제2온도센서를 통해 측정한다.
상기 측정된 온도가 상승하면 고압탱크(10) 측에 설치된 제1솔레노이드밸브(13)에 제어신호를 보내어 회로를 오픈 시킨 후 고압탱크(10) 내의 수소가 버퍼 탱크(12)로 방출되도록 한다.
따라서, 상기 압축수소가 MH 탱크(11)에 충전되는 동안 상승되는 온도는 고압 탱크(10)의 수소 방출에 의해 냉각되며, 버퍼 탱크(12)의 수소는 스택(18)에 공급되게 된다.
3) 주행시
연료전지시스템의 운전을 위해 버퍼탱크측에 설치된 제4솔레노이드밸브(16) 를 오픈시켜 고압 레귤레이터(20)에서 1차적으로 압력을 10bar로 감압시킨 후, 저압 레귤레이터(21)에서 2차적으로 압력을 0.2bar로 감압한다.
그 다음, 0.2bar로 감압된 수소는 스택(18)에 공급되며, 공기와 반응하고 남은 수소는 재순환 블로워(19)를 통해 재순환된다.
상기 제1 및 제3압력센서를 통해 압력을 모니터링하여 고압탱크(10)의 압력이 버퍼탱크(12)의 압력보다 클 경우에 제1솔레노이드밸브(13)(고압탱크측)를 열림상태로 되게 되게 한다.
상기 제1 및 제3압력센서로부터 측정된 압력값이 제2압력센서(MH 탱크측)의 측정값보다 낮을 경우에 제2솔레노이드밸브(14)(MH 탱크측)를 열어 MH 탱크(11)의 수소를 방출시켜 사용한다.
상기 MH 탱크(11)의 수소저장량은 많지만 압력이 낮기 때문에 주행시 수소가 사용되는 순서는 버퍼탱크(12)→고압 탱크(10)→MH 탱크(11) 순이다.
따라서, 상기 고압탱크(10) 측면에서는 고압수소 충전시 발생하는 압축열을 MH 탱크(11)의 수소 방출시 일어나는 냉각효과로 인하여 감소시키므로 보다 더 빠른 속도로 충전할 수 있다(현재는 탱크온도가 85도를 넘지 않는 범위에서 속도를 고압탱크(10)의 수소충전속도를 제한함).
또한, MH 탱크(11) 측면에서는 고압수소 충방전시 발생되는 흡열 및 발열은 고압탱크(10)의 압축열 및 방출열로 보상될 수 있다.
도 6은 수소충전시 온도 상승을 나타내는 그래프이고, 탱크의 온도상승을 고려하여 3-4분 정도의 충전시간으로 충전한 경우 탱크 내부의 온도는 80℃까지 상승 하며, 미국 에너지성(DOE;Department Of Energy)의 기준인 2분 이내에 충전을 하면 온도는 더 상승할 것이다.
도 7은 수소 방출시 온도하강을 나타내는 그래프이고, 10분의 시간동안 수소 방출할 경우에 -40℃까지 냉각되는 현상이 발생하며, 더 큰 유로를 확보하여 방출할 경우에 더 크게 하강할 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 연료공급 시스템을 나타내는 모식도이고,
도 2는 종래의 수소저장물질의 수소 흡방출을 나타내는 도면이고,
도 3은 고압탱크 충전시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이고,
도 4는 MH 탱크 충전시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이고,
도 5는 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 수소공급장치의 수소흐름을 나타내는 모식도이고,
도 6은 고압수소 충전시 온도 상승을 나타내는 그래프이고,
도 7은 고압수소 방출시 온도 하강을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고압탱크 11 : MH 탱크
12 : 버퍼탱크 13~16 : 제1 내지 제4솔레노이드밸브
17 : 수소충전소 18 : 스택
19 : 재순환블로워 20 : 고압레귤레이터
21 : 저압레귤레이터

Claims (7)

  1. 연료전지용 수소공급장치에 있어서,
    수소충전소로부터 충전가능하고, 내부에 금속수소화물(MH) 탱크가 별개로 저장가능하도록 장착된 고압탱크;
    상기 고압탱크의 양단에 설치된 제1 및 제2솔레노이드밸브;
    상기 고압탱크와 병렬로 연결되는 버퍼탱크; 및
    상기 고압탱크 또는 MH 탱크로부터 수소가 공급되는 스택;
    을 포함하여 구성되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 통해 수소가 수소충전소로부터 고압탱크에 충전 및 방전되고, 상기 제2솔레노이드밸브를 통해 MH 탱크에 충전 및 방전되며, 상기 고압탱크에 수소 충전시 제1 및 제2솔레노이드밸브가 동시에 열리면서 MH 탱크의 수소가 배출되며, MH 탱크에서 배출된 수소는 버퍼탱크에 저장되었다가 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 MH 탱크에 수소 충전시 제1 및 제2솔레노이드밸브가 동시에 열리면서 고압탱크의 수소가 배출되며, 고압 탱크에서 배출된 수소는 버퍼탱크에 저장되었다가 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1솔레노이드밸브에는 제1온도센서가 설치되고, 상기 고압탱크에 수소 충전시 제1온도센서가 고압탱크의 온도를 측정하여, 측정된 온도가 상승하면 제2솔레노이드밸브가 열리면서 MH 탱크의 수소가 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2솔레노이드밸브에는 제2온도센서가 설치되고, 상기 MH 탱크에 수소 충전시 제2온도센서가 MH 탱크의 온도를 측정하여 측정된 온도가 상승하면 제1솔레노이드밸브가 열리면서 고압탱크의 수소가 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1솔레노이드밸브에 제1압력센서가 설치되고, 상기 버퍼탱크에 제3압력센서가 설치되며, 상기 제1압력센서에서 측정된 압력값이 제3압력센서의 측정값보다 큰 경우에는 제1솔레노이드밸브가 열리면서 고압탱크의 수소가 버퍼탱크로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2솔레노이드밸브에 제2압력센서가 설치되고, 상기 제1압력센서를 통해 측정된 고압탱크의 압력값보다 제2압력센서를 통해 측정된 MH 탱크의 압력값이 더 높은 경우에는 제2솔레노이드밸브가 열리면서 MH 탱크의 수소가 버퍼탱크로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버퍼탱크 및 스택 사이에는 고압 및 저압 레귤레이터가 설치되고, 상기 버퍼탱크의 수소는 고압 및 저압 레귤레이터를 통해 감압된 후 스택에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소공급장치.
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