KR20090022958A - 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 관한 것으로서, 수소 충전소에서 차량측 수소저장탱크에 수소가 충전되는 동안 MH 분말에 저장되고 남은 일부 수소를 수소저장탱크로부터 수소 충전소로 회수하여 차량측 수소저장탱크와 수소 충전소 간에 수소가 계속해서 순환될 수 있도록 구성됨으로써, 차가운 수소를 계속해서 수소저장탱크 내부로 공급하면서 수소저장탱크의 내부를 냉각할 수 있는 동시에 기존 열교환기의 냉각효율을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 수소의 급속 충전이 가능해지도록 한 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 관한 것이다.
연료전지차량, 수소, 충전, MH, 금속수소화물계, 수소저장시스템, 수소충전시스템
Description
본 발명은 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 저장을 위한 금속수소화물(MH) 분말이 넣어진 수소저장탱크를 포함하여 구성되고, 상기 수소저장탱크가 수소 충전소의 디스펜서로부터 연료전지의 연료가 되는 수소를 공급받게 되면, 상기 금속수소화물에 수소가 저장되면서 수소저장탱크 내 수소 충전이 이루어지도록 된 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 연료전지란 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
상기 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나 메탄이나 에탄올 같 은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다.
순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있는바, 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용한다.
최근에는 연료전지가 자동차에 응용되어 많은 연구와 개발이 이루어지고 있는 상태이며, 이러한 연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이는 없지만, 연료전지 자동차는 환경친화적인 측면에서 매우 유리하고, 그 구동원을 위한 에너지원으로서 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하는 점에 차이가 있다.
연료전지에서는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는데, 공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 양극으로 넘어가게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 전지를 적층한 것을 연료전지 스택(fuel cell stack)이라 하며, 이러한 연료전지 스택에서 음극(애노드)으로 수소를, 양극(캐소드)으로 공기 또는 산소를 흘려주어 전기화학반응을 일으킴으로써 고효율의 전기에너지와 반응에 의한 물을 발생시키게 된다.
현재 차량의 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택의 수소 출구측에 수소 재순환 블로워를 연결하여 수소 출구측 수소를 재사용하고 있다.
한편, 연료전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 수소저장탱크에 미리 충 전시킨 뒤 수소저장탱크에 저장된 수소를 관련 배관을 통해 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 차량을 주행시킨다.
그러나, 이러한 연료전지 차량의 상용화에 있어서 최대 걸림돌로 작용하는 것 중 하나가 수소저장시스템이다.
현재 연료전지 차량에 사용되는 고압 수소저장시스템(350bar/700bar)의 저장용량은 3.5kg으로 1회 충전시 약 300km를 운행할 수 있으나, 기존 가솔린 차량 대비 경쟁력이 부족한 것으로 알려져 있다.
기존 내연기관에 상응하는 주행거리 확보를 위해서는 최소 5kg의 수소가 필요하며, 이에 제한된 공간과 무게를 만족시키는 새로운 수소저장시스템이 필요하다.
최근 수소저장합금을 이용한 수소저장기술이 개발되었으며, 이는 금속수소화물(Metal Hybrides:MH)계를 사용함으로써 수소저장용량의 증대뿐만 아니라 안전에 대한 요구를 충족시킬 수 있다.
금속수소화물계(MH계) 수소저장시스템의 경우에는 수소 충전시에 발열반응이 일어나고, 수소 방출시에 흡열반응이 일어나는데, 수소화 반응열은 재료에 따라 다르지만 약 -30kJ/mol ~ -80kJ/mol 정도이므로 급속 충전시 열관리가 중요하다.
첨부한 도 1은 일반적인 MH계 수소저장시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하면, MH 수소저장탱크(10)에 수소가 충전되고, 상기 MH 수소저장탱크(10)에 저장된 수소가 연료전지 스택(1)에 공급되어 연료로 사용되며, 연료 전지 스택(1)의 수소 출구측에 나온 수소가 다시 연료전지 스택에 공급되어 재사용된다.
또한 연료전지 스택(1), MH 수소저장탱크(10), 라디에이터(2), 펌프(3)를 배관을 통해 연결하여 냉각수가 순환하는 스택냉각루프가 구성되는데, 수소 충전시에는 냉각수가 연료전지 스택(1)을 거치지 않고 MH 수소저장탱크(10)로 바이패스되도록 되어 있다.
그리고, 첨부한 도 2는 종래의 MH계 수소저장시스템에 수소 충전이 이루어지는 상태를 도시한 것으로, 이는 수소 충전소(100)에서 연료전지 차량의 MH 수소저장탱크(10)로 수소가 충전되는 상태 및 충전시 MH 수소저장탱크(10)의 냉각이 이루어지는 상태를 보여주고 있다.
금속수소화물계 수소저장시스템은 부피 저장밀도가 높지만 수소 충전시에 다량의 수소화 반응열이 발생하며, MH 수소저장탱크(10)에 수소를 충전할 때 수소화 반응열을 신속히 제거하지 못할 경우에는 충전압과 수소저장재료 평형압이 같아져서 수소의 흐름이 멈추고 수소 충전시간이 길어지게 된다(급속 충전 불가).
따라서, MH 수소저장탱크(10) 내부에는 효율적인 컴팩트 열교환기가 설계될 필요가 있다.
도 2를 참조하면, 수소 충전소(100)의 고압수소저장용기(110)에 저장된 수소가 배관을 통해 디스펜서(120)를 거쳐 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)로 공급되고, 이에 MH 수소저장탱크(10) 내부의 수소유로관(12a)에 공급된 수소는 탱크 내부 MH 분말(11)에 저장되게 된다.
이때, 수소 충전시에 발생하는 열을 제거하기 위해 MH 수소저장탱크(10)의 내부에는 핀-튜브 구조의 열교환기(13)가 설치되는데, 이 핀-튜브 열교환기(13)는 탱크 내부에 설치된 튜브(14)를 통해 냉각수가 통과하는 동안에 튜브와 일체로 된 냉각핀(15)에서 냉각수와 탱크 내부 간 열교환이 이루어지도록 한 것이다.
MH 수소저장탱크(10)의 열교환기(13)는 수소 충전시에 배관을 통해 MH 수소저장탱크(10)에 연결된 수소 충전소(100)의 냉각장치(101)로부터 냉각수를 공급받도록 되어 있고, 수소 충전소(100)의 냉각장치(101)와 MH 수소저장탱크(10)의 열교환기(13) 사이에 냉각수가 순환하면서 MH 수소저장탱크를 냉각시키게 된다.
이와 같이 MH계 수소저장시스템에서는 냉각효율을 높이기 위해 공냉식이 아닌 수냉식으로 MH 수소저장탱크를 냉각한다.
그러나, 종래에는 상기와 같이 MH 수소저장탱크 내부에 열교환기를 설치하여 수소 충전시에 MH 수소저장탱크를 냉각시킴에도 불구하고 냉각성능 측면에서 부족함이 있고 수소 충전시간을 단축하는 데에 한계가 있었는바, 수소 충전시 수소화 반응열 발생으로 인한 MH계 수소저장시스템의 충전시간 지연 문제가 항상 지적되어 왔고, 따라서 수소 충전시의 MH 수소저장탱크에 대한 냉각성능 및 효율을 높일 수 있는 방안이 절실히 필요하게 되었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 수소 충전소에서 차량측 수소저장탱크에 수소가 충전되는 동안 MH 분말에 저장되고 남은 일부 수소를 수소저장탱크로부터 수소 충전소로 회수하여 차량측 수소저장탱크와 수소 충전소 간에 수소가 계속해서 순환될 수 있도록 구성됨으로써, 차가운 수소를 계속해서 수소저장탱크 내부로 공급하면서 수소저장탱크의 내부를 냉각할 수 있는 동시에 기존 열교환기의 냉각효율을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 수소의 급속 충전이 가능해지도록 한 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 수소 저장을 위한 금속수소화물(MH) 분말이 넣어진 수소저장탱크를 포함하여 구성되고, 상기 수소저장탱크가 수소 충전소의 디스펜서로부터 연료전지의 연료가 되는 수소를 공급받게 되면, 상기 금속수소화물에 수소가 저장되면서 수소저장탱크 내 수소 충전이 이루어지도록 된 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 있어서,
상기 수소저장탱크의 후단에 출구밸브가 설치되고,
상기 출구밸브에는 수소 충전소측 수소회수배관에 연결 가능하게 구비된 수소회수배관이 연결 설치되며,
상기 수소저장탱크의 내부에 설치되어 수소가 통과되면서 수소저장탱크의 내부공간으로 수소가 주입되는 수소유로관이 상기 수소저장탱크의 입구밸브와 출구밸브 사이에 설치되어,
수소 충전시에 수소 충전소에서 공급되어 수소공급배관 및 상기 입구밸브를 통해 상기 수소유로관으로 공급된 수소 중 탱크 내 금속수소화물에 저장되고 남은 수소가 상기 출구밸브를 통해 배출되어 상기 수소회수배관을 통해 수소 충전소로 회수됨으로써 상기 수소저장탱크와 수소 충전소 간에 수소가 순환될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 수소저장탱크에 탱크 내부온도를 검출하는 온도센서가 설치되고, 차량측 제어기가 상기 온도센서의 검출신호를 입력받아 탱크 내부온도가 기준온도 이상으로 올라가면 상기 출구밸브를 개방하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 수소 충전소에서 수소저장탱크로 수소가 공급되는 수소공급배관과, 상기 수소저장탱크에서 수소 충전소로 수소가 회수되는 수소회수배관에 각각 유량측정계가 설치되고,
차량 수소 충전시 상호 통신 가능하도록 연결되는 수소 충전소측 제어기와 차량측 제어기의 협조 제어하에, 상기 두 유량측정계의 측정값 차이가 목표 수소 충전량에 도달되면, 상기 입구밸브와 출구밸브가 폐작동 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기한 특징을 갖는 본 발명의 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 의하면, 수소 충전소에서 차량측 수소저장탱크에 수소가 충전되는 동안 MH 분말에 저장되고 남은 일부 수소를 수소저장탱크로부터 수소 충전소로 회수하여 차량측 수소저장탱크와 수소 충전소 간에 수소가 계속해서 순환될 수 있도록 구성됨으로써, 차가운 수소를 계속해서 수소저장탱크 내부로 공급하면서 수소저장탱크의 내부를 냉각할 수 있는 동시에 기존 열교환기의 냉각효율을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 수소의 급속 충전이 가능해지는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템을 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에서 주요 구성부의 연결관계를 나타낸 블록도이다.
수소 충전시 수소화 반응열 발생으로 인한 MH계 수소저장시스템의 충전시간 지연 문제를 해결하고자, 본 발명은 도 3에 도시한 바와 같이 수소 충전 동안에 수소 충전소(100)와 연료전치 차량의 MH 수소저장탱크(10) 사이에 수소가 순환되도록 구성함으로써, 열전달 효율의 증가와 급속 충전을 가능하게 한 것이다.
본 발명에서 수소 충전소(100)로부터 MH 수소저장탱크(10)로 공급된 수소 중에 MH 분말(11)에 저장되고 남은 수소가 MH 수소저장탱크(10)로부터 다시 수소 충 전소(100)로 보내지며, 이렇게 수소 충전소(100)와 연료전치 차량의 MH 수소저장탱크(10) 사이에 수소 충전 동안 계속해서 수소 일부가 순환되도록 함으로써 MH 수소저장탱크(10)의 내부온도 및 수소 온도를 떨어뜨리고 열교환기(13) 효율을 향상시키며 반응열의 효과적인 제거를 통해 급속 충전을 가능하게 한다.
종래의 경우, MH계 수소저장시스템은 수소 충전시에 수소 충전소를 통해 수소를 공급받아 저장하기만 하고 수소의 순환은 이루어지지 않았다.
MH 수소저장탱크(10)의 내부온도는 탱크 내 냉각 유로와 MH 분말(11) 사이가 점 접촉 혹은 수소를 통해 열전달이 이루어지므로 수소 온도의 영향을 받는다. 이때, 고체-기체상 열교환의 경우 효율이 떨어진다.
따라서, 본 발명에서는 수소 충전소(100)와 연료전지 차량의 MH 수소저장탱크(10) 사이에 수소를 순환시킴으로써, 차가운 수소를 계속해서 MH 수소저장탱크(10) 내부로 공급하여 열교환 성능을 향상시키고, 급속 충전을 가능하게 한다.
우선, 도 3에 도시된 구성에 대해 설명하면, 수소 충전소(100)가 버퍼 용기(130), 압축기(140), 고압수소저장용기(110), 디스펜서(120) 등을 구비하는 점은 종래와 같고, 또한 냉각장치(101)를 구비하여 냉각장치(101)와 열교환기(13) 사이에 냉각수가 순환되면서 MH 수소저장탱크(10)의 내부를 냉각시키는 점도 종래와 같다.
또한 기본적으로 수소 충전을 위해서 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)가 수소공급배관(18,103)을 통해 수소 충전소(100)의 디스펜서(120)에 연결될 수 있게 되어 있으며, 디스펜서(120)를 통해 공급되는 수소 충전소(100)의 수소가 수소공급 배관(18,103) 및 입구밸브(12)를 통해 차량측 MH 수소저장탱크(10) 내부로 충전되어진다.
또한 MH 수소저장탱크(10) 내부에는 입구밸브(12)를 통해 들어온 수소가 탱크 내부공간으로 주입될 수 있도록 수소유로관(12a)이 상기 입구밸브(12)에 연결된 상태로 설치되고, 상기 수소유로관(12a)을 통해 탱크 내부공간으로 고르게 주입된 수소는 MH 분말(11)에 저장된다.
본 발명에서는 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)에 연결된 차량측 수소공급배관(18)에 수소공급유량을 검출하는 유량측정계(Mass Flow Meter:MFM)(21)가 설치되고, MH 수소저장탱크(10)의 후단에는 수소가 배출되는 출구밸브(17)가 추가로 설치되며, 입구단이 상기 입구밸브(12)에 연결된 수소유로관(12a)의 반대쪽 출구단이 상기 출구밸브(17)에 연결된다.
여기서, 상기 수소공급배관(18)의 유량측정계(21)는 검출신호가 차량측 제어기(24)에 입력될 수 있도록 구비되며, 상기 차량측 제어기(24)는 유량측정계(21)의 검출신호를 수소 충전소측 제어기(106)에 전달하도록 되어 있다.
상기 출구밸브(17)는 차량측 제어기(24)에 의해 개폐작동이 제어되도록 구성되는데, 차량측 제어기(24)는 수소 충전시 후술하는 온도센서(22)의 검출신호를 토대로 수소저장탱크(10)의 온도가 기준온도 이상으로 올라가면 출구밸브(17)를 개방하게 된다.
또한 상기 수소저장탱크(10)의 출구밸브(17)에는 수소가 배출되는 수소회수배관(19)이 연결 설치되고, 상기 수소회수배관(19)은 버퍼 용기(130)에 연결된 수 소 충전소(100)측의 수소회수배관(104)에 연결될 수 있게 구비된다.
결국, 수소 충전소(100)에서 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)를 통해 충전된 수소는 탱크 내부에서 수소유로관(12a)을 통과하게 되고, 수소유로관(12a)에서 탱크 내부공간으로 주입된 수소 일부가 MH 분말(11)에 저장되나 저장되고 남은 수소는 MH 수소저장탱크(10)의 출구밸브(17)에 연결된 수소회수배관(19)을 통해 배출되어 다시 수소 충전소(100)로 회수될 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 수소 충전소(100)가 공급하는 수소 중 일부가 MH 수소저장탱크(10) 내부에 저장되고, 나머지 수소는 다시 수소 충전소(100)로 회수되는바, 수소 충전 동안 수소 충전소(100)와 MH 수소저장탱크(10) 사이에는 계속해서 수소가 순환될 수 있게 된다.
그리고, 수소 충전소(100)측 수소회수배관(104)에는 수소회수유량을 검출하는 유량측정계(105)가 설치되며, MH 수소저장탱크(10) 내부에는 탱크 내부온도를 검출하기 위한 온도센서(22)와 탱크 내부압력을 검출하기 위한 압력센서(23)가 설치된다.
상기 유량측정계(105)는 검출신호가 수소 충전소측 제어기(106)에 입력될 수 있도록 구비되고, 상기 온도센서(22)와 압력센서(23)는 검출신호가 차량측 제어기(24)에 입력될 수 있도록 구비된다.
상기 수소 충전소측 제어기(106)는 차량의 수소 충전시에 차량측 제어기(24)와 상호 통신 가능하도록 연결되며, 또한 디스펜서 제어기(121)와도 상호 통신 가능하도록 연결된다.
상기 차량측 제어기(24)는 수소공급배관(18)에 설치된 유량측정계(21)의 검출신호를 수소 충전소측 제어기(106)에 전달하는바, 이에 수소 충전소측 제어기(106)는 수소공급배관(18)의 유량측정계(21)와 수소회수배관(104)의 유량측정계(105)의 검출신호를 토대로 하여 두 유량측정계(21,105)에 의해 검출된 수소 유량의 차이를 MH 수소저장탱크(10) 내 수소 충전량으로 판단하며, 현재의 수소 충전량이 충전 목표 유량에 도달하면 디스펜서 제어기(121)를 통해 디스펜서(120)를 오프시키는 동시에 차량측 제어기(24)에 신호 출력하여 차량측 제어기(24)로 하여금 출구밸브(17)와 입구밸브(12)를 닫아주도록 하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에서 수소 충전 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
차량측과 수소 충전소(100)측의 수소공급배관(18) 및 수소회수배관(104)이 연결되고 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)가 개방된 상태에서 수소 충전소(100)의 고압수소저장용기(110)에서 공급되는 수소는 디스펜서(120) 및 수소공급배관(18,103)을 통해 차량측 MH 수소저장탱크(10)로 공급되어 충전된다.
이때, 차량측 제어기(24)가 수소공급배관(18)에 설치된 유량측정계(21)를 통해 MH 수소저장탱크(10)로 들어가는 수소량을 측정하며, 수소공급배관(18,103)을 통해 공급된 수소는 MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)를 통해 탱크 내 수소유로관(12a)을 통과하게 된다.
수소 충전이 시작되면 MH 수소저장탱크(10)의 내부온도는 급격히 상승하게 되는데, 차량측 제어기(24)가 온도센서(22)를 통해 탱크의 내부온도를 체크하여 탱 크의 내부온도가 기준온도 이상으로 올라가면 수소 충전소측 제어기(106)에 신호 전달하여 수소 충전소측 제어기(106)로 하여금 수소 충전소(100)의 냉각장치(101)를 작동시키도록 한다.
이때, MH 수소저장탱크(10) 내 열교환기(13)와 수소 충전소(100)의 냉각장치(101) 사이를 냉각수가 배관을 통해 순환하면서 탱크 내부를 냉각하며, MH 분말(11)에 수소가 충전될 때 생성되는 수소화 반응열이 핀-튜브 열교환기(13)를 통해 제거되게 된다.
이와 동시에 차량측 제어기(24)는 MH 수소저장탱크(10)의 출구밸브(17)를 개방하는데, MH 수소저장탱크(10)의 출구밸브(17) 내 유로의 오리피스 단면적은 입구밸브(12) 내 유로의 오리피스 단면적보다 작게 형성되어 있다.
만약, 탱크의 입구와 출구에서 양측의 오리피스 단면적이 같다면 탱크의 내부압력이 낮아져 수소 충전효율이 떨어지게 된다.
따라서, 수소는 흐르지만 일정 압력이 걸릴 수 있는 구조를 형성하기 위해서 출구밸브(17)의 오리피스 단면적이 입구밸브(12)의 오리피스 단면적보다 작게 형성되며, 차압이 MH 분말(11)의 평형압 이상이 되도록 한다.
결국, MH 수소저장탱크(10)의 입구밸브(12)로 공급된 수소는 수소유로관(12a)을 통과하면서 MH 분말(11)에 저장되고 남은 일부가 출구밸브(17)를 통해 수소회수배관(19,104)으로 배출되어 수소 충전소(100)로 회수되며, 이때 출구밸브(17)를 통해 나가는 수소의 회수량은 수소회수배관(104)에 설치된 유량측정계(105)를 통해 측정되어 수소 충전소측 제어기(106)에 입력된다.
그리고, 수소 충전 동안, 수소회수배관(19,104)을 통해 회수된 수소는 수소 충전소(100)의 버퍼 용기(130)에 일단 저장되고, 버퍼 용기(130)에 저장된 수소는 다시 압축기(140)를 통해 고압수소저장용기(110)로 저장되며, 고압수소저장용기(110)에서 다시 차량측 MH 수소저장탱크(10)로 공급되는바, 수소가 MH 수소저장탱크(10)와의 사이에서 반복 순환하게 된다.
본 발명에서는 수소의 순환을 통해 신선한 수소가 MH 수소저장탱크(10)에 공급되고, 핀-튜브 열교환기(13)의 효율을 높여준다.
또한 MH 수소저장탱크(10)에 충전된 수소 유량은 수소 충전소측 제어기(106)에서 수소공급배관(18)의 유량측정계(21)와 수소회수배관(104)의 유량측정계(105)의 측정값 차이로 계산되는데, 상기 수소 충전소측 제어기(106)는 계산된 수소 충전량이 목표 충전량에 도달하면 디스펜서 제어기(121)와 차량측 제어기(24)로 신호 전달하여 디스펜서 제어기(121)로 하여금 디스펜서(120)를 오프시키도록 하고, 차량측 제어기(24)로 하여금 MH 수소저장탱크(10)의 출구밸브(17)와 입구밸브(12)를 닫도록 한다.
그리고, 수소공급배관(18)의 유량측정계(21)를 통해 수소가 흐르지 않게 되면 충전이 종료된 것으로 판단하고 충전을 중단하게 된다.
이와 같이 하여, 종래기술의 경우 수소 온도가 올라가 열교환 성능이 떨어지면서 충전압력과 MH 분말(11) 평형압력이 같아지게 되고 결국 충전압력과 MH 분말(11)의 평형압력이 같아지면 압력차가 발생하지 않아 충전이 중단되지만, 본 발명에서는 MH 분말(11)에 저장되고 남은 일부 수소를 순환시킴으로써 수소 온도를 떨어뜨리고 열교환기(13) 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 상대적으로 급속 충전이 가능해진다.
본 발명에서 탱크 후단 출구밸브(17)의 오리피스 단면적이 입구밸브(12)의 오리피스 단면적에 비해 작기 때문에, 수소공급배관(18)의 유량측정계(21)와 수소회수배관(104)의 유량측정계(105)의 유량 차이를 충전 목표 유량으로 설정한다면, 수소가 일부 순환되더라도 충전되는 수소의 양은 같으므로 충전 시간에 영향을 주지 않는다.
또한 위와 같은 이유로 수소가 순환되어 열교환기 효율을 향상시키므로 결과적으로 충전시간을 단축시켜 급속 충전이 가능해지게 된다.
도 1은 일반적인 MH계 수소저장시스템의 모식도,
도 2는 종래의 MH계 수소저장시스템에 수소 충전이 이루어지는 상태를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에서 주요 구성부의 연결관계를 나타낸 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소저장탱크 12 : 입구밸브
13 : 열교환기 17 : 출구밸브
21 : 유량측정계 22 : 온도센서
23 : 압력센서 100 : 수소 충전소
105 : 유량측정계 120 : 디스펜서
Claims (4)
- 수소 저장을 위한 금속수소화물(MH) 분말이 넣어진 수소저장탱크를 포함하여 구성되고, 상기 수소저장탱크가 수소 충전소의 디스펜서로부터 연료전지의 연료가 되는 수소를 공급받게 되면, 상기 금속수소화물에 수소가 저장되면서 수소저장탱크 내 수소 충전이 이루어지도록 된 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템에 있어서,상기 수소저장탱크의 후단에 출구밸브가 설치되고,상기 출구밸브에는 수소 충전소측 수소회수배관에 연결 가능하게 구비된 수소회수배관이 연결 설치되며,상기 수소저장탱크의 내부에 설치되어 수소가 통과되면서 수소저장탱크의 내부공간으로 수소가 주입되는 수소유로관이 상기 수소저장탱크의 입구밸브와 출구밸브 사이에 설치되어,수소 충전시에 수소 충전소에서 공급되어 수소공급배관 및 상기 입구밸브를 통해 상기 수소유로관으로 공급된 수소 중 탱크 내 금속수소화물에 저장되고 남은 수소가 상기 출구밸브를 통해 배출되어 상기 수소회수배관을 통해 수소 충전소로 회수됨으로써 상기 수소저장탱크와 수소 충전소 간에 수소가 순환될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 수소저장탱크에 탱크 내부온도를 검출하는 온도센서가 설치되고, 상기 차량측 제어기가 상기 온도센서의 검출신호를 토대로 탱크 내부온도가 기준온도 이상으로 올라가면 상기 출구밸브를 개방하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 수소 충전소에서 수소저장탱크로 수소가 공급되는 수소공급배관과, 상기 수소저장탱크에서 수소 충전소로 수소가 회수되는 수소회수배관에 각각 유량측정계가 설치되고,차량 수소 충전시 상호 통신 가능하도록 연결되는 수소 충전소측 제어기와 차량측 제어기의 협조 제어하에, 상기 두 유량측정계의 측정값 차이가 목표 수소 충전량에 도달되면, 상기 입구밸브와 출구밸브가 폐작동 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 출구밸브 내 유로의 오리피스 단면적이 상기 입구밸브 내 유로의 오리피스 단면적보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템.
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