KR20090113431A - 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 수소탱크를 갖는 수소 공급 장치에 있어서, 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크에는 솔레노이드 밸브를 장착하여, 주행시 솔레노이드 밸브 제어를 통해 수소 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 상기 복수개의 수소탱크중 연료전지 스택쪽에 가까운 수소탱크 입구부에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크 입구부에는 솔레노이드 밸브만을 장착한 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치 및; 제1~n개의 수소탱크를 연결시키는 고압라인에 고압수소를 제공하여 제1~n개의 수소탱크내에 수소가 충전되는 수소 충전 단계와, 차량 주행시 제1~n개의 수소탱크중 연료전지 스택쪽에 가까운 제1수소탱크의 수소만이 연료전지 스택으로 공급되는 수소 공급 단계와, 차량 주정차시 상기 제1수소탱크와 연결된 제2~n 수소탱크로부터 제1수소탱크로 수소가 주입되는 수소 전달 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법을 제공한다.

연료전지, 수소탱크, 인탱크 레귤레이터, 솔레노이드 밸브, 수소 공급

Description

연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법{Device and method for providing hydrogen of hydrogen tank}

본 발명은 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 멀티 수소탱크를 갖는 수소 공급 장치에 있어서, 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크에는 솔레노이드 밸브를 장착하여, 주행시 솔레노이드 밸브 제어를 통해 수소 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 연료공급시스템, 즉 수소 공급시스템의 수소탱크에는 350bar 정도의 고압 압축수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축수소는 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브의 온/오프(on/off)에 따라 고압라인으로 방출된 후, 외장형 레귤레이터에서 350bar → 10bar로 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.

연료전지 시스템의 수소탱크에 대한 수소저장 방법은 고압 압축(350bar, 700bar압축)방식을 채택하고 있는 바, 외장형 레귤레이터의 사용으로 인하여 각각의 솔레노이드 밸브에 연결된 고압라인에 주행 중 350bar 또는 700bar의 압력이 상시 인가되며, 이로 인해 압력이 상시 걸리게 되는 부분의 피팅, 밸브, 튜브에 내구에 영향을 미치게 된다.

이러한 점을 감안하여, 외장형 레귤레이터 대신에 인탱크 레귤레이터를 적용하면, 고압 라인의 삭제를 통한 시스템 운용시 안전성을 제공할 수 있고, 시스템 간소화 및 원가절감 효과 등의 이점을 제공할 수 있다.

그러나, 인탱크 레귤레이터는 싱글 탱크 시스템에서 효과적이며, 멀티 탱크 시스템에서는 각각의 탱크에 인탱크 레귤레이터를 적용함에 따라 원가가 증가되는 단점이 있다.

이에, 대형의 싱글 탱크 시스템을 적용하기도 하지만, 이 대형의 싱글 탱크 시스템을 탑재하기 위해서는 차량의 차체 및 샤시에 별도의 탑재공간을 최적으로 설계해야 하고, 또한 싱글 탱크는 그 부피가 크기 때문에 주변 부품과 패키징 시키는데 어려움이 있다.

따라서, 싱글 탱크에 비하여 그 부피가 작은 탱크를 여러개 탑재하는 멀티 탱크 방식이 차체 및 샤시 설계에 자유도를 제공할 수 있고, 주변 부품과의 패키징에 유리하므로, 원가 절감을 실현할 수 있다면 멀티 탱크 방식을 채택하는 것이 바 람직하다

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소 탱크를 1개 이상 적용하는 멀티 수소탱크 시스템에 있어서, 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크에는 솔레노이드 밸브를 장착하여, 원가 절감을 실현할 수 있고, 주행시 솔레노이드 밸브 제어를 통해 연료전지 스택으로 수소 공급이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 복수개의 수소탱크를 포함하는 연료전지용 수소 공급 장치에 있어서, 상기 복수개의 수소탱크중 연료전지 스택쪽에 가까운 수소탱크 입구부에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크 입구부에는 솔레노이드 밸브만을 장착한 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 제1~n개의 수소탱크를 연결시키는 고압라인에 고압수소를 제공하여, 제1~n개의 수소탱크내에 수소가 충전되는 수소 충전 단계와; 차량 주행시, 제1~n개의 수소탱크중 연료전지 스택쪽에 가까운 제1 수소탱크의 수소만이 연료전지 스택으로 공급되는 수소 공급 단계와; 차량 주정차시, 상기 제1수소탱크와 연결된 제2~n 수소탱크로부터 제1수소탱크로 수소가 주입되는 수소 전달 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법을 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 수소 충전 단계는: 상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브와, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브가 고압수소의 압력에 의하여 모두 열리게 되어, 각 수소탱크내에 고압수소가 충진되는 것으로 진행됨을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 수소 공급 단계는: 상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브를 열림으로 제어하고, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브는 닫힘으로 제어하여, 제1수소탱크내에 수소만이 연료전지 스택으로 공급되는 것으로 진행됨을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 수소 전달 단계는: 상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브를 닫힘으로 제어하고, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브는 열림으로 제어하여, 상기 제2~n개의 수소탱크내의 고압수소가 상기 제1수소탱크내에 전달되며 충진되는 것으로 진행됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1~n개의 수소탱크내 수소압력이 저압으로 떨어진 경우, 상기 제1수소탱크의 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브와 상기 제2~n개의 수소탱크의 솔레노이드 밸브를 모두 열림으로 제어하여, 각 수소탱크내의 수소잔량을 사용할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

수소 탱크를 1개 이상 적용하는 멀티 수소탱크 시스템에 있어서, 연료전지 스택에 가까운 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크에는 솔레노이드 밸브만을 장착하여, 주행시 각 수소탱크의 솔레노이드 밸브의 온/오프 제어를 통해 연료전지 스택으로 수소 공급이 안정적으로 이루어질 수 있다.

특히, 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 적용하므로, 원가절감을 크게 얻어낼 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 복수개의 수소탱크 즉, 제1~n개의 수소 탱크를 포함하는 멀티 수소탱크 시스템에 있어서, 연료전지 스택에 가까운 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크에는 솔레노이드 밸브만을 장착시킨 점에 그 구성상 주안점이 있으며, 이에 종래의 멀티 수소탱크 시스템에서는 각 수소탱크마 다 인탱크 레귤레이터를 적용함에 따라 비용이 많이 소요되었지만, 본 발명은 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 적용하므로 원가절감을 크게 얻어낼 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 복수개의 수소탱크 즉, 제1~n개의 수소탱크를 2개의 수소탱크로 한정하여 설명하기로 하며, 연료전지 스택에 가까운 수소탱크를 제1수소탱크로 칭하고, 제1수소탱크와 고안라인으로 연결되는 수소탱크를 제2수소탱크로 칭하기로 한다.

이에, 첨부한 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(20)에 가까운 제1수소탱크(10)의 입구부에 제1솔레노이드 밸브(12)를 갖는 인탱크 레귤레이터(14)가 장착되고, 제2수소탱크(16)의 입구부에는 제2솔레노이드 밸브(18)만이 장착된다.

이때, 상기 제1수소탱크(10)와 제2수소탱크(16)의 입구부는 서로 고압라인(22)으로 연결되며, 구체적으로는 상기 인탱크 레귤레이터(14)와 상기 제2솔레노이드 밸브(18)가 서로 고압라인(22)으로 연결된다.

물론, 상기 인탱크 레귤레이터(14)의 출구측은 또 다른 저압 레귤레이터(24)를 통해 연료전지 스택(20)의 연료극쪽과 연결된다.

이렇게 복수개의 수소탱크중 연료전지 스택에 가까운 하나의 수소탱크에만 인탱크 레귤레이터를 장착함에 따라, 수소 공급을 위한 제어 방법을 새로운 방식으로 적용해야 한다.

이에, 본 발명에 따르면, 수소 충전시, 차량 주행시, 차량 주정차시마다 제1 수소탱크(10)의 인탱크 레귤레이터(14)에 내장된 제1솔레노이드 밸브(12)와, 제2수소탱크(16)에 장착된 제2솔레노이드 밸브(18)에 대한 온/오프 제어를 통해, 연료전지 스택(20)에 대한 수소 공급을 안정적으로 수행할 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치의 제어 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

수소 충전 단계

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 수소 충전 단계가 이루어지는 상태를 설명하는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2수소탱크(10,16) 입구부, 즉 상기 제1수소탱크(10)의 인탱크 레귤레이터(14)와 상기 제2수소탱크(16)의 제2솔레노이드 밸브(18)간에 연결된 고압라인(22)에 별도의 충전라인(26)을 연결시킨다.

이에, 수소충전소의 수소저장탱크(미도시됨)로부터의 고압수소가 상기 충전라인(26) 및 고압라인(22)으로 공급되면, 이때의 고압수소가 갖는 압력에 의하여 상기 인탱크 레귤레이터(14)에 내장된 제1솔레노이드 밸브(12)가 자동으로 열리게 되어 제1수소탱크(10)내에 고압수소가 충전되고, 이와 동시에 제2수소탱크(16)의 제2솔레노이드 밸브(18)도 고압수소의 압력에 의하여 자동으로 열리게 되어 제2수소탱크(16)내에 고압수소가 충전되어진다.

좀 더 상세하게는, 상기 제1 및 제2솔레노이드 밸브(12,18)는 전원의 인가없이 압력차, 즉 고압수소의 압력에 의하여 자동으로 열리게 되어, 제1 및 제2수소탱크(10,16)에 대한 고압수소의 충전이 이루어진다.

수소 공급 단계

수소 공급 단계는 차량의 주행시 연료전지 스택으로 수소가 공급되는 단계를 말한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 수소 공급 단계가 이루어지는 상태를 설명하는 개략도이다.

상기와 같이, 제1 및 제2수소탱크(10,16)에 고압수소가 충진된 상태에서 차량의 주행이 이루어지면, 상기 인탱크 레귤레이터(14)에 내장된 제1솔레노이드 밸브(12)는 열림으로 제어되고, 동시에 상기 제2수소탱크(16)의 제2솔레노이드 밸브(18)는 닫힘으로 제어된다.

따라서, 상기 제1수소탱크(10)내의 고압수소만이 배출되는 동시에 인탱크 레귤레이터(14)에 의하여 저압(약 10bar)으로 조절된 후, 연료전지 스택(20)의 연료극쪽으로 공급된다.

수소 전달 단계

수소 전달 단계는 차량 주정차시, 제2수소탱크내의 고압수소가 제1수소탱크로 전달되며 충전되는 단계를 말한다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 수소 전달 단계가 이루어지는 상태를 설명하는 개략도이다.

상기와 같이, 차량의 주행시 제1수소탱크(10)내의 수소만이 연료전지 스택(20)으로 공급되므로, 그 양이 줄어들 수 밖에 없고, 이에 차량의 주정차시 제2수소탱크(16)내의 수소를 제1수소탱크(10)로 재충전시키게 된다.

즉, 상기 제1수소탱크(10) 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터(14)의 제1솔레노이드 밸브(12)를 닫힘으로 제어하고, 상기 제2수소탱크(16) 입구부에 장착된 제2솔레노이드 밸브(18)를 열림으로 제어하여, 제2수소탱크(16)내의 고압수소가 고압라인(22)을 따라 상기 제1수소탱크(10)내에 전달되어 충전되며, 이때의 충전은 제1 및 제2수소탱크(10,16)내의 수소압력이 동압이 될 때까지 진행된다.

이와 같이, 수소 충전 단계와, 수소 공급 단계와, 수소 전달 단계가 반복적으로 진행되다 보면, 제1 및 제2수소탱크의 수소압력이 저압 즉, 최저사용압력으로 떨어지게 된다.

이렇게 상기 제1 및 제2수소탱크(10,16)내의 수소압력이 최저사용압력(약 10bar)으로 떨어지게 되면, 상기 제1수소탱크(10)의 인탱크 레귤레이터(14)의 제1솔레노이드 밸브(12)와, 상기 제2수소탱크(16)의 제2솔레노이드 밸브(18)를 모두 열림으로 제어하여, 제1 및 제2수소탱크(10,16)내의 수소잔량을 모두 배출시켜 사용할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 수소 공급 장치로서, 수소 충전 상태를 설명하는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 수소 공급 단계를 설명하는 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 수소 전달 단계를 설명하는 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 수소 공급 장치로서, 각 수소탱크의 수소압력이 저압으로 떨어진 경우, 수소 잔량을 사용하는 것을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제1수소탱크 12 : 제1솔레노이드 밸브

14 : 인탱크 레귤레이터 16 : 제2수소탱크

18 : 제2솔레노이드 밸브 20 : 연료전지 스택

22 : 고압라인 24 : 저압 레귤레이터

26 : 충전라인

Claims (6)

1. 복수개의 수소탱크를 포함하는 연료전지용 수소 공급 장치에 있어서,

   상기 복수개의 수소탱크중 제1수소탱크의 입구부에만 인탱크 레귤레이터를 장착하고, 나머지 수소탱크 입구부에는 솔레노이드 밸브만을 장착한 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치.
2. 복수개의 수소탱크를 포함하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법에 있어서,

   제1~n개의 수소탱크를 연결시키는 고압라인에 고압수소를 제공하여, 제1~n개의 수소탱크내에 수소가 충전되는 수소 충전 단계와;

   차량 주행시, 제1~n개의 수소탱크중 연료전지 스택쪽에 가까운 제1수소탱크의 수소만이 연료전지 스택으로 공급되는 수소 공급 단계와;

   차량 주정차시, 상기 제1수소탱크와 연결된 제2~n 수소탱크로부터 제1수소탱크로 수소가 주입되는 수소 전달 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 수소 충전 단계는:

   상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브와, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브가 고압수소의 압력에 의하여 열리게 되어, 각 수소탱크내에 고압수소가 충진되는 것으로 진행됨을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 수소 공급 단계는:

   상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브를 열림으로 제어하고, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브는 닫힘으로 제어하여, 상기 제1수소탱크내에 수소만이 연료전지 스택으로 공급되는 것으로 진행됨을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법.
5. 청구항 2에 있어서, 상기 수소 전달 단계는:

   상기 제1수소탱크 입구부에 장착된 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브를 닫힘으로 제어하고, 상기 제2~n개의 수소탱크 입구부에 장착된 솔레노이드 밸브는 열림으로 제어하여, 상기 제2~n개의 수소탱크내의 고압수소가 상기 제1수소탱크내에 전달되며 충진되는 것으로 진행됨을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법.
6. 청구항 2 내지 청구항 5중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 제1~n개의 수소탱크내 수소압력이 최저사용압력으로 떨어진 경우, 상기 제1수소탱크의 인탱크 레귤레이터의 솔레노이드 밸브와 상기 제2~n개의 수소탱크의 솔레노이드 밸브를 모두 열림으로 제어하여, 각 수소탱크내의 수소잔량을 사용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 공급 장치의 제어 방법.

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