KR20120061653A - 연료 전지용 수소 공급 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치는, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 미반응 수소와 수소 공급유닛으로부터 공급되는 공급 수소를 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 것으로서, 상기 수소 공급유닛과 연료 전지 스택을 연결하는 수소 공급라인에 인젝터와 비례 제어밸브가 병렬로 설치되고, 상기 수소 공급라인에서 상기 인젝터와 비례 제어밸브의 후단 측에 이젝터가 설치되되, 상기 이젝터는 재순환 라인을 통해 상기 연료 전지 스택의 수소 배출 측과 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 수소 공급 장치 및 방법 {FUEL SUPPLY DEVICE AND METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지로 수소를 공급하기 위한 연료 전지용 수소 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

이러한 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 직접 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부 도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.

상기에서와 같은 연료 전지 시스템에 있어, 수소를 연료전지 스택으로 공급하는 과정을 구체적으로 설명하면, 도 4에서와 같이 비례 제어밸브(101)를 이용하여 수소 저장탱크(103)에 저장된 수소의 공급 및 공급 유량을 제어한다.

그리고, 연료 전지 스택(105)으로부터 배출되는 미반응 수소와 수소 저장탱크(103)로부터 공급되는 수소를 믹싱하여 연료 전지 스택(105)으로 재순환시키기 위한 수소 블로워(107)와 이젝터(109)가 직렬로 연결되어 있다.

따라서, 종래 기술에서는 비례 제어밸브(101)를 이용하여 전 유량 영역에서 수소의 공급 및 공급 유량을 제어하고 수소 블로워(107)와 이젝터(109)를 이용하여 연료 전지 스택(105)에서 배출되는 미반응 수소를 재순환시킬 수 있다.

특히, 저유량 구간에서는 수소 블로워(107)를 이용하여 수소를 재순환시킴으로 중/고유량 구간에서만 재순환 성능이 발휘되는 이젝터(109)의 단점을 보완할 수 있다.

즉, 저유량 구간에서 재순환 성능이 우수한 수소 블로워(107)와 고유량 구간에서 재순환 성능이 우수한 이젝터(109)를 사용함으로서 전 유량 구간에서의 수소 재순환 능력을 확보할 수 있다.

그리고, 상기 수소 블로워(107)와 이젝터(109)를 직렬로 연결함으로써 수소 공급 시스템의 효율을 증가시키고 부피와 질량을 감소시킬 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 상기와 같은 수소 블로워(107)를 사용함에 따라 소음이 발생하게 되고, 내구성이 떨어지게 되며, 전체 시스템의 부피가 증가하게 되고, 기생 전력이 증가하게 되며, 저유량 구간에서 비례 제어밸브를 통해 수소 공급 유량을 제어하기가 어렵다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료 전지 스택에서 배출되는 미반응 수소를 재순환시키기 위한 수소 블로워를 삭제할 수 있도록 한 연료 전지용 수소 공급 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치는, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 미반응 수소와 수소 공급유닛으로부터 공급되는 공급 수소를 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 것으로서, 상기 수소 공급유닛과 연료 전지 스택을 연결하는 수소 공급라인에 인젝터와 비례 제어밸브가 병렬로 설치되고, 상기 수소 공급라인에서 상기 인젝터와 비례 제어밸브의 후단 측에 이젝터가 설치되되, 상기 이젝터는 재순환 라인을 통해 상기 연료 전지 스택의 수소 배출 측과 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 연료 전지용 수소 공급 장치에 있어서, 상기 연료 전지 스택의 수소 배출 측에는 수소 퍼지를 위한 퍼지 밸브가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 방법은, 수소 공급유닛과 연료 전지 스택을 연결하는 수소 공급라인에 인젝터와 비례 제어밸브가 병렬로 설치되고, 상기 인젝터와 비례 제어밸브의 후단에 연료 전지 스택의 수소 배출 측과 연결되는 이젝터가 설치되는 연료 전지용 수소 공급 장치를 이용하는 것으로서, 저유량 구간에서 상기 인젝터를 통해 펄스 형태로서 수소를 이젝터 측으로 공급하고, 중/고유량 구간에서는 상기 비례 제어밸브와 이젝터를 통해 수소를 연료 전지 스택으로 공급한다.

상기 연료 전지용 수소 공급 방법은, 상기 저유량 구간에서 상기 인젝터의 듀티를 변경하여 수소의 공급 유량을 조절할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 인젝터와 비례 제어밸를 복합적으로 이용하여 종래 기술에서와 같은 수소 블로워 없이 전 유량 구간에서 이젝터의 재순환 성능을 확보할 수 있다.

따라서 본 실시예에서는 수소 블로워를 삭제할 수 있으므로, 수소 블로워에 의한 기류 소음 및 전체 장치의 부피를 줄일 수 있으며, 연료 전지 시스템 전체의 내구성이 향상되고, 기생 전력이 감소하게 된다는 효과가 기대된다.

또한, 본 실시예에서는 인젝터가 펄스 형태로서 수소를 공급하게 되므로, 연료 전지 스택 내에서 응축되는 수분을 용이하게 제거할 수 있으며, 이로 인해 스택의 성능을 유지시키면서 수소의 퍼지 주기를 감소시킴으로써 연료 전지 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치의 작용을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 4은 종래 기술에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 차량에 탑재되는 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 연료 전지 시스템은 연료로 사용되는 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하며, 이렇게 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킬 수 있다.

이 경우, 상기 연료 전지 시스템은 단위의 연료 전지들이 연속적으로 배열된 전기 집합체로서의 연료 전지 스택(10)과, 연료 전지 스택(10)으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급유닛(도면에 도시되지 않음)과, 연료 전지 스택(10)으로 수소를 공급하기 위한 본 실시예에 따른 수소 공급 장치(100)를 구성하고 있다.

본 실시예에 의한 상기 수소 공급 장치(100)는 별도 저장된 수소를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 수소 공급유닛(30)과, 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 미반응 수소를 연료 전지 스택(10)으로 재순환시킬 수 있는 수소 재순환유닛(50)을 포함하여 구성된다.

상기에서, 수소 공급유닛(30)은 수소 가스를 저장하고 그 수소 가스를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있는 수소 탱크(31)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 수소 재순환유닛(50)은 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 수소와 수소 공급유닛(30)으로부터 공급되는 공급 수소를 믹싱하여 연료 전지 스택(10)으로 재순환시키기 위한 것이다.

상기에서와 같은 본 실시예에 의한 상기 수소 재순환유닛(50)은 종래 기술에서와 같은 수소 블로워를 삭제할 수 있는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 상기 수소 재순환유닛(50)은 수소 공급유닛(30)과 연료 전지 스택(10)을 연결하는 수소 공급라인(21)에 인젝터(61)와 비례 제어밸브(71)가 병렬로 연결되게 설치될 수 있다.

그리고, 상기 수소 공급라인(21)에는 인젝터(61)와 비례 제어밸브(71)의 후단 측에 이젝터(81)가 설치되며, 그 이젝터(81)는 수소 재순환 라인(23)을 통해 연료 전지 스택(10)의 수소 배출 측과 연결된다.

상기에서, 인젝터(61)는 분사 노즐(도면에 도시되지 않음)을 통해 수소를 분사하는 것으로서, 펄스 형태로 수소를 분사할 수 있으며, 이로 인해 토출 유량을 증가시킬 수 있는 구조로 이루어진다. 상기 비례 제어밸브(71)는 밸브의 개폐를 통해 일정량의 수소를 안정적으로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

상기 이젝터(81)는 전술한 바와 같은 인젝터(61) 또는 비례 제어밸브(71)를 통해 공급되는 수소의 압력을 이용하여 연료 전지 스택(10)으로부터 배출되는 미반응 수소를 흡입함으로서 그 미반응 수소를 스택(10)으로 재공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

상기에서와 같은 인젝터(61), 비례 제어밸브(71), 및 이젝터(81)는 당 업계에서 널리 사용되고 있는 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 연료 전지 스택(10)의 수소 배출 측에는 그 스택(10)으로 공급되는 수소를 방출(퍼지)시키기 위한 퍼지 밸브(91)가 설치될 수 있다.

즉, 상기한 퍼지 밸브(91)는 미반응 수소의 재순환 시, 연료 전지 스택(10)의 연료극에서 발생되는 이물질을 제거하기 위해 스택(10)으로부터 수소를 배출시킬 수 있다.

도면에서 미설명된 참조 부호 35는 수소 탱크(31)에 저장된 수소를 공급 또는 차단하기 위한 수소 공급 밸브를 나타낸다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 장치(100)를 이용한 수소 공급 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 수소 공급 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.

도면을 참조하면, 우선 본 실시예에서는 연료 전지 시스템의 운전 상태에 따라 수소의 공급 유량을 결정하고(S10 단계), 수소 공급 유량이 저유량 구간인지 중/고유량 구간인지를 판단한다(S20 단계).

이 경우, 상기 S20 단계에서 저유량 구간으로 판정되면, 이 구간에서는 도 3a에서와 같이 인젝터(61)를 통해 펄스 형태로서 수소를 이젝터(81) 측으로 공급한다(S30 단계).

그리고, S40 단계에서와 같이 중/고유량 구간에서는 도 3b에서 처럼 비례 제어밸브(71)와 이젝터(81)를 통해 수소를 연료 전지 스택(10)으로 공급한다(S50 단계).

따라서, 본 실시예에서는 저유량 구간의 경우 인젝터(61)를 이용하여 수소를 공급하고, 중/고유량 구간의 경우에는 비례 제어밸브(71)와 이젝터(81)를 이용하여 수소를 공급할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 저유량 구간에서 수소의 재순환 성능이 떨어지는 이젝터(61)의 단점을 보완하기 위해 인젝터(61)의 개폐를 통해 평균 수소 공급 유량은 저유량이나 순간적으로 토출되는 수소의 유량을 증가시킴으로써 저유량 구간에서 인젝터(61)의 재순환 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 본 실시예에서 이젝터(81)의 재순환 성능이 우수한 중/고유량 구간에서는 비례 제어밸브(71)를 이용하여 안정적으로 수소를 공급할 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 인젝터(61)와 비례 제어밸(71)를 복합적으로 이용하여 종래 기술에서와 같은 수소 블로워 없이 전 유량 구간에서 이젝터(81)를 통한 수소 재순환 성능을 확보할 수 있다.

이에, 본 실시예에서는 종래 기술에서와 같은 수소 블로워를 삭제할 수 있으므로, 수소 블로워에 의한 기류 소음 및 전체 장치의 부피를 줄일 수 있으며, 연료 전지 시스템 전체의 내구성이 향상되고, 기생 전력이 감소하게 된다는 효과가 기대된다.

또한, 본 실시예에서는 인젝터(61)가 펄스 형태로서 수소를 공급하게 되므로, 연료 전지 스택(10) 내에서 응축되는 수분을 용이하게 제거할 수 있으며, 이로 인해 스택(10)의 성능을 유지시키면서 수소의 퍼지 주기를 감소시킴으로써 연료 전지 시스템의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 연료 전지 스택 30... 수소 공급유닛
50... 수소 재순환유닛 61... 인젝터
71... 비례 제어밸브 81... 이젝터

Claims (4)

1. 연료 전지 스택으로부터 배출되는 미반응 수소와 수소 공급유닛으로부터 공급되는 공급 수소를 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 연료 전지용 수소 공급 장치에 있어서,
   상기 수소 공급유닛과 연료 전지 스택을 연결하는 수소 공급라인에 인젝터와 비례 제어밸브가 병렬로 설치되고,
   상기 수소 공급라인에서 상기 인젝터와 비례 제어밸브의 후단 측에 이젝터가 설치되되,
   상기 이젝터는 재순환 라인을 통해 상기 연료 전지 스택의 수소 배출 측과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수소 공급 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 연료 전지 스택의 수소 배출 측에는 수소 퍼지를 위한 퍼지 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수소 공급 장치.
3. 수소 공급유닛과 연료 전지 스택을 연결하는 수소 공급라인에 인젝터와 비례 제어밸브가 병렬로 설치되고, 상기 인젝터와 비례 제어밸브의 후단에 연료 전지 스택의 수소 배출 측과 연결되는 이젝터가 설치되는 연료 전지용 수소 공급 장치를 이용한 수소 공급 방법으로서,
   저유량 구간에서 상기 인젝터를 통해 펄스 형태로서 수소를 이젝터 측으로 공급하고,
   중/고유량 구간에서는 상기 비례 제어밸브와 이젝터를 통해 수소를 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 전지용 수소 공급 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 저유량 구간에서 상기 인젝터의 듀티를 변경하여 수소의 공급 유량을 조절하는 연료 전지용 수소 공급 방법.

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