KR20130067688A - 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력 장치 - Google Patents

고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차의 보조동력장치로서, 연료(도시가스)를 주입받아 개질기에서 수소를 생산하여 스택에서 공기와의 이온교환으로 전기를 생산하여 자동차 공조장치의 컴프레서 보조전원으로 공급하도록 연료전지를 설치하고, 자동차의 엔진 폐열을 이용하여 개질기의 기동 예열을 하고, 연료전지에서 발생되는 응축수는 엔진 냉각에, 연료전지의 냉각수를 난방에 이용하도록 구성함으로써 엔진 부담을 줄이고, 냉난방 효율을 향상시키도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력 장치{Sub power apparatus for car using a PEM FC}
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(PEM FC)를 이용한 자동차 보조동력장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템을 자동차의 보조동력장치로 설치하여 냉난방 장치 구동을 위한 동력으로 사용하되, 엔진의 폐열을 이용하여 연료전지의 개질 장치를 작동시켜 엔진의 온도는 낮추면서 연료전지의 개질 장치를 작동시키는 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조 동력장치에 관한 것이다.
기존 내연기관 자동차의 냉방 성능은 엔진동력에 의해 컴프레서를 회전시키므로 엔진회전수의 영향을 받는다. 또한 기존 내연기관 자동차의 난방성능은 방열부하가 주행 시에 비해 정차 시에는 엔진회전수가 낮아져 배열 량이 저하되므로 정차시의 난방성능이 주행 시에 비해 저하된다.
이에 반해 전기자동차에 사용되는 공기조화 장치의 경우 전동 컴프레서의 회전수를 엔진 회전수와 특히 정차 시에는 전동 컴프레서의 진동과 소음을 억제할 목적으로 전동 컴프레서의 회전수를 제한하여 내연기관 자동차와 같은 냉방성능을 갖도록 설계한다.
하지만, 난방의 경우 고전압 전원으로 온수히터 액체를 가열하는 전기 온수히터를 채용하여 전기 에너지를 다시 열에너지로 변환하는 방식을 사용하기에 효율이 떨어진다.
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지를 보조동력장치로 설치하여 전기자동차 공기조화 시스템의 에너지효율이 떨어지는 난방방식과 기존 내연기관 자동차 공기조화 시스템의 냉방방식의 단점을 보완할 수 있도록 한 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 연료전지의 개질 장치를 작동하기 위해서는 처음에 어느 정도의 온도 상승이 필요한데 엔진의 폐열을 이용하여 개질장치를 작동시킴으로써 엔진의 온도는 낮추면서 개질 장치는 작동시킬 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 냉각수를 순환하는 방식의 엔진냉각장치를 채용한 자동차에서는 고분자 전해질막 연료전지(PEM FC)를 사용하는 경우는 부산물인 물을 엔진 주위로 흐르게 하는 방식으로 기화열을 이용해 엔진의 온도를 낮출 수 있다.
본 발명은, 자동차의 보조동력장치로서, 연료(도시가스)를 주입받아 개질기에서 수소를 생산하여 스택에서 공기와의 이온교환으로 전기를 생산하는 연료전지를 설치하고, 자동차의 엔진 폐열을 이용하여 상기 개질기에 공급하는 순수(pure water ; 이온교환수지 처리를 한 물)를 예열시켜 개질기에 공급하는 예열교환기를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 예열교환기는, 엔진냉각장치에서 공급된 엔진 냉각수가 엔진을 통과하여 가열된 엔진 냉각수를 공급받아 열교환방식으로 순수를 가열한 후 상기 엔진냉각장치로 회수되도록 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 예열교환기는, 엔진의 배기가스에 의해 물을 가열하여 폐열을 회수하는 폐열회수장치를 더 포함하고, 상기 폐열 회수장치에 의해 가열되는 물과 개질기에 공급하기 위한 순수를 열교환하도록 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 순수의 온도에 의거하여 상기 예열교환기로 공급되는 엔진 폐열에 따른 열교환수의 경로 제어하여 예열교환기를 제어하는 예열제어기를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 스택에서 출력되는 전기를 충전시켜 공조장치와 차량의 전기장치의 구동 전원으로 공급하는 충전장치 및 충전을 위한 슈퍼캡을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 연료전지에서 발생되는 응축수를 상기 엔진냉각장치의 엔진 냉각수로 공급하는 응축수 회수장치를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 연료전지의 개질기와, 스택의 냉각을 위해 사용되는 열교환된 냉각수를 공조장치의 난방용 히트코어를 경유하여 순환시키도록 함으로써 연료전지에서 발생된 열을 난방용으로 사용하도록 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지를 자동차의 보조동력장치로서 제공함으로서, 산화탄소 배출량이 적은 환경 친화적인 보조동력장치를 제공할 수 있고, 전기 컴프레서를 이용한 공조장치의 냉방에 사용되는 전기를 공급하고, 폐열을 난방용으로 사용함으로써 엔진 동력의 손실을 줄임과 동시에 연료 효율을 증가시킬 수 있으며, 연료전지의 초기 기동을 위한 예열을 엔진의 폐열을 이용하도록 함으로써 에너지 절감효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 다른 실시예를 보인 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력장치 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 보조동력장치의 상세 구성도.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 자동차의 보조동력장치로서, 연료(도시가스)를 주입받아 개질기(110)에서 수소를 생산하여 스택(120)에서 공기와의 이온교환으로 전기를 생산하는 연료전지(100)를 설치하고, 자동차의 엔진 폐열을 이용하여 개질기(110) 초기 기동시 순수를 예열시켜 개질기(110)에 공급하는 예열교환기(230)를 더 포함하여 구성된다.
상기 예열교환기(230)는, 엔진 냉각장치(20)에서 공급되어 엔진(10) 냉각수라인을 통과하면서 열교환되어 가열된 엔진 냉각수를 공급받아 열교환방식으로 순수를 가열한 후 상기 엔진냉각장치(20)로 회수되도록 구성됨을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 의한 다른 실시 예를 보인 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차 보조동력장치 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이,
상기 예열교환기(230)는, 엔진의 배기가스에 의해 물을 가열하여 폐열을 회수하는 폐열회수장치(240)를 설치하고, 상기 폐열 회수장치(240)에 의해 가열되는 물과 개질기(110)에 공급하기 위한 순수를 열교환하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기 보조동력장치로서 설치된 연료전지(100)의 스택(120)으로부터 발생되는 전기의 충전제어를 하는 충전장치(210)와, 충전장치(210)의 제어에 의해 연료전지(100)에서 생산된 전기를 충전시키는 슈퍼캡(220)으로 구성되어 상기 충전장치(210)에 의해 제어되는 전원을 공조장치(30)의 보조 구동전원으로 공급하도록 구성됨을 특징으로 한다. 여기서 주 전원은 자동차 밧데리 전원으로서 상기 연료전지(100)에서 생산된 전원을 밧데리에도 병렬 연결하여 밧데리 충전도 겸할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 보조동력장치의 상세 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이,
개질기(110)에는 탈황 촉매부, 개질 촉매부, 시프트 촉매부 및 CO 선택 상화 촉매부와, 버너부 등이 구비되어 구성되며, 상기 개질기(110) 내부에는 순수가 채워져 초기 기동시 적정온도로 예열시켜야 한다. 이에 따라 본 발명에서는 개질기(110)의 초기 기동을 위하여 개질기(110) 내부에 채워지는 순수를 예열교환기(230)를 통해 예열시켜 개질기 기동 온도로 예열하도록 한 것이다.
예열교환기(230)는 자동차의 엔진 폐열을 이용하여 순수를 가열하도록 구성하되, 예열교환기(230)로 엔진(10)을 통과한 엔진 냉각수 라인을 통과시켜 엔진(10)으로부터 가열된 엔진 냉각수와 개질기(110)의 순수를 열교환시켜 초기 기동을 위한 예열구동을 할 수 있도록 구성한 것이다.
또 다른 방법으로는, 엔진 배기가스를 통과시키면서 열교환하는 폐열회수장치(예; 열교환기)(240)를 더 설치하고, 상기 폐열회수장치(240)에서 열교환된 물을 상기 예열교환기(230)를 통과하면서 순수와 다시 열교환되게 구성함으로써 개질기(110)의 기동 예열을 시킬 수 있게 된다.
한편, 개질기(110)의 물을 적정온도로 유지시키도록 상기 예열교환기(230)를 제어하는 예열 제어기(250)를 더포함하여 구성한다. 이는 개질기(110)의 초기 기동시 예열시키고, 일정한 온도를 유지할 수 있도록 예열교환기(230)를 제어하는 것이다.
또한, 상기 개질기(110)에서 배출되는 공기를 냉각수에 의해 열교환하여 배기시키는 제1열교환기(140)가 설치되며, 상기 개질기(110)에는 버너부가 설치되며, 버너부에는 연료와 공기가 공급되고, 스택(120)으로부터 회수되는 오프가스(수소)를 태워서 배기시키도록 구성된다. 이때 버너부의 배기가스를 배기시킬 때 냉각수에 의해 열교환하여 배기시키는 배기부(130)가 포함되며, 상기 스택(120)으로부터 전기를 생산하고 회수되는 오프가스(수소)를 공기와 열교환하고, 다시 냉각수에 의해 열교환하여 상기 개질기(110)내의 버너부로 공급하는 제2열교환기(150)와, 상기 스택(120)을 냉각시키는 스택 냉각수를 냉각수에 의해 열교환하는 제3열교환기(160) 및 상기 제2열교환기(150)를 통과한 공기를 가습하여 상기 스택(120)으로 공급하는 가습기(170)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 연료전지(100)에는 다수의 열교환기가 설치되며 각 열교환기에서는 응축수가 발생 되며, 일정한 용량 이상의 응축수는 외부로 배출하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 연료전지에서 발생되는 응축수를 상기 엔진냉각장치(20)의 엔진 냉각수로 공급하는 응축수 회수장치(260)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 그러므로, 연료전지(100)에서 발생된 응축수를 냉각수로 재활용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은, 상기 제1-제3열교환기(140, 150, 160) 및 배기부(130)의 열교환에 사용되는 냉각수는 공조장치(30)의 난방용 히트코어(270)를 경유하여 순환시키도록 구성하여 연료전지에서 발생된 열을 난방용으로 사용하도록 구성됨을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 연료전지에서 발생된 전기를 공조장치의 컴프레서 구동전원으로 공급하고, 엔진 폐열을 이용하여 연료전지의 개질기 기동 예열을 하고, 연료전지에서 발생되는 응축수는 엔진냉각수로 사용하며, 연료전지를 냉각시키는데 사용되는 냉각수는 난방용으로 사용할 수 있게 된다.
10 : 엔진 20 : 엔진냉각장치
30 : 공조장치 100 : 연료전지
110 : 개질기 120 : 스택
130 : 배기부 140 : 제1열교환기
150 : 제2열교환기 160 : 제3열교환기
170 : 가습기 210 : 충전장치
220 : 슈퍼캡 230 : 예열교환기
240 : 폐열회수장치 250 : 예열제어기
260 : 응축수 회수장치 270 : 난방용 히트코어

Claims (7)

  1. 자동차의 보조동력장치로서,
    연료를 주입받아 개질기(110)에서 수소를 생산하여 스택(120)에서 공기와의 이온교환으로 전기를 생산하여 자동차의 보조전원으로 공급하는 연료전지(100)를 설치하고,
    자동차의 엔진 폐열을 이용하여 개질기(110) 초기 기동시 순수를 예열시켜 개질기(110)에 공급하는 예열교환기(230)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 예열교환기(230)는,
    엔진 냉각장치(20)에서 공급되어 엔진(10) 냉각수라인을 통과하면서 열교환되어 가열된 엔진 냉각수를 공급받아 열교환방식으로 순수를 가열한 후 상기 엔진냉각장치(20)로 회수되도록 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 예열교환기(230)는,
    엔진의 배기가스에 의해 물을 가열하여 폐열을 회수하는 폐열회수장치(240)를 더 설치하고, 상기 폐열 회수장치(240)에 의해 가열되는 물과 개질기(110)에 공급하기 위한 순수를 열교환하도록 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지(100)의 스택(120)으로부터 발생되는 전기의 충전제어를 하는 충전장치(210)와, 충전장치(210)의 제어에 의해 연료전지(100)에서 생산된 전기를 충전시키는 슈퍼캡(220)으로 구성되어 상기 충전장치(210)에 의해 제어되는 전원을 공조장치(30)의 보조 구동전원으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개질기(110)의 물을 적정온도로 유지시키도록 상기 예열교환기(230)를 제어하는 예열제어기(250)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질기(110)의 공기를 열교환하여 배기하는 제1열교환기(140)와, 상기 연료전지(100)의 스택(120)으로부터 출력되는 오프가스를 입력받아 공냉식 및 수냉식 열교환을 통해 개질기(110)로 공급하는 제2열교환기(150)와, 상기 스택(120)의 배기공기를 열교환하는 제3열교환기(160)에서 발생되는 응축수를 상기 엔진냉각장치(20)의 엔진 냉각수로 공급하는 응축수 회수장치(260)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1-제3열교환기(140, 150, 160) 및 상기 개질부(110)의 버너부 배기가스를 열교환하여 배기하는 배기부(130)의 열교환에 사용되는 냉각수를, 공조장치(30)의 난방용 히트코어를 경유하여 순환시키도록 구성하여 연료전지에서 발생된 열을 난방용으로 사용하도록 구성된 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 자동차의 보조동력장치.
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