KR20150067485A - 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법 - Google Patents

배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리의 자가 방전 반응 부산물인 수소를 수소 연료 전지에 자동으로 공급하여 수소 발생에 따른 배터리 용량 손실을 최소화하고, 또한 수소 연료 전지의 생성물인 물(H2O)을 금속 공기 배터리에 공급하여 보충하도록 함으로써 금속 공기 배터리가 가지는 물 증발(Water transpiration) 현상을 보완할 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것이다.

Description

배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법{Battery/fuel cell hybrid system and its operating method}
본 발명은 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리의 자가 방전 반응 부산물인 수소를 수소 연료 전지에 자동으로 공급하여 수소 발생에 따른 배터리 용량 손실을 최소화하고, 또한 수소 연료 전지의 생성물인 물(H2O)을 금속 공기 배터리에 공급하여 보충하도록 함으로써 금속 공기 배터리가 가지는 물 증발(Water transpiration) 현상을 해결할 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 금속 공기 배터리는 금속 음극과 산소 양극으로 구성되며 산소는 공기로부터 얻어지게 된다. 이때, 금속 공기 배터리에서 금속은 수용액상의 전해질에서 열역학적으로 불안정하기 때문에 전해질과 반응하게 되는데, 이때 금속이 부식되거나 산화되면서 수소가 발생하게 된다.
전해질에 의한 음극 부식(Anode corrosion) 또는 자가 방전 반응은 음극의 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency; CE)을 저하시켜 배터리 용량 손실을 초래하기 때문에 이러한 수소 생성 반응을 최대한 억제하여야 하는 문제점이 있었다.
종래에는 이러한 수소 생성 반응을 최대한 억제하기 위하여 합금 원소를 금속에 첨가하거나 또는 음극 부식 속도를 늦추는 전해질을 첨가하기도 하였지만, 이는 수소 생성을 근본적으로 방지할 수 없었다.
뿐만 아니라, 종래의 금속 공기 배터리는 배터리 방전 반응과 음극 부식 반응, 그리고 공기가 유입되는 오픈 시스템 전지에서 발생하는 물 증발(Water transpiration)로 인하여 물(H20)이 고갈되는 문제가 발생하였고, 외부에서 주기적으로 물을 보충해 주어야 하는 번거로움이 있었다.
또한, 이러한 금속 공기 배터리 외에 다방면에 사용되는 수소 연료 전지의 경우 수소를 전기 자동차 외부로부터 공급받기 위해서는 고압에 견디는 큰 부피의 수소 용기를 전기 자동차에 탑재시켜야 한다는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 종래에는 수소를 외부에서 직접 충전하기 보다는 전기 자동차를 운행하면서 수소를 직접 생산하는 방식, 즉 종래의 주유소에서 공급받을 수 있는 가솔린(Gasoline)이나 디젤(Diesel) 등을 온보드(On-board)로 개질하여 수소를 직접 제조하는 방식을 이용하였지만, 이는 고온에서 작동하는 별도의 촉매 반응기가 반드시 필요하며 이러한 촉매 반응기를 전기 자동차 내부에 적용하기에는 무리가 있다는 문제점이 있었다.
종래의 금속 공기 전지 및 하이브리드 배터리 시스템에 관한 기술을 살펴보면, 일본공개특허 제2002-184472호는 알루미늄 공기 전지에 관한 것으로, 음극의 알루미늄이나 알루미늄 합금의 부식을 최소화하고, 또한 이러한 알루미늄이나 알루미늄 합금의 이용률을 높이는 것을 특징으로 한다.
다른 종래의 기술을 살펴보면, 미국등록특허 제8450974호는 하이브리드 배터리 시스템이 장착된 장거리 주행 가능한 전기차에 관한 것으로, 금속 공기 배터리 팩과 금속 공기 배터리가 아닌 배터리, 예를 들면 리튬이온 배터리 팩으로 구성된 하이브리드 배터리 시스템을 통해 고에너지 밀도의 금속 공기 배터리에 장거리 주행 가능한 충분한 전기 에너지를 저장하고 전기 자동차 운행 중에는 이 전기 에너지를 출력 특성이 우수한 리튬이온 배터리팩에 공급하는 것을 특징으로 한다.
하지만, 상술한 종래 기술들 또한 1) 금속 공기 배터리에서 금속의 부식 혹은 산화반응으로 여전히 수소가 발생되는 문제점과, 2) 금속 공기 배터리에서 발생되는 물 증발 현상을 해결하지 못한다는 문제점을 가진다.
이에, 본 발명자는 상술된 종래의 금속 공기 배터리가 가지는 문제점을 해결하기 위해, 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리의 자가 방전 반응 부산물인 수소를 수소 연료 전지에 자동으로 공급하여 수소 발생에 따른 배터리 용량 손실을 최소화하고, 또한 수소 연료 전지의 생성물인 물을 금속 공기 배터리에 공급하여 보충하도록 함으로써 금속 공기 배터리가 가지는 물 증발 현상을 해결할 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법을 발명하기에 이르렀다.
일본공개특허 제2002-184472호 미국등록특허 제8450974호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리의 자가 방전 반응 부산물인 수소를 수소 연료 전지에 자동으로 공급하여 수소 발생에 따른 배터리 용량 손실을 최소화하고, 또한 수소 연료 전지의 생성물인 물(H2O)을 금속 공기 배터리에 공급하여 보충하도록 함으로써 금속 공기 배터리가 가지는 물 증발(Water transpiration)현상을 해결할 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 외부에서 별도의 수소 공급 장치가 없이도 수소 연료 전지에 수소를 자체적으로 공급할 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지의 에너지 및 출력을 모두 사용하여 전기 자동차의 주행거리를 향상시키도록 하는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템은 금속 음극 및 산소 양극으로 구성되는 금속 공기 배터리; 및 상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하거나 또는 단독으로 출력하는 수소 연료 전지;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지는 상기 금속 공기 배터리에서 생성되는 수소를 공급받고, 상기 금속 공기 배터리는 상기 수소 연료 전지로부터 물을 공급받아 물 증발(Water transpiration)에 따른 손실된 물(H2O)을 보충할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리는 리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바나듐(V) 및 철(Fe) 중 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리는 전해질과의 자가 방전 반응에서 생성되는 수소를 상기 수소 연료 전지에 공급할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리는 출력되는 에너지량이 20kWh 내지 400kWh 인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리는 1차 전지이거나 전기적 충전(Electric charge) 또는 기계적 충전(Mechanical charge) 중 어느 하나 이상을 통해 충전 가능한 2차 전지에 해당할 수 있다.
일 실시에에서, 상기 수소 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템은 상기 금속 공기 배터리 및 상기 수소 연료 전지를 제어하는 컨트롤러(Controller);를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는 상기 수소 연료 전지의 에너지를 단독으로 출력하여 전기 자동차를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 풀 하이브리드 모드(Full Hybrid Mode); 상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 마일드 하이브리드 모드(Mild Hybrid Mode); 및 보조전원에 전력을 공급하는 마이크로 하이브리드 모드(Micro Hybrid Mode); 중 하나 이상의 모드로 동작되도록 제어할 수 있다.
단, 상기 컨트롤러의 모드는 수소 연료 전지의 에너지 용량 및 출력에 따라 사용이 제한될 수 있는데 예를 들면 고출력-고에너지 용량의 수소 연료 전지는 풀 하이브리드, 마일드 하이브리드, 마이크로 하이브리드 모드 작동이 모두 가능하고, 저출력-저에너지 용량의 수소 연료 전지는 마이크로 하이브리드 모드 작동만 가능하다.
일 실시예에서, 상기 컨트롤러는 전기 자동차의 동력 전달계(Power train)와 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지는 출력이 500W 내지 30kW 인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템은 배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법은 금속 음극 및 산소 양극으로 구성되는 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계; 및 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계는 전해질과의 자가 방전 반응에서 생성되는 수소를 상기 수소 연료 전지에 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계는 전기적 충전(Electric charge) 또는 기계적 충전(Mechanical charge) 중 어느 하나 이상을 통해 배터리를 충전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는 상기 수소 연료 전지에서 상기 금속 공기 배터리에 물을 공급하여 물 증발(Water transpiration)에 따른 물(H2O) 손실을 보충하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는 상기 금속 공기 배터리로부터 공급받은 수소를 통해 에너지를 충전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는 상기 수소 연료 전지에서 단독으로 에너지를 출력하여 전기 자동차를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 풀 하이브리드 모드(Full Hybrid Mode) 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는 상기 수소 연료 전지에서 상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 마일드 하이브리드 모드(Mild Hybrid Mode) 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는 상기 수소 연료 전지에서 보조전원에 전력을 공급하는 마이크로 하이브리드 모드(Micro Hybrid Mode) 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템 및 그 운용 방법은 금속 공기 배터리와 수소 연료 전지를 병합함으로써 금속 공기 배터리의 출력과 수소 연료 전지의 출력을 함께 사용할 수 있기 때문에 전기 자동차의 주행거리를 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 금속 공기 배터리의 자가 방전 반응 부산물인 수소를 수소 연료 전지에 자동으로 공급함으로써 수소 발생에 따른 배터리 용량 손실을 최소화하고 또한 자체적으로 수소를 공급받기 때문에 경우에 따라서는 수소 연료 전지를 충전하기 위한 별도의 외부 충전 장치가 불필요하다는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 수소 연료 전지의 생성물인 물을 금속 공기 배터리에 공급하여 보충함으로써 금속 공기 배터리가 가지는 물 증발 현상에 따른 물 손실을 보완할 수 있고, 그에 따라 외부에서 주기적으로 물을 보충해주어야 하는 번거로움을 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 경우에 따라서 별도의 수소 공급 장치가 불필요 하거나, 또는 전기 자동차에 탑재되는 수소 용기의 부피를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 금속 공기 배터리(110)와 수소 연료 전지(120) 간의 수소(H2) 및 물(H2O) 공급 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 알루미늄의 에너지 밀도를 타 금속과 비교한 비교결과를 도시한 도면이다.
도 5는 알루미늄 공기 배터리의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 알루미늄 손실(loss)에 따른 주행거리 손실, 수소 발생량 및 수소 에너지, 그리고 주행거리를 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 알루미늄 손실에 따라 발생하는 수소로부터 얻을 수 있는 수소 연료 전지(120)의 에너지 량을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 운용 방법을 단계적으로 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 전기 자동차(1)는 배터리(2), BMS(Battery Management System, 3), ECU(Electronic Control Unit, 4), 인버터(5) 및 모터(6)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(2)는 모터(6)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(2)는 모터(6) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(5)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(2)는 금속 공기 배터리로서 금속 음극의 종류에 따라 분류될 수 있는데, 금속 음극으로 사용되는 금속으로는 리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바나듐(V) 및 철(Fe) 등이 해당될 수 있다.
또한, 배터리(2)는 복수의 전지 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 있는 팩으로 형성된다. 그리고, 이러한 팩이 하나 이상 구비되어 배터리(2)를 형성할 수도 있다.
BMS(3)는 배터리(2)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(2)를 관리한다. 예컨대, 배터리(2)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(2) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(2)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(2)의 교체 시기 추정도 가능하다.
ECU(4)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(6)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(4)는 BMS(3)에 의해 전달받은 배터리(2)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(5)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(5)는 ECU(4)의 제어 신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(6)는 배터리(2)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(4)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
상술한 전기 자동차(1)는 배터리(2)의 전기 에너지를 이용하여 구동되므로, 배터리(2)와 모터(6)는 다양한 회로를 통해 연결될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 상술한 전기 자동차(1)의 배터리(2)의 주행거리를 보다 향상시키고, 서로 다른 종류의 전기를 서로 병합시키기 위함이다.
따라서, 후술되는 도 2 내지 도 7을 통해 배터리(20)의 주행거리를 보다 향상시킬 수 있는 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 금속 공기 배터리(110)와 수소 연료 전지(120) 간의 수소(H2) 및 물(H2O) 공급 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 알루미늄의 에너지 밀도를 타 금속과 비교한 비교결과를 도시한 도면이고, 도 5는 알루미늄 공기 배터리의 에너지 밀도를 도시한 도면이며, 도 6 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 알루미늄 손실(loss)에 따른 주행거리 손실, 수소 발생량 및 수소 에너지, 그리고 주행거리를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 알루미늄 손실에 따라 발생하는 수소로부터 얻을 수 있는 수소 연료 전지(120)의 에너지 량을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 금속 공기 배터리(110) 및 수소 연료 전지(120)를 포함한다.
먼저, 금속 공기 배터리(110)는 금속 음극(-)과 산소 양극(+)으로 구성되며, 금속 음극은 종류가 달라지더라도 산소 양극은 일반적인 공기로부터 얻어질 수 있기 때문에 공통적으로 사용될 수 있다.
이러한 금속 공기 배터리(110)는 금속 음극의 종류에 따라 분류될 수 있는데, 금속 음극으로 사용되는 금속으로는 리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바나듐(V) 및 철(Fe) 등이 해당될 수 있다.
상술한 금속들 중에서 본 발명에서는 알루미늄(Al)을 사용하였는데, 알루미늄은 에너지 저장과 환원이 매우 유용한 음극 재료(anode material)에 해당하며 알루미늄의 원자량은 26.98로 비교적 낮은 편에 해당하고 또한 3가 원자가를 갖기 때문에 질량 및 부피당 용량이 각각 2.98Ah/g, 8.04Ah/cm3로 높은 편에 해당한다.
이러한 알루미늄의 에너지 밀도 및 타 금속과의 비교 결과는 도 4에 상세하게 도시하였다.
도 4를 살펴보면, 알루미늄은 리튬, 마그네슘 및 아연에 비하여 부피당 용량이 1.4배 내지 3.9배 더 높은 것을 알 수 있다.
한편, 이러한 금속 공기 배터리(110)에서 대부분의 금속은 수용액 상의 전해질에서 열역학적으로 불안정하기 때문에 전해질과 반응하여 금속이 부식 혹은 산화되면서 수소(H2)를 발생하게 된다.
이때, 전해질에 의한 음극 부식(anode corrosion) 혹은 자가 방전 반응은 음극의 쿨롱 효율을 저하시키기 때문에 배터리 용량 손실을 최소화하기 위해서는 부식 반응을 최대한 억제시키거나 또는 수소 생성 반응을 최대한 억제시켜야 한다.
따라서, 본 발명에 따른 금속 공기 배터리(110)는 수소 생성 반응을 통해 생성되는 수소를 후술되는 수소 연료 전지(120)에 공급함으로써 배터리 용량 손실을 최소화시키는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 금속 공기 배터리(110)는 출력되는 에너지량이 20kWh 내지 400kWh에 해당할 수 있으며, 도 5에는 금속 공기 배터리(110) 중에서 특히 알루미늄 공기 배터리의 이론적 전압, 이론적 에너지 밀도 및 실제적 에너지 밀도를 도시하였다.
도 5를 살펴보면, 알루미늄 공기 배터리의 이론적 전압은 2.7V로 높은 편에 해당할 수 있고, 이론적 에너지 밀도도 8.1kWh/kg으로서 높은 편에 해당할 수 있다. 또한, 알루미늄은 가격이 저렴하고 환경 친화적이며 리사이클링(recycling)이 가능하다는 장점을 가진다.
그리고 금속 공기 배터리(110) 중에서 알루미늄 공기 배터리의 방전 반응을 살펴보면 다음과 같다.
음극(anode)은 Al->Al+3 + 3e
양극(Cathode)은 O2 + 2H2O + 4e -> 4OH-
전체(Overall)는 4Al + 3O2 + 6H2O -> 4Al(OH)3
그리고 알칼리 전해질을 사용하는 금속 공기 배터리(110)에서 산소 환원 반쪽 전지 반응(half-cell reaction)은 다음과 같다.
O2 + 2H2O + 4e <->4OH-, 여기에서 Eo : +0.401V
한편, 열역학적으로 알루미늄 음극은 염수(소금물)에서 -1.66V, 알칼리 전해질에서 -2.35V의 전위를 가지는데, 실제적인 알루미늄 전극은 상술한 전위보다 현저히 낮은 전위에서 동작한다. 알루미늄 공기 배터리의 이론적인 전위는 2.7V이지만, 실제적인 동작 전압은 1.1V 내지 1.4V일 수 있다.
이렇게 이론적 전위와 실제적 전위 차가 발생하는 이유는 1)일반적으로 알루미늄은 산화물 막으로 덮여있으며, 이러한 산화물 막이 배터리의 내부 저항으로 작용하기 때문이다. 그리고 2)알루미늄 전극에서는 부식 반응이 일어나고, 이러한 부식 반응은 알루미늄의 활용도를 낮추면서 수소 발생을 야기하기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따른 금속 공기 배터리(110)는 이러한 알루미늄의 부식 반응에 따라 발생되는 수소를 후술되는 수소 연료 전지(120)에 공급할 수 있다.
한편, 일반적인 금속 공기 배터리는 배터리 방전 반응, 음극 부식 반응 또는 공기가 유입되는 오픈 시스템 전지에서 발생하는 물 증발(Water transpiration)현상에 의하여 물(전해질)이 고갈될 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 금속 공기 배터리(110)는 후술되는 수소 연료 전지(120)로부터 물(H2O)을 공급받아 물 증발 현상에 따른 물 고갈 문제를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속 공기 배터리(110)는 전기적 충전(Electric charge) 또는 기계적 충전(Mechanical charge) 중 어느 하나 이상의 방법을 통해 충전 가능한 2차 전지에 해당할 수 있고, 혹은 반복 충전이 불가능한 1차 전지일 수 있다. 기계적 충전 방법을 통해 충전 가능한 알루미늄 공기 배터리는 생산단가가 저렴하다는 장점 또한 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 알루미늄 공기 배터리를 중심으로 기재하였지만 음극 금속의 종류는 알루미늄으로 제한되지 않음을 유의한다.
다음으로, 수소 연료 전지(120)는 상술한 금속 공기 배터리(110)의 출력을 보조하거나 또는 단독으로 에너지를 출력하는 역할을 수행할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 수소 연료 전지(120)는 고분자 전해질막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)에 해당할 수 있으며, 이러한 수소 연료 전지(120)는 금속 공기 배터리(110)로부터 생성되는 수소를 공급받아 에너지를 충전하거나 또는 출력할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 수소 연료 전지(120)의 출력은 500W 내지 30kW에 해당할 수 있다.
그리고 수소 연료 전지(120)는 기능적으로 3가지 모드를 가질 수 있는데, 다음과 같다.
먼저, 풀 하이브리드 모드(Full Hybrid Mode)는 수소 연료 전지(120)가 단독으로 에너지를 출력하여 전기 자동차(1)를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 금속 공기 배터리(110)의 출력을 보조하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 것을 의미할 수 있다.
다음으로, 마일드 하이브리드 모드(Mild Hybrid Mode)는 수소 연료 전지(120)가 단독으로 에너지를 출력하지 않고, 금속 공기 배터리(110)의 출력을 보조하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 것을 의미할 수 있다.
마지막으로, 마이크로 하이브리드 모드(Micro Hybrid Mode)는 전기 자동차(1)에 별도로 구비되는 보조전원(미도시)에 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다.
한편, 상술한 3가지 모드는 물리적으로 구분되는 것이 기능적으로 구분되는 것임을 유의한다.
도 6 내지 도 7을 살펴보면, 알루미늄 공기 배터리에서 부반응에 의하여 손실되는 알루미늄의 양과, 그에 따라 발생되는 수소로부터 얻을 수 있는 수소에너지량을 알 수 있으며 이때 알루미늄 손실(5)은 알루미늄 43kg의 양을 기준으로 하였다. 350kWh의 에너지 용량으로 1000마일(mile)을 주행할 수 있다고 가정하고 부식 반응에 의한 알루미늄 손실을 0% 내지 10% 범위 내로 가정한 경우, 알루미늄 손실이 10%인 경우 1000마일 주행 가능한 전기 자동차(1)는 100마일의 주행거리 손실을 입게 된다. 이때, 350kWh의 에너지 용량 배터리에 알루미늄이 43kg 사용되었으므로 손실된 알루미늄 양은 4.3kg이 된다. 그리고 이러한 부식 반응에 의해 발생된 수소량은 0.47kg이고 이러한 수소를 사용하여 얻을 수 있는 이론적 연료 전지 에너지는 15kWh이다. 즉, 1000/350=2.86mile/kWh이므로 기본적인 주행거리 외에 추가적으로 확보되는 주행거리가 43마일이 된다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 알루미늄이 손실되더라도 손실에 의해 발생되는 수소를 회수하여 에너지로 전환하는 경우 43%의 에너지 주행 거리 회수율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 알루미늄 손실이 7%인 경우에는 이론적 연료 전지 에너지가 10kWh 이상이므로, 수소 연료 전지(120)의 에너지 용량이 10kWh인 경우 알루미늄 공기 배터리가 완전 충전 상태에서 완전 방전 상태가 될 때 발생하는 수소만으로 수소 연료 전지(120)를 풀 가동할 수 있고, 결과적으로 별도의 외부 수소 충전이 불필요하게 된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 금속 공기 배터리(110) 및 수소 연료 전지(120)를 제어하는 컨트롤러(Controller, 130)를 더 포함할 수 있다.
컨트롤러(130)는 금속 공기 배터리(110)에서 생성되는 수소를 수소 연료 전지(120)에 공급할 수 있도록 금속 공기 배터리(110)를 제어하고, 또한 수소 연료 전지(120)에서 생성되는 물을 금속 공기 배터리(110)에 공급할 수 있도록 수소 연료 전지(120)를 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 컨트롤러(130)는 수소 연료 전지(120)가 상술한 3가지 모드(풀 하이브리드 모드, 마일드 하이브리드 모드 및 마이크로 하이브리드 모드)로 동작될 수 있도록 수소 연료 전지(120)를 제어하는 역할을 함께 수행할 수 있다.
또한, 이러한 컨트롤러(130)는 전기 자동차(1)에 구비되는 동력 전달계(Power train, 200)와 연결될 수 있는데, 여기에서 동력 전달계(200)는 전기 자동차(1)에 동력을 전달하는 역할을 수행하고 클러치, 토크 컨버터, 트랜스미션, 프로펠러 샤프트, 드라이브 샤프트, 디퍼렌셜 등을 모두 포괄하는 기구를 의미할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 상술한 BMS(3)를 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 BMS(3)와 연결될 수 있다.
다음으로, 도 8을 통해 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 운용 방법을 살펴보기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)의 운용 방법을 단계적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템(100)은 먼저 금속 공기 배터리(110)가 작동할 때 자가 방전 반응(self-discharge)을 한다(S801). 이때, 금속이 부식되면서 수소가 생성하게 된다.
다음으로, 금속 공기 배터리(110)는 생성되는 수소를 수소 연료 전지(120)에 공급한다(S802). 이때, 수소 연료 전지(120)는 공급되는 수소를 통해 에너지를 충전하게 된다.
다음으로, 수소 연료 전지(120)는 공급 받은 수소를 통해 에너지를 충전하고, 충전된 에너지를 출력하여 전기 자동차(1)를 구동시킨다(S803). 이때, 수소 연료 전지(120)는 단독으로 에너지를 출력하여 전기 자동차(1)를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 금속 공기 배터리(110)의 출력을 보조하여 전기 자동차(1)를 구동시킬 수 있다. 또한, 수소 연료 전지(120)는 단독으로 에너지를 출력하지 않고 금속 공기 배터리(110)의 출력을 보조하여 전기 자동차(1)를 구동시킬 수 있으며, 또한 수소 연료 전지(120)는 별도의 보조전원에 전력을 공급할 수 있다.
다음으로, 수소 연료 전지(120)의 출력 과정에서는 다량의 물(H2O)이 발생하게 되며 수소 연료 전지(120)는 생성되는 물을 금속 공기 배터리(110)에 공급함으로써 금속 공기 배터리(110)의 증발 현상으로 손실되는 물을 보충하게 된다(S804).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 전기 자동차 2 : 배터리
3 : BMS 4 : ECU
5 : 인버터 6 : 모터
100 : 배터리/연료 전지 하이브리드 시스템
110 : 금속 공기 배터리
120 : 수소 연료 전지
130 : 컨트롤러
200 : 동력 전달계부

Claims (19)

  1. 금속 음극 및 산소 양극으로 구성되는 금속 공기 배터리; 및
    상기 금속 공기 배터리의 출력을 보조하거나 또는 단독으로 에너지를 출력하는 수소 연료 전지;를 포함하고,
    상기 수소 연료 전지는 상기 금속 공기 배터리에서 생성되는 수소를 공급받고, 상기 금속 공기 배터리는 상기 수소 연료 전지로부터 생성되는 물(H2O)을 공급받는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리는,
    리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바나듐(V) 및 철(Fe) 중 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리는,
    자가 방전 반응으로 생성되는 수소를 상기 수소 연료 전지에 공급하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리는,
    출력되는 에너지량이 20kWh 내지 400kWh 인 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리는,
    1차 전지이거나 전기적 충전(Electric charge) 또는 기계적 충전(Mechanical charge) 중 어느 하나 이상을 통해 충전 가능한 2차 전지에 해당하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지는,
    고분자 전해질막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)인 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리 및 상기 수소 연료 전지를 제어하는 컨트롤러(Controller);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 수소 연료 전지의 에너지를 단독으로 출력하여 전기 자동차를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 상기 금속 공기 배터리의 에너지 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 풀 하이브리드 모드(Full Hybrid Mode);
    상기 금속 공기 배터리의 에너지 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 마일드 하이브리드 모드(Mild Hybrid Mode); 및
    보조전원에 전력을 공급하는 마이크로 하이브리드 모드(Micro Hybrid Mode); 중 하나 이상의 모드로 동작되도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    전기 자동차의 동력 전달계(Power train)와 연결되는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지는,
    출력이 500W 내지 30kW 인 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 시스템.
  12. 금속 음극 및 산소 양극으로 구성되는 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계; 및
    수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계;를 포함하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계는,
    자가 방전 반응에 의해서 생성되는 수소를 상기 수소 연료 전지에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 금속 공기 배터리에서 에너지를 출력하는 단계는,
    전기적 충전(Electric charge) 또는 기계적 충전(Mechanical charge) 중 어느 하나 이상을 통해 충전하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는,
    상기 수소 연료 전지에서 생성되는 물을 상기 금속 공기 배터리에 물(H2O)을 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는,
    상기 금속 공기 배터리로부터 공급받은 수소를 통해 에너지를 충전하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는,
    상기 수소 연료 전지에서 단독으로 에너지를 출력하여 전기 자동차를 저속으로 직접 구동시키거나 또는 상기 금속 공기 배터리의 에너지 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 풀 하이브리드 모드(Full Hybrid Mode) 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는,
    상기 수소 연료 전지에서 상기 금속 공기 배터리의 에너지 출력을 보조하여 상기 전기 자동차를 구동시키는 마일드 하이브리드 모드(Mild Hybrid Mode) 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 수소 연료 전지에서 에너지를 출력하는 단계는,
    상기 수소 연료 전지에서 보조전원에 전력을 공급하는 마이크로 하이브리드 모드(Micro Hybrid Mode) 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리/연료 전지 하이브리드 운용 방법.
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