KR20160060347A - 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 연료가 떨어진 차량에 대하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량이 수소 연료를 충전시킬 수 있도록 한 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량에 수소 충전구 외에 수소 저장탱크와 연결되는 긴급 충전용 비상 충전구를 구비하고, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구를 긴급 충전용 키트로 연결하여, 이 긴급 충전용 키트를 통하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 수소 연료가 떨어진 차량으로 수소 충전이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법{EMERGENCY CHARGING DEVICE AND METHOD FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 연료가 떨어진 차량에 대하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량이 수소 연료를 충전시킬 수 있도록 한 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 연료전지 스택에서 수소 연료와 산소의 반응에 의해 발생한 화학에너지를 전기에너지로 전환시키고, 이때의 전기에너지를 이용하여 모터를 구동시켜 추진력을 발생시키는 차량을 말하며, 수소를 연료로 사용하기 때문에 일정량의 수소를 저장하는 수소저장탱크 즉, 연료탱크를 탑재하고 있다.
가솔린 차량의 경우, 액체 연료를 사용하기 때문에 연료가 소진된 비상시에도 구난 차량이 출동하여 간단히 연료주입구를 개방한 후, 연료 충진이 가능하지만, 연료전지 차량의 경우 고압가스 충전 방식으로 가솔린 연료 주입과 같은 방식으로 수소연료 주입이 불가능하다.
따라서, 연료전지 차량에 탑재된 수소 저장탱크에 수소연료가 모두 소진되면, 수소충전소 이외에는 충전할 방법이 없기 때문에 렉카로 견인 운송하는 방법 밖에는 없다.
이에, 연료전지 차량의 수소 저장탱크에 수소 연료가 소진되는 긴급한 경우, 견인 방법이 아닌 보다 원활한 충전 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량의 수소 충전구 외에 긴급 충전키트를 연결할 수 있는 비상 충전구를 구비하고, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구를 통하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량이 수소 연료를 용이하게 충전시킬 수 있도록 한 연료전지 차량용 긴급 충전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 차량에 수소 충전구 외에 수소 저장탱크와 연결되는 긴급 충전용 비상 충전구를 구비하고, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구를 긴급 충전용 키트로 연결하여, 이 긴급 충전용 키트를 통하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 수소 연료가 떨어진 차량으로 수소 충전이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 긴급 충전용 키트는: 송신측 비상 충전구에 연결되는 제1퀵 커넥터와; 수신측 비상 충전구에 연결되는 제2퀵 커넥터와; 제1퀵 커넥터와 제2퀵 커넥터 간에 연결되는 연결호스와; 연결호스내의 수소 농도을 측정하는 수소농도센서와; 연결호스에서 분기된 배기호스에 장착된 배기용 솔레노이드 밸브와; 수소 긴급 충전을 위한 전반적인 제어를 하고, 차량 정보를 수신하기 위한 IR수신기를 갖는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1퀵 커넥터의 후부에는 수소 충전속도 및 유량을 조절하기 위한 개도율 조정용 솔레노이드 밸브가 더 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2퀵 커넥터의 후부에는 수소 농도 충족 조건에서 충전을 위하여 열리는 충전용 솔레노이드 밸브가 더 장착된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 차량에는 수소 저장탱크의 온도, 압력 부피 정보를 교환하기 위한 IR센서가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: ⅰ) 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구를 긴급 충전용 키트로 연결하는 차량 연결 단계와; ⅱ) 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 긴급 충전용 키트를 통과하는 수소 농도를 조절하는 단계와; ⅲ) 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 긴급 충전용 키트를 통과하여 수소 연료가 떨어진 차량으로 충전되는 수소 충전속도 및 유량을 조절하는 단계와; ⅳ) 수소 연료가 떨어진 차량에 대한 충전 종료를 판정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법을 제공한다.
상기 ⅰ) 단계에서, 안전한 충전을 위하여 양 차량에 탑재된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보를 수집하여 확인하는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅱ) 단계에서, 긴급 충전용 키트의 연결호스의 내부를 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 공급되는 수소로 치환하되, 연결호스내의 공기를 배기시키면서 수소 농도를 원하는 수준으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅲ) 단계에서, 양 차량에 탑재된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보에 따라, 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구에 연결된 개도율 조정용 솔레노이드 밸브에 대한 개도율을 조절하여, 수소 충전속도 및 유량이 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅳ) 단계에서, 양 차량의 수소 저장탱크 간의 압력 차이가 임계값 이하이거나, 수소 저장탱크의 온도가 임계값 이상이면 수소 충전을 종료하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 차량의 수소 충전구 외에 긴급 충전키트를 연결할 수 있는 비상 충전구를 구비하고, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 갖는 차량의 비상 충전구를 긴급 충전키트로 연결함으로써, 수소 연료가 떨어진 차량에 대한 긴급 수소 충전이 이루어질 수 있고, 이에 기존에 수소연료가 모두 소진됨에 따라 렉카로 견인 운송되는 번거로움을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 긴급 충전 장치를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 긴급 충전 방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 중 송신측은 수소를 충전해주는 쪽을 의미하고, 수신측은 수소를 충전받는 쪽을 의미함을 밝혀둔다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 긴급 충전 장치를 도시한 개략도이다.
도 1에서, 도면부호 10은 여분의 수소 연료를 저장한 송신측 연료전지 차량을 지시하고, 도면부호 20은 수소 연료가 떨어진 수신측 연료전지 차량을 지시한다.
각 연료전지 차량(10,20)에는 수소 충전을 위한 수소충전구(11,21)가 존재하며, 이 수소충전구(11,21) 외에 긴급 충전용 비상충전구(12,22)가 구비된다.
단, 상기 긴급 충전용 비상충전구(12,22)는 수소 저장탱크에 수소연료가 모두 소진되어 더 이상 차량 주행이 불가능한 긴급한 경우에만 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 수소 충전을 받을 수 있도록 사용된다.
이때, 상기 송신측 연료전지 차량(10)은 수소 저장탱크(13)와, 수소저장탱크(13)의 입구에 장착된 수소 개폐용 솔레노이드밸브(14)를 포함하고, 이 수소 개폐용 솔레노이드밸브(14)는 긴습충전용 비상충전구(12)와 라인으로 연결된다.
또한, 상기 수신측 연료전지 차량(20)도 수소 저장탱크(23)와, 수소저장탱크(23)의 입구에 장착된 수소 개폐용 솔레노이드밸브(24)를 포함하고, 이 수소 개폐용 솔레노이드밸브(24)는 긴급충전용 비상충전구(22)와 라인으로 연결된다.
따라서, 상기 수신측 연료전지 차량의 주행 중 수소 저장탱크(23)에 저장된 수소 연료가 고갈되면 주행이 불가능하여, 기존에는 렉카에 의한 견인 방법을 선택할 수 밖에 없었지만, 긴급충전용 비상충전구(22)를 이용하여 인근의 송신측 연료전지 차량(예를 들어, 긴급 출동 차량)이 수신측 연료전지 차량에 대한 수소 연료를 바로 충전시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 송신측 연료전지 차량(10)의 비상 충전구(12)와 수신측 연료전지 차량(20)의 비상충전구(22) 간을 긴급 충전용 키트(30)로 연결하여, 이 긴급 충전용 키트(30)를 통하여 송신측 연료전지 차량(10)으로부터 수신측 연료전지 차량(20)으로 수소 연료를 긴급 충진시킬 수 있다.
상기 긴급 충전용 키트(30)는 송신측 비상 충전구(12)에 연결되는 제1퀵 커넥터(31)와, 수신측 비상 충전구(22)에 연결되는 제2퀵 커넥터(32)와, 제1퀵 커넥터(31)와 제2퀵 커넥터(32) 간에 연결되는 연결호스(33)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 각 퀵 커넥터는 차체측에 피메일(female) 구조로 구성되고, 커넥터 측에 메일(male) 구조로 구성된다.
또한, 상기 연결호스(33)내의 수소 농도을 측정하기 위하여 연결호스(33)에는 수소농도센서(34)가 장착된다.
또한, 상기 연결호스(33)의 내부에 수소 충전전에 공기가 존재할 수 있으므로, 연결호스(33)에는 배기호스(35)가 분기 연결되고, 이 배기호스(35)에는 공기 배출시 열리고 배출 완료시 닫히도록 한 배기용 솔레노이드 밸브(36)가 장착된다.
또한, 상기 송신측 비상 충전구(12)에 연결되는 제1퀵 커넥터(31)의 후부에는 수소 충전속도 및 유량을 조절하기 위한 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)가 장착된다.
또한, 상기 수신측 비상 충전구(12)에 연결되는 제2퀵 커넥터(32)의 후부에는 수소 농도 충족 조건에서 충전을 위하여 열리는 충전용 솔레노이드 밸브(38)가 장착된다.
한편, 상기 송신측 및 수신측 연료전지 차량(10,20)에는 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보를 교환하기 위한 IR센서(39)가 장착된다.
이때, 상기 긴급 충전용 키트(30)는 IR센서(39)로부터 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 등의 정보를 수신하는 IR수신기(41)를 갖는 제어기(40)를 더 포함한다.
상기 제어기(40)는 IR센서(39)로부터 IR수신기(41)로 수신된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 등의 정보, 그리고 수소농도센서(34)의 감지 정보 등을 기반으로, 배기용 솔레노이드 밸브(36) 및 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)를 개폐 제어하여, 충전을 위한 수소 농도를 조절하고, 수신측 연료전지 차량에 대한 수소 연료 충전을 위하여 충전용 솔레노이드 밸브(38)를 개폐 제어하는 등 수소 긴급 충전을 위한 전반적인 제어를 한다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 차량용 긴급 충전 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 긴급 충전 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 수신측 연료전지 차량(20)의 주행 중 수소 저장탱크(23)에 저장된 수소 연료가 고갈되어 주행이 불가능한 상태가 되면, 송신측 연료전지 차량(10)의 비상 충전구(12)와 수신측 연료전지 차량(20)의 비상충전구(22) 간을 긴급 충전용 키트(30)로 연결한다.
이때, 상기 제어기(40)에서 양 차량의 IR센서(39)로부터 IR수신기(41)로 수신되는 각 수소 저장탱크(13,23)의 온도, 압력, 부피 등의 정보를 확인하여, 수소 저장탱크내의 온도, 압력 등이 충전을 위한 안전 범위내에 존재하는지 여부를 판정하고, 안전한 것으로 판정되면 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)를 오픈시킨다.
또한, 상기 송신측 수소저장탱크(13)의 입구에 장착된 수소 개폐용 솔레노이드밸브(14)도 오픈된다.
따라서, 상기 송신측 연료전지 차량(10)의 수소 저장탱크(13)로부터 수소가 배출되는 동시에 긴급 충전용 키트(30)의 송신측 비상 충전구(12)에 연결된 제1퀵 커넥터(31) 및 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)를 통과하여 연결호스(33)로 진입하게 된다.
이때, 상기 연결호스(33)의 내부에는 공기가 존재하는 상태이지만, 수소 공급에 따라 연결호스(33)의 내부는 공기가 수소로 치환되는 상태가 된다.
참고로, 수소 연료전지차량은 연료전지 스택의 성능을 보증하기 위해 99.97% 이상의 수소를 사용해야 하며, 수소 순도 규격은 ISO14687-2를 따른다.
따라서, 상기 긴급 충전용 키트(30)의 연결호스(33) 내에 존재하는 공기를 수소로 치환하는 작업이 필요하며, 이를 위해 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)를 열어서 송신측 연료전지 차량(10)의 수소 저장탱크(13)로부터의 수소가 연결호스(33)내로 공급되도록 함으로써, 연결호스(33)의 내부가 공기 대신 수소로 치환되는 상태가 된다.
이때, 상기 연결호스(33)의 내부로 공급된 수소의 농도를 수소농도센서(34)에서 측정하는 바, 측정된 수소 농도가 기준값에 미치지 못하면 제어기(40)에서 배기호스(35)에 장착된 배기용 솔레노이드 밸브(36)를 오픈시키는 제어를 하게 된다.
이에, 상기 연결호스(33)내에 존재하던 공기가 외부로 배출되어 연결호스(33)의 내부는 수소로 완전 치환되며, 이후 연결호스(33)내의 수소 농도가 기준값에 도달하면 제어기(40)에서 배기용 솔레노이드 밸브(36)를 닫힘으로 제어한다.
또한, 상기 제어기(40)에서 연결호스(33)내의 수소 농도가 기준값에 도달하고, 배기용 솔레노이드 밸브(36)가 닫힘 상태임을 확인한 후, 충전용 솔레노이드 밸브(38)를 오픈시키는 제어를 하게 된다.
따라서, 상기 연결호스(33)내의 수소 연료가 충전용 솔레노이드 밸브(38)를 통과하여, 수신측 연료전지 차량의 수신측 비상 충전구(12) 및 이 수신측 비상 충전구에 연결된 제2퀵 커넥터(32)를 지나서, 결국 수신측 연료전지 차량(20)의 수소 저장탱크(23)로 충전되며, 물론 이 수소저장탱크(23)의 입구에 장착된 수소 개폐용 솔레노이드밸브(24)도 오픈 상태로 제어된 상태이다.
한편, 이러한 수소연료 충전 중, 여분의 수소 연료를 저장한 차량 즉, 송신측 연료전지 차량으로부터 수소 연료가 떨어진 차량 즉, 수신측 연료전지 차량으로 충전되는 수소의 충전속도 및 유량을 조절하는 단계가 진행된다.
예를 들어, 상기 제어기(40)에서 양 차량에 탑재된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보를 수신한 후, 안전한 범위내에서 개도율 조정용 솔레노이드 밸브(37)를 더 열어 개도율을 높이는 제어를 함으로써, 수신측 연료전지 차량으로 충전되는 수소의 충전속도 및 유량을 증가시킬 수 있다.
이러한 충전 중, 송신측 및 수신측 연료전지 차량(10,20)의 수소저장탱크(13,23) 간의 압력 차이 및 각 수소저장탱크(13,23)의 온도를 확인하여 수소 연료가 떨어진 차량에 대한 충전 종료를 판정하는 단계가 진행된다.
즉, 상기 송신측 및 수신측 연료전지 차량(10,20)의 수소저장탱크(13,23) 간의 압력 차이가 임계값 이하이거나, 각 수소저장탱크(13,23)의 온도가 임계값 이상이면 수소 충전을 종료한다.
예를 들어, 상기 송신측 및 수신측 연료전지 차량(10,20)의 수소저장탱크(13,23) 간의 압력 차이가 20bar 이하이면, 수소가 어느 정도 충전되어 수소 충전 압력을 충족하지 못하면 충전을 종료하고, 또한 각 수소저장탱크(13,23)의 온도가 85℃를 넘는 경우 안전을 위하여 충전을 종료한다.
이와 같이, 연료전지 차량의 수소 충전구 외에 긴급 충전키트를 연결할 수 있는 비상충전구를 구비한 상태에서, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 갖는 차량의 비상 충전구를 긴급 충전키트로 연결한 후, 수소 연료가 떨어진 차량에 대한 긴급 수소 충전이 용이하게 이루어질 수 있다.
10 : 송신측 연료전지 차량 11 : 수소충전구
12 : 비상충전구 13 : 수소저장탱크
14 : 수소 개폐용 솔레노이드 밸브 20 : 수신측 연료전지 차량
21 : 수소충전구 22 : 비상충전구
23 : 수소저장탱크 24 : 수소 개폐용 솔레노이드 밸브
30 : 긴급 충전용 키트 31 : 제1퀵 커넥터
32 : 제2퀵 커넥터 33 : 연결호스
34 : 수소농도센서 35 : 배기호스
36 : 배기용 솔레노이드 밸브 37 : 개도율 조정용 솔레노이드 밸브
38 : 충전용 솔레노이드 밸브 39 : IR센서
40 : 제어기 41 : IR수신기

Claims (11)

  1. 연료전지 차량에 수소 충전구 외에 수소 저장탱크와 연결되는 긴급 충전용 비상 충전구를 구비하고, 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구를 긴급 충전용 키트로 연결하여, 이 긴급 충전용 키트를 통하여 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 수소 연료가 떨어진 차량으로 수소 충전이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 긴급 충전용 키트는:
    송신측 비상 충전구에 연결되는 제1커넥터와;
    수신측 비상 충전구에 연결되는 제2커넥터와;
    제1퀵 커넥터와 제2퀵 커넥터 간에 연결되는 연결호스와;
    연결호스내의 수소 농도을 측정하는 수소농도센서와;
    연결호스에서 분기된 배기호스에 장착된 배기용 솔레노이드 밸브와;
    수소 긴급 충전을 위한 전반적인 제어를 하고, 차량 정보를 수신하기 위한 IR수신기를 갖는 제어기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1커넥터의 후부에는 수소 충전속도 및 유량을 조절하기 위한 개도율 조정용 솔레노이드 밸브가 더 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2커넥터의 후부에는 수소 농도 충족 조건에서 충전을 위하여 열리는 충전용 솔레노이드 밸브가 더 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1커넥터 및 제2커넥터는 원터치 체결이 가능한 퀵 커넥터로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 차량에는 수소 저장탱크의 온도, 압력 부피 정보를 교환하기 위한 IR센서가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 장치.
  7. ⅰ) 수소 연료가 떨어진 차량의 비상 충전구와 여분의 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구를 긴급 충전용 키트로 연결하는 차량 연결 단계와;
    ⅱ) 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 긴급 충전용 키트를 통과하는 수소 농도를 조절하는 단계와;
    ⅲ) 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 긴급 충전용 키트를 통과하여 수소 연료가 떨어진 차량으로 충전되는 수소 충전속도 및 유량을 조절하는 단계와;
    ⅳ) 수소 연료가 떨어진 차량에 대한 충전 종료를 판정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계에서, 안전한 충전을 위하여 양 차량에 탑재된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보를 수집하여 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계에서, 긴급 충전용 키트의 연결호스의 내부를 여분의 수소 연료를 저장한 차량으로부터 공급되는 수소로 치환하되, 연결호스내의 공기를 배기시키면서 수소 농도를 원하는 수준으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서, 양 차량에 탑재된 수소 저장탱크의 온도, 압력, 부피 정보에 따라, 수소 연료를 저장한 차량의 비상 충전구에 연결된 개도율 조정용 솔레노이드 밸브에 대한 개도율을 조절하여, 수소 충전속도 및 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계에서, 양 차량의 수소 저장탱크 간의 압력 차이가 임계값 이하이거나, 수소 저장탱크의 온도가 임계값 이상이면 수소 충전을 종료하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 긴급 충전 방법.
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