KR20170114705A - 수소 및 전기 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수소 및 전기 충전 시스템은 연료로부터 수소를 생산하는 연료 개질부; 상기 연료 개질부로부터 생산된 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 연료 전지부; 상기 연료 전지부로부터 생산된 전기를 외부로 공급하는 전기 충전 라인; 및 상기 연료 개질부로부터 생산된 수소를 외부로 공급하는 수소 충전 라인을 포함한다.

Description

수소 및 전기 충전 시스템{Hydrogen and electricity recharging system}
본 발명은 수소 및 전기 충전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 연료 전지에서 생산되는 전기, 상기 연료 전지에 공급되는 수소 및 상기 연료 전지에서 발생되는 열을 선택적으로 공급할 수 있는 지능형의 하이브리드 충전 시스템에 관한 것이다.
근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지가 개발되고 있다. 이와 같은 연료 전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 발전시키는 장치이다.
연료전지 시스템은 연료전지 및 보조 배터리로 구성된 연료전지 시스템으로서, 연료전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 외부부하에 공급하거나 보조 배터리를 충전하는 발전 시스템이다.
연료 전지는 도시가스, LPG 또는 바이오 가스 등의 연료를 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차, 주택 및 공공건물 등의 대체 전력원으로 응용 범위가 넓은 장점을 갖는다. 구체적으로 연료 전지는 기본적으로 스택(stack), 개질기, BOP(Balance Of Plants) 등을 구비한다. BOP는 연료탱크, 연료 펌프 및 밸브 등으로 스택(stack) 및 개질기의 동작을 주변에서 보조하는 주변기계장치를 의미한다.
충전부를 구비한 연료전지를 제시하는 종래의 문헌으로 등록특허 제10-0641125호(2006.11.02)를 참조할 수 있다. 상기 발명은 연료전지의 야간구동에 의하여 잉여된 전기를 이용하여 전기자동차를 충전할 수 있는 충전부를 구비한 연료전지에 관한 내용을 개시한다. 상기 문헌은 개질기에서 공급받은 수소 및 별도로 공급받은 공기를 통해 생산된 전기를 전력 변환기를 통해 적절히 변환한 상태에서 다른 전자기기를 충전할 수 있도록 충전한다는 내용에 한정되고, 개질기에서 생산된 수소, 회수되는 열 및 연료 전지에서 생산되는 전기를 선택적으로 공급 및 충전할 수 있는 내용에 대해서는 기재가 없다는 한계가 있다.
(특허문헌 1) KR10-0641125 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 연료 전지에서 생산되는 전기, 상기 연료 전지에 공급되는 수소 및 상기 연료 전지에서 발생되는 열을 선택적으로 공급 및 충전할 수 있는 지능형의 하이브리드 수소 및 전기 충전 시스템을 제공하는 것이 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소 및 전기 충전 시스템은 연료로부터 수소를 생산하는 연료 개질부; 상기 연료 개질부로부터 생산된 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 연료 전지부; 상기 연료 전지부로부터 생산된 전기를 외부로 공급하는 전기 충전 라인; 및 상기 연료 개질부로부터 생산된 수소를 외부로 공급하는 수소 충전 라인을 포함한다.
상기 연료 개질부는, 연료 공급부에서 공급받은 연료에 대해 물과 공기가 함께 유입된 상태에서 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황기; 연료와 수증기가 반응하여 수소를 발생하는 수소 생산기; 및 상기 수소 생산기에서 획득된 수소를 고순도화하기 위한 수소 정제기를 포함한다.
상기 수소 및 전기 충전 시스템은, 상기 수소 생산기로부터 생산된 수소를 상기 수소 정제기를 거치지 않고 상기 연료 전지부로 직접 공급하기 위한 수소 직공급 라인을 더 포함한다.
상기 수소 공급 라인 및 전기 공급 라인은 동일 모듈에 구비된다.
상술한 바와 같은 본 발명인 수소 및 전기 충전 시스템은 수소 및 전기 충전 시스템은 연료 전지에서 생산되는 전기와 함께 상기 연료 전지에 공급되는 수소를 선택적으로 공급 및 충전할 수 있는 지능형의 시스템이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 전기 충전 시스템의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 수소 및 전기 충전 시스템은 연료를 공급하는 연료 공급부(10), 연료 공급부(10)에서 연료를 공급받아 수소 가스를 포함하는 수소 부유가스를 발생시키는 연료 개질부(20), 연료 개질부(20)에서 발생되는 수소 가스와 별도로 공급되는 공기의 전기 화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 연료 전지부(30), 연료 전지부(30)로 산소와 같은 산화제를 공급하는 공기 공급부(40), 연료 전지부(30)의 일측에 전기 충전 라인(6)으로 연결되어 연료 전지부(30)에서 발생된 전기를 선택적으로 사용할 수 있도록 저장하는 하이브리드 충전부(50), 상기 연료 개질부(20)와 연료 전지부(30)에서 발생되는 열을 회수하는 열 회수부(60) 및 열 회수부(60)와 하이브리드 충전부(50) 사이에 배치되며 회수되는 열의 재공급 및 충전을 가능하게 하는 열교환부(65)를 포함한다.
연료 개질부(20)는 연료 공급부(10)에서 공급받은 연료에 대해 물과 공기가 함께 유입된 상태에서 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황기(21), 연료와 수증기가 반응하여 수소를 발생하는 수소 생산기(22) 및 수소 생산기(22)에서 획득된 수소를 고순도화하기 위한 수소 정제기(23)를 포함한다. 탈황기(21)는 수소 생산기(22)의 전단 또는 후단에 배치된다.
수소 생산기(22)는 연료와 수증기가 반응하는 수증기 개질반응기일 수 있다. 즉, 도시가스 및 LPG와 같은 연료와 수증기를 반응시켜 수소를 만드는 수증기 개발 방식을 포함한다.
수소 정제기(23)는 수증기-가스변환기(Water-Gas-Shift Reactor), PSA 장치 및 팔라듐 멤브레인 형식의 반응기를 동시 또는 부분적 조합으로 포함할 수 있다.
연료 전지부(30)는 연료극, 전해질막 및 공기극을 포함하여 구성되는 단위 전지가 다수개 적층되어 이루어지며 연료 전지부(30)의 일측에는 전력 변환기가 설치되어 발생된 직류전류를 가정용으로 사용할 수 있도록 교류전류로 변환시킬 수 있다.
본 발명의 수소 및 전기 충전 시스템을 구성하는 복수의 라인은 하기와 같다.
연료 공급부(10)와 연료 개질부(20)를 연결하는 연료 공급 라인(1), 연료 개질부(20)와 연료 전지부(30)를 연결하는 제1 수소 공급 라인(2), 공기 공급부(40)와 연료 전지부(30)를 연결하는 공기 공급 라인(3), 수소 정제기(23)를 거치지 않은 상태에서 수소 생산기(22)와 연료 전지부(30)를 연결하는 제2 수소 공급 라인(4), 연료 개질부(20)와 하이브리드 충전부(50)를 연결하는 수소 충전 라인(5), 연료 전지부(30)와 하이브리드 충전부(50)를 연결하는 전기 충전 라인(6), 열교환부(65)와 하이브리드 충전부(50)를 연결하는 열 충전 라인(7) 및 하이브리드 충전부(50)와 외부 장치(70)를 연결하는 충전 라인(8)을 포함한다.
여기에서, 제1 수소 공급 라인(2)과는 별도의 제2 수소 공급 라인(4)을 구비함으로써 개질된 수소를 수소 정제기(23)를 거치게 함이 없이 바로 연료 전지부(30)로 직공급하게 할 수 있다.
즉, 수소 생산기(22) 이후의 저농도 수소가스를 수소 정제기(23)를 거치게 함이 없이 제2 수소 공급 라인(4)을 통해 연료 전지부(30)에 공급하거나, 수소 정제기(23) 이후의 고농도 수소가스를 제1 수소 공급 라인(2)을 통해 연료 전지부(30)에 공급하는 방식을 선택적으로 사용한다.
또한, 수소 충전 라인(5)과 전기 충전 라인(6)을 통해 하이브리드 충전부(50)로 수소 및 전기를 충전할 수 있다. 수소 충전 방식은 연료 개질부(20)를 통해 도촐된 고순도 가스를 직접 공급하는 방식을 채택한다. 전기 충전 방식은 연료전지의 형태에 따라 연료 개질부(20)의 수소 생산기(22)를 거친 저농도 수소가스를 연료 전지부(30)에 공급하거나, 수소 정제기(23) 이후의 고농도 수소가스를 연료 전지부(30)에 공급하는 방식을 선택적으로 사용한다. 연료 전지부(30)에서 생산되는 전기를 이용해 전기를 충전한다.
하이브리드 충전부(50)는 연료 개질부(20)를 통해 발생된 수소와, 연료 전지부(30)에서 발생된 전기, 및 열 회수부(60)와 열교환부(65)를 통해 연료 전지부(30)에서 회수된 열을 취합하여 선택적으로 외부 장치(70)로 전송한다.
한편, 수소 충전 라인(5), 전기 충전 라인(6), 열 충전 라인(7)은 하이브리드 충전부(50)를 통해 하나의 모듈로 일체화되는 방식으로 구성 가능하게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명인 수소 및 전기 충전 시스템은 수소 및 전기 충전 시스템은 연료 전지에서 생산되는 전기와 함께 상기 연료 전지에 공급되는 수소를 선택적으로 공급 및 충전할 수 있게 한다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료 공급부
20 : 연료 개질부
21 : 탈황기
22 : 수소 생산기
23 : 수소 정제기
30 : 연료 전지부
40 : 공기 공급부
50 : 하이브리드 충전부
60 : 열 회수부
65 : 열 교환부

Claims (4)

  1. 연료로부터 수소를 생산하는 연료 개질부;
    상기 연료 개질부로부터 생산된 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하는 연료 전지부;
    상기 연료 전지부로부터 생산된 전기를 외부로 공급하는 전기 충전 라인; 및
    상기 연료 개질부로부터 생산된 수소를 외부로 공급하는 수소 충전 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소 및 전기 충전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 개질부는,
    연료 공급부에서 공급받은 연료에 대해 물과 공기가 함께 유입된 상태에서 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황기;
    연료와 수증기가 반응하여 수소를 발생하는 수소 생산기; 및
    상기 수소 생산기에서 획득된 수소를 고순도화하기 위한 수소 정제기;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소 및 전기 충전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수소 및 전기 충전 시스템은,
    상기 수소 생산기로부터 생산된 수소를 상기 수소 정제기를 거치지 않고 상기 연료 전지부로 직접 공급하기 위한 수소 직공급 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 및 전기 충전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 공급 라인 및 전기 공급 라인은 동일 모듈에 구비된 것을 특징으로 하는,
    수소 및 전기 충전 시스템.
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