KR20180094403A - 연료전지 자동차용 열관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지 자동차용 열관리 시스템은 연료전지 스택과 고체 수소 저장장치 및 수소 공급관을 포함한다. 연료전지 스택은 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하고 물을 배출한다. 고체 수소 저장장치는 고체상 수소 저장물질을 수용하는 제1 용기와, 열화학적 열에너지 저장물질을 수용하는 제2 용기와, 열전달 매체를 수용하는 제3 용기와, 제1 용기와 제2 용기 및 제3 용기에 연결 설치되며 열전달 매체의 순환을 위한 배관부를 포함한다. 수소 공급관은 제1 용기와 연료전지 스택에 연결 설치된다.

Description

연료전지 자동차용 열관리 시스템 {HEAT MANAGEMENT SYSTEM FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 자동차를 위한 열관리 시스템에 관한 것이다.
수소 연료전지는 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하고 순수한 물을 배출하는 친환경 발전 장치로서, 전기 자동차의 동력원으로 사용될 수 있다. 수소 연료전지는 고체 수소 저장용기로부터 수소를 공급받을 수 있다. 고체 수소 저장용기는 특정 온도에서 수소를 방출하는 수소 저장물질을 포함하며, 부피 저장 밀도를 높이기 위해 수소 저장물질로서 금속수소화물 기반의 복합 수소화물이 사용될 수 있다.
복합 수소화물이 수소를 방출하기 위해서는 지속적인 열 공급이 필요하며, 일정 크기의 열교환기로부터 열공급 효율을 높이는 기술이 요구된다. 그런데 열공급 효율을 높이기 위한 대부분의 연구 개발은 고체 수소 저장용기 내부의 구조 개선에 집중되고 있다.
특히 고온에서 반응하는 금속수소화물의 특성상 전기 자동차에 적용 시 냉(冷)시동 성능을 높여야 한다. 이를 위해 수소 연소장치(heat combustor)를 장착하거나 배터리 전력을 이용하여 고체 수소 저장용기를 가열하는 등 추가적인 보조 설비(balance of plant, BOP)가 요구된다. 그런데 보조 설비를 이용하는 기술은 시스템 부피 증가 및 에너지 손실로 인해 연비 저하를 초래한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 별도의 전원 공급 없이 고체 수소 저장용기에 지속적으로 열을 공급할 수 있고, 그 결과 연료전지에서 생산된 전력을 온전히 차량 구동에 사용하여 연비를 향상시킬 수 있는 연료전지 자동차용 열관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차용 열관리 시스템은 연료전지 스택과 고체 수소 저장장치 및 수소 공급관을 포함한다. 연료전지 스택은 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하고 물을 배출한다. 고체 수소 저장장치는 고체상 수소 저장물질을 수용하는 제1 용기와, 열화학적 열에너지 저장물질을 수용하는 제2 용기와, 열전달 매체를 수용하는 제3 용기와, 제1 용기와 제2 용기 및 제3 용기에 연결 설치되며 열전달 매체의 순환을 위한 배관부를 포함한다. 수소 공급관은 제1 용기와 연료전지 스택에 연결 설치된다.
고체상 수소 저장물질은 수소 흡장 시 발열하고, 열 공급 시 수소를 방출하는 물질을 포함할 수 있다. 열화학적 열에너지 저장물질은 촉매제 공급 시 발열하고, 열 공급 시 금속산화물과 촉매제로 분리되며 열에너지를 저장하는 물질을 포함할 수 있다.
열전달 매체는 고체상 수소 저장물질의 수소 흡장 시 제1 용기의 열량을 제2 용기로 전달할 수 있고, 열화학적 열에너지 저장물질에 촉매제 공급 시 제2 용기의 열량을 제1 용기로 전달할 수 있다. 고체상 수소 저장물질은 금속착수소화물, 금속수소화물, 화학적 수소화물, 및 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
촉매제는 물일 수 있고, 열화학적 열에너지 저장물질은 Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 가운데 1종 이상을 포함할 수 있다. 고체 수소 저장장치는, 촉매제를 수용하는 제4 용기와, 제4 용기와 제2 용기에 연결 설치된 촉매제 공급관 및 촉매제 배출관과, 촉매제 배출관에 설치된 제1 밸브를 더 포함할 수 있다. 제1 밸브는 하나의 유입 포트와, 제4 용기에 연결된 제1 배출 포트와, 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제2 배출 포트를 포함할 수 있다.
연료전지 자동차용 열관리 시스템은, 연료전지 스택과 제4 용기에 연결 설치된 물 공급관과, 물 공급관에 설치된 제3 밸브를 더 포함할 수 있다. 제3 밸브는 하나의 유입 포트와, 제4 용기에 연결된 제5 배출 포트와, 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제6 배출 포트를 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 촉매제는 산소일 수 있고, 열화학적 열에너지 저장물질은 Co3O4 및 Mn2O3 가운데 1종 이상을 포함할 수 있다. 고체 수소 저장장치는, 제2 용기로 공기를 공급하는 공기 공급장치와, 제2 용기에 설치되며 열에너지 저장 시 공기를 배출하는 공기 배출관과, 제2 용기에 설치되며 열 방출 시 잔여 공기를 배출하는 압력 조절관을 더 포함할 수 있다.
압력 조절관에 제2 밸브가 설치될 수 있다. 제2 밸브는 하나의 유입 포트와, 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제3 배출 포트와, 제3 용기를 경유하여 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제4 배출 포트를 포함할 수 있다.
압력 조절관으로 배출되는 잔여 공기의 온도가 제3 용기의 열전달 매체의 온도보다 낮은 경우 제3 배출 포트가 개방될 수 있다. 압력 조절관으로 배출되는 잔여 공기의 온도가 제3 용기의 열전달 매체의 온도보다 높은 경우 제4 배출 포트가 개방될 수 있다. 연료전지 자동차용 열관리 시스템은, 연료전지 스택과 공기 공급장치에 연결 설치된 공기 공급관을 더 포함할 수 있다.
고체 수소 저장장치는 제1 용기와 제2 용기 중 적어도 하나에 열을 공급하는 보조 히터를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제1 용기로 열을 공급하기 위한 별도의 전원 공급이 필요 없으며, 초기 화학반응 시작 또는 긴급 상황 발생 시 보조 히터를 잠시 가동하는 것 이외에 전력을 사용하지 않는다. 따라서 연료전지 스택에서 생산한 전력을 온전히 차량 구동에 이용할 수 있으므로 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 가역성이 우수한 열화학적 열에너지 저장물질은 충전 및 방전 시 열 손실이 적고, 촉매제(H2O 또는 O2)를 이용하여 열 방출을 제어하므로 안전성이 우수하며, 친환경적이다. 또한, 연료전지 스택을 가동하지 않고 제2 용기에 촉매제를 공급하면 제2 용기에서 방출되는 열에너지로 난방이 가능하므로 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 수소 저장장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 충전 과정을 도시한 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 방출 과정을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 수소 저장장치의 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 충전 과정을 도시한 구성도이다.
도 6은 도 4에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 방출 과정을 도시한 구성도이다.
도 7과 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 자동차용 열관리 시스템의 구성도이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 자동차용 열관리 시스템의 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. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 수소 저장장치의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 고체 수소 저장장치(100)는 고체상 수소 저장물질을 수용하는 제1 용기(10)와, 열화학적 열에너지 저장물질을 수용하는 제2 용기(20)와, 열전달 매체를 수용하는 제3 용기(30)와, 열전달 매체의 순환을 위한 배관부를 포함한다.
배관부는 제1 용기(10)와 제3 용기(30)에 연결 설치된 제1 배관(D1) 및 제2 배관(D2)과, 제2 용기(20)와 제3 용기(30)에 연결 설치된 제3 배관(D3) 및 제4 배관(D4)을 포함할 수 있다. 열전달 매체는 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질 및 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질로 열을 전달하는 매체일 뿐 이들 물질과 반응하지 않는다.
이를 위해 제1 배관(D1)과 제2 배관(D2) 사이에 제1 용기(10)의 외측을 둘러싸거나 밀봉 상태로 제1 용기(10)의 내부를 관통하는 제1 열교환관(H1)이 위치할 수 있다. 또한, 제3 배관(D3)과 제4 배관(D4) 사이에 제2 용기(20)의 외측을 둘러싸거나 밀봉 상태로 제2 용기(20)의 내부를 관통하는 제2 열교환관(H2)이 위치할 수 있다.
고체 수소 저장장치(100)는 촉매제를 수용하는 제4 용기(40)를 포함할 수 있다. 제4 용기(40)는 제5 배관(D5) 및 제6 배관(D6)에 의해 제2 용기(20)에 연결된다. 제5 배관(D5)은 촉매제 공급관일 수 있고, 제6 배관(D6)은 촉매제 배출관일 수 있다.
제6 배관(D6)에는 하나의 유입 포트(P1)와 두 개의 배출 포트(P2, P3)를 가지는 제1 밸브(V1)가 설치될 수 있다. 제1 밸브(V1)의 제1 배출 포트(P2)는 제4 용기(40)와 연결되고, 제2 배출 포트(P3)는 고체 수소 저장장치(100) 외부와 연결될 수 있다.
고체 수소 저장장치(100)는 보조 히터(50)를 포함할 수 있다. 보조 히터(50)는 제1 용기(10)와 제2 용기(20)에 추가적인 열 공급이 필요한 경우 가동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20)에 열을 공급한다.
제1 용기(10)에 저장되는 고체상 수소 저장물질은 수소 충전 시 발열하고, 열 공급에 의해 반응 온도에 도달 시 수소를 방출하는 물질이다. 예를 들어, 고체상 수소 저장물질은 금속착수소화물, 금속수소화물, 화학적 수소화물, 및 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
고체상 수소 저장물질에서 금속착수소화물은 M1AlH4, M2(AlH4)2, M3BH4, M4(BH4)2, M5(BH4)3, M6NH2, M7(NH2)2, Li2NH, MgNH, 리튬-마그네슘 아마이드(Lithium-Magnesium amide), 및 리튬-마그네슘 이미드(Lithium-Magnesium imide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 여기서, M1은 Li, Na, 또는 Al이고, M2는 Mg 또는 Ca이고, M3는 Li, Na, 또는 K이고, M4는 Mg 또는 Ca이고, M5는 Al 또는 Ti이고, M6는 Li 또는 Na이고, M7은 Mg, 또는 Ca이다.
고체상 수소 저장물질에서 금속수소화물은 M8H, 및 M9H2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. M8은 Li, Na, K, Rb, 또는 Cs이고, M9은 Mg, Ca, Sc, Ti, 또는 V이다. 고체상 수소 저장물질에서 화학적 수소화물은 AlH3, NH3BH3, NH4B3H8, NH2B2H5, 및 NaBP2H8로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
고체상 수소 저장물질에서 수소저장합금은 Ti-Cr-V 합금, TiFe, Pd-M10, Li-M11, Mg-Co 합금, 및 La-Ni 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. M10 은 Ba, Y, 또는 La이고, M11은 Ti, V, Zr, Nb, 또는 Hf이다.
제1 용기(10)에 저장되는 고체상 수소 저장물질은 전술한 예시에 한정되지 않으며, 수소 연료전지의 수소 공급원으로 사용될 수 있는 물질이면 모두 가능하다. 하기 표 1에 고체상 수소 저장물질의 예시를 나타내었다.
화학 반응 반응 온도(℃)
1기압		 열량(kJ/kg)
Mg + H2 ↔ MgH2 259 2,831
NaH + Al + 1.5H2 ↔ NaAlH4 120~180 1,472
Al + 1.5H2 ↔ AlH3 125~175 380
MgH2 + 2B + 3H2 ↔ Mg(BH4)2 200~300 2,615
TiV0 . 62Mn1 .5 + H2 ↔ TiV0 . 62Mn1 . 5H2 -6 308
제2 용기(20)에 저장되는 열화학적 열에너지 저장물질은 촉매제 공급 시 촉매제와의 화학반응에 의해 발열하고, 열 공급 시 화학반응에 의해 금속산화물과 촉매제로 분리되는 물질이다. 제1 실시예에서 촉매제는 물(H2O)이고, 제4 용기(40)는 물을 저장한다. 제1 실시예에서 제2 용기(20)에 저장되는 열화학적 열에너지 저장물질은 마그네슘 하이드록사이드(Mg(OH)2) 및 칼슘 하이드록사이드(Ca(OH)2) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
Mg(OH)2는 열 공급 시 화학반응에 의해 MgO와 H2O(수증기)로 분리되며, 이때의 반응은 흡열 반응이다. 반대로 MgO에 물이 공급되면 화학반응에 의해 Mg(OH)2가 되며, 이때의 반응은 발열 반응이다. 마찬가지로 Ca(OH)2는 열 공급 시 화학반응(흡열 반응)에 의해 CaO와 H2O(수증기)로 분리되고, 반대로 CaO에 물이 공급되면 화학반응(발열 반응)에 의해 Ca(OH)2가 된다. 하기 표 2에 Mg(OH)2 및 Ca(OH)2의 반응식과 반응 온도(열저장 온도) 및 열량을 나타내었다.
화학 반응 반응 온도(℃)
1기압		 열량(kJ/kg)
Mg(OH)2 ↔ MgO + H2O 259 1,396
Ca(OH)2 ↔ CaO + H2O 479 1,288
이와 같이 열화학적 열에너지 저장물질은 가역적인 화학반응을 이용하므로 열 손실이 적고, 현열(sensible heat) 및 잠열(latent heat)을 이용하는 열에너지 저장물질보다 열에너지 저장 시간이 상대적으로 길어 주차와 같은 장시간 미사용 시에도 열에너지 보관이 가능하다.
제3 용기(30)에 저장되는 열전달 매체는 물, 공기, 및 오일로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 충전 과정을 도시한 구성도이다.
도 2를 참고하면, 제1 용기(10)에 수소가 충전된다. 그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 수소와 화학반응하며 발열한다. 제1 용기(10)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제2 용기(20)로 전달되어 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질에 열을 공급한다. 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질은 화학반응(흡열 반응)에 의해 금속산화물과 촉매제(H2O)로 분리되며, 열에너지를 저장한다.
수소 충전 과정에서, 열전달 매체는 제2 배관(D2)과 제3 배관(D3) 내부를 이동할 수 있다. 그리고 제2 용기(20)의 촉매제(H2O, 수증기)는 제6 배관(D6)과 제1 밸브(V1)에 의해 제4 용기(40)로 공급되어 제4 용기(40)에 물로 저장되거나 고체 수소 저장장치(100) 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 제2 용기(20)의 열에너지 저장량이 충분하지 않을 경우, 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 방출 과정을 도시한 구성도이다.
도 3을 참고하면, 제4 용기(40)에서 제2 용기(20)로 촉매제(H2O)가 공급된다. 그러면 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질이 촉매제(H2O)와 화학반응하며 열을 방출한다. 제2 용기(20)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제1 용기(10)로 전달되어 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질에 열을 공급한다. 그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하여 수소를 방출한다.
수소 방출 과정에서, 제4 용기(40)에 저장된 촉매제(H2O)는 제5 배관(D5)을 통해 제2 용기(20)로 공급되며, 열전달 매체는 제4 배관(D4)과 제1 배관(D1) 내부를 이동할 수 있다. 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하기 전 제2 용기(20)의 열 저장량이 고갈되거나 초기 냉시동 시 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 수소 저장장치의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 고체 수소 저장장치(200)에서 열화학적 열에너지 저장물질의 촉매제는 산소(O2)이고, 공기 공급장치(41)가 제1 실시예의 제4 용기를 대체한다. 제2 실시예에서 제2 용기(20)에 저장되는 열화학적 열에너지 저장물질은 코발트 산화물(Co3O4) 및 망간 산화물(Mn2O3) 가운데 1종 이상을 포함할 수 있다.
2Co3O4는 열 공급 시 화학반응에 의해 6CoO와 O2로 분리되며, 이때의 반응은 흡열 반응이다. 반대로 6CoO에 산소가 공급되면 화학반응에 의해 2Co3O4가 되며, 이때의 반응은 발열 반응이다. 마찬가지로 5Mn2O3는 열 공급 시 화학반응(흡열 반응)에 의해 5Mn3O4와 O2로 분리되고, 반대로 5Mn3O4에 산소가 공급되면 화학반응(발열 반응)에 의해 5Mn2O3가 된다. 하기 표 3에 Co3O4 및 Mn2O3의 반응식과 반응 온도(열저장 온도) 및 열량을 나타내었다.
화학 반응 반응 온도(℃)
1기압		 열량(kJ/kg)
2Co3O4 ↔ 6CoO + O2 870 1,703
5Mn2O3 ↔ 5Mn3O4 + O2 1,586 1,237
공기 공급장치(41)는 제7 배관(D7)에 의해 제2 용기(20)와 연결되어 제2 용기(20)로 촉매제(O2)를 공급한다. 제2 용기(20)에는 열에너지 저장 시 공기를 배출하기 위한 제8 배관(D8)(공기 배출관)과, 열 방출 시 잔여 공기를 배출하여 압력을 조절하기 위한 제9 배관(D9)(압력 조절관)이 연결 설치될 수 있다.
제9 배관(D9)에는 하나의 입력 포트(P4)와 두 개의 배출 포트(P5, P6)를 가지는 제2 밸브(V2)가 설치될 수 있다. 제2 밸브(V2)의 제3 배출 포트(P5)는 고체 수소 저장장치(200)의 외부로 개방될 수 있고, 제4 배출 포트(P6)는 제3 용기(30)를 경유하여 고체 수소 저장장치(200)의 외부로 개방된 제10 배관(D10)에 연결될 수 있다.
제2 실시예의 고체 수소 저장장치(200)는 전술한 구성을 제외하고 제1 실시예의 고체 수소 저장장치(100)와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어지며, 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 도 4에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 충전 과정을 도시한 구성도이다.
도 5를 참고하면, 제1 용기(10)에 수소가 충전된다. 그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 수소와 화학반응하며 발열한다. 제1 용기(10)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제2 용기(20)로 전달되어 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질에 열을 공급한다. 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질은 화학반응(흡열 반응)에 의해 금속산화물과 촉매제(O2)로 분리되며, 열에너지를 저장한다.
수소 충전 과정에서, 열전달 매체는 제2 배관(D2)과 제3 배관(D3) 내부를 이동할 수 있다. 그리고 제2 용기(20)의 촉매제(O2)는 제8 배관에 의해 고체 수소 저장장치(200) 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 제2 용기(20)의 열에너지 저장량이 충분하지 않을 경우, 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시한 고체 수소 저장장치의 수소 방출 과정을 도시한 구성도이다.
도 6을 참고하면, 공기 공급장치(41)에서 제2 용기(20)로 촉매제(O2)가 공급된다. 그러면 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질이 촉매제(O2)와 화학반응하며 열을 방출한다. 제2 용기(20)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제1 용기(10)로 전달되어 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질에 열을 공급한다. 그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하여 수소를 방출한다.
수소 방출 과정에서, 제4 용기(40)에 저장된 촉매제(O2)는 제7 배관(D7)을 통해 제2 용기(20)로 공급되며, 열전달 매체는 제4 배관(D4)과 제1 배관(D1) 내부를 이동할 수 있다. 그리고 제2 용기(20)의 압력 조절을 위해 제2 용기(20)의 잔여 공기가 제9 배관(D9)과 제2 밸브(V2)에 의해 고체 수소 저장장치(200) 외부로 배출될 수 있다.
이때 제2 용기(20)에서 배출되는 잔여 공기의 온도가 제3 용기(30)의 열전달 매체의 온도보다 낮은 경우 제3 배출 포트(P5)가 개방될 수 있고, 제2 용기(20)에서 배출되는 잔여 공기의 온도가 제3 용기(30)의 열전달 매체의 온도보다 높은 경우 제4 배출 포트(P6)가 개방될 수 있다. 후자의 경우 잔여 공기는 제3 용기(30)의 열전달 매체로 열량을 공급한 후 고체 수소 저장장치(200) 외부로 배출된다.
제9 배관(D9)에는 제2 용기(20)에서 배출되는 잔여 공기의 온도를 감지하는 온도 센서(도시하지 않음)가 설치될 수 있으며, 제어부(도시하지 않음)가 온도 센서의 측정 결과에 따라 제3 배출 포트(P5)와 제4 배출 포트(P6)의 개방을 제어할 수 있다. 후자의 경우 고체 수소 저장장치(200)의 열 효율을 더욱 높일 수 있다.
한편, 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하기 전 제2 용기(20)의 열 저장량이 고갈되거나 초기 냉시동 시 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 7과 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 자동차용 열관리 시스템의 구성도이다. 연료전지 자동차용 열관리 시스템은 '연료전지 시스템'으로 지칭될 수도 있다. 도 7에서는 수소 충전 과정을 도시하였고, 도 8에서는 수소 방출 과정을 도시하였다.
먼저 도 7을 참고하면, 제3 실시예의 연료전지 자동차용 열관리 시스템(300)은 연료전지 스택(60)과, 전술한 제1 실시예의 고체 수소 저장장치(100)와, 고체 수소 저장장치(100)의 제1 용기(10)와 연료전지 스택(60)에 연결 설치된 수소 공급관(71)과, 연료전지 스택(60)과 고체 수소 저장장치(100)의 제4 용기(40)에 연결 설치된 물 공급관(72)을 포함한다.
연료전지 스택(60)은 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하고 순수한 물을 배출하는 수소 연료전지 스택일 수 있다. 수소 공급관(71)은 제1 용기(10)의 수소 배출구와 연료전지 스택(60)의 연료 투입구를 연결하며, 물 공급관(72)은 연료전지 스택(60)의 물 배출구와 제4 용기(40)를 연결한다.
물 공급관(72)에는 하나의 유입 포트(P7)와 두 개의 배출 포트(P8, P9)를 가지는 제3 밸브(V3)가 설치될 수 있다. 제3 밸브(V3)의 제5 배출 포트(P8)는 제4 용기(40)에 연결될 수 있고, 제6 배출 포트(P9)는 연료전지 자동차용 열관리 시스템(300)의 외부와 연결될 수 있다.
제1 용기(10)에 수소가 충전되면, 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 수소와 화학반응하며 발열한다. 제1 용기(10)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제2 용기(20)로 전달되어 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질에 열을 공급한다. 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질은 화학반응(흡열 반응)에 의해 금속산화물과 촉매제(H2O)로 분리되며, 열에너지를 저장한다.
수소 충전 과정에서, 제2 용기(20)의 촉매제(H2O, 수증기)는 제6 배관(D6)과 제1 밸브(V1)에 의해 제4 용기(40)로 공급되어 제4 용기(40)에 물로 저장되거나 고체 수소 저장장치(100) 외부로 배출될 수 있다. 그리고 제2 용기(20)의 열에너지 저장량이 충분하지 않을 경우, 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 8을 참고하면, 제4 용기(40)에서 제2 용기(20)로 촉매제(H2O)가 공급된다. 그러면 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질이 촉매제(H2O)와 화학반응하며 열을 방출한다. 제2 용기(20)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제1 용기(10)로 전달되어 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질에 열을 공급한다.
그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하여 수소를 방출하고, 수소는 수소 공급관(71)을 통해 연료전지 스택(60)으로 공급된다. 연료전지 스택(60)은 수소와 산소를 공급받아 전기를 생산하며 반응 부산물로서 물을 배출한다. 배출된 물은 물 공급관(72)과 제3 밸브(V3)에 의해 제4 용기(40)로 전달되어 제4 용기(40)에 저장되거나, 연료전지 자동차용 열관리 시스템(300) 외부로 배출될 수 있다.
수소 방출 과정에서, 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하기 전 제2 용기(20)의 열 저장량이 고갈되거나 초기 냉시동 시 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 자동차용 열관리 시스템의 구성도이다. 연료전지 자동차용 열관리 시스템은 '연료전지 시스템'으로 지칭될 수도 있다. 도 9에서는 수소 충전 과정을 도시하였고, 도 10에서는 수소 방출 과정을 도시하였다.
먼저 도 9를 참고하면, 제4 실시예의 연료전지 자동차용 열관리 시스템(400)은 연료전지 스택(60)과, 전술한 제2 실시예의 고체 수소 저장장치(200)와, 고체 수소 저장장치(200)의 제1 용기(10)와 연료전지 스택(60)에 연결 설치된 수소 공급관(71)과, 고체 수소 저장장치(200)의 공기 공급장치(41)와 연료전지 스택(60)에 연결 설치된 공기 공급관(73)을 포함한다.
연료전지 스택(60)과 수소 공급관(71)은 제3 실시예와 동일하며, 공기 공급관(73)은 공기 공급장치(41)와 연료전지 스택(60)의 공기 투입관을 연결한다.
제1 용기(10)에 수소가 충전되면, 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 수소와 화학반응하며 발열한다. 제1 용기(10)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제2 용기(20)로 전달되어 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질에 열을 공급한다. 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질은 화학반응(흡열 반응)에 의해 금속산화물과 촉매제(O2)로 분리되며, 열에너지를 저장한다.
수소 충전 과정에서, 제2 용기(20)의 촉매제(O2)는 제8 배관(D8)을 통해 고체 수소 저장장치(200) 외부로 배출된다. 그리고 제2 용기(20)의 열에너지 저장량이 충분하지 않을 경우, 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
도 10을 참고하면, 공기 공급장치(41)에서 제7 배관(D7)을 통해 제2 용기(20)로 촉매제(O2)가 공급된다. 그러면 제2 용기(20)의 열화학적 열에너지 저장물질이 촉매제(O2)와 화학반응하며 열을 방출한다. 제2 용기(20)에서 발생한 열량은 열전달 매체에 의해 제3 용기(30)로 전달되어 열전달 매체를 가열하고, 가열된 열전달 매체는 제1 용기(10)로 전달되어 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질에 열을 공급한다.
그러면 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하여 수소를 방출하고, 수소는 수소 공급관(71)을 통해 연료전지 스택(60)으로 공급된다. 이와 동시에 공기 공급장치(41)에서 공기 공급관(73)을 통해 연료전지 스택(60)의 공기 투입구로 공기를 공급한다. 연료전지 스택(60)은 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하며 반응 부산물로서 물을 배출한다.
수소 방출 과정에서, 제1 용기(10)의 고체상 수소 저장물질이 반응 온도에 도달하기 전 제2 용기(20)의 열 저장량이 고갈되거나 초기 냉시동 시 보조 히터(50)가 작동하여 제1 용기(10)와 제2 용기(20) 중 적어도 하나에 열을 공급할 수 있다.
전술한 연료전지 자동차용 열관리 시스템(300, 400)에 따르면, 수소 방출을 위한 주 열원으로서 열화학적 열에너지 저장물질을 사용하므로 제1 용기(10)로의 열 공급을 위한 별도의 전원 공급이 필요 없으며, 초기 화학반응 시작 또는 긴급 상황 발생 시 보조 히터(50)를 잠시 가동하는 것 이외에 전력을 사용하지 않는다. 따라서 연료전지 스택(60)에서 생산한 전력을 온전히 차량 구동에 이용할 수 있으므로 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 가역성이 우수한 열화학적 열에너지 저장물질은 충전 및 방전 시 열 손실이 적고, 촉매제(H2O 또는 O2)를 이용하여 열 방출을 제어하므로 안전성이 우수하며, 친환경적이다. 또한, 난방이 필요한 경우 연료전지 스택(60)을 가동하지 않고 제2 용기(20)에 촉매제를 공급하면 제2 용기(20)에서 방출되는 열에너지로 난방이 가능하므로 에너지 효율을 높일 수 있다.
상기에서는 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.
100, 200: 고체 수소 저장장치
300, 400: 연료전지 자동차용 열관리 시스템
10: 제1 용기 20: 제2 용기
30: 제3 용기 40: 제4 용기
41: 공기 공급장치 50: 보조 히터
60: 연료전지 스택 71: 수소 공급관
72: 물 공급관 73: 공기 공급관
V1: 제1 밸브 V2: 제2 밸브
V3: 제3 밸브

Claims (15)

  1. 수소와 공기를 공급받아 전기를 생산하고 물을 배출하는 연료전지 스택;
    고체상 수소 저장물질을 수용하는 제1 용기와, 열화학적 열에너지 저장물질을 수용하는 제2 용기와, 열전달 매체를 수용하는 제3 용기와, 상기 제1 용기와 상기 제2 용기 및 상기 제3 용기에 연결 설치되며 상기 열전달 매체의 순환을 위한 배관부를 포함하는 고체 수소 저장장치; 및
    상기 제1 용기와 상기 연료전지 스택에 연결 설치된 수소 공급관
    을 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체상 수소 저장물질은 수소 흡장 시 발열하고, 열 공급 시 수소를 방출하는 물질을 포함하며,
    상기 열화학적 열에너지 저장물질은 촉매제 공급 시 발열하고, 열 공급 시 금속산화물과 촉매제로 분리되며 열에너지를 저장하는 물질을 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전달 매체는 상기 고체상 수소 저장물질의 수소 흡장 시 상기 제1 용기의 열량을 상기 제2 용기로 전달하고, 상기 열화학적 열에너지 저장물질에 상기 촉매제 공급 시 상기 제2 용기의 열량을 상기 제1 용기로 전달하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고체상 수소 저장물질은 금속착수소화물, 금속수소화물, 화학적 수소화물, 및 수소저장합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 촉매제는 물이고,
    상기 열화학적 열에너지 저장물질은 Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 가운데 1종 이상을 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고체 수소 저장장치는,
    상기 촉매제를 수용하는 제4 용기;
    상기 제4 용기와 상기 제2 용기에 연결 설치된 촉매제 공급관 및 촉매제 배출관; 및
    상기 촉매제 배출관에 설치된 제1 밸브
    를 더 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 하나의 유입 포트와, 상기 제4 용기에 연결된 제1 배출 포트와, 상기 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제2 배출 포트를 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 스택과 상기 제4 용기에 연결 설치된 물 공급관, 및
    상기 물 공급관에 설치된 제3 밸브를 더 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 밸브는 하나의 유입 포트와, 상기 제4 용기에 연결된 제5 배출 포트와, 상기 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제6 배출 포트를 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 촉매제는 산소이고,
    상기 열화학적 열에너지 저장물질은 Co3O4 및 Mn2O3 가운데 1종 이상을 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고체 수소 저장장치는,
    상기 제2 용기로 공기를 공급하는 공기 공급장치;
    상기 제2 용기에 설치되며 열에너지 저장 시 공기를 배출하는 공기 배출관; 및
    상기 제2 용기에 설치되며 열 방출 시 잔여 공기를 배출하는 압력 조절관
    을 더 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압력 조절관에 제2 밸브가 설치되며,
    상기 제2 밸브는 하나의 유입 포트와, 상기 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제3 배출 포트와, 상기 제3 용기를 경유하여 상기 고체 수소 저장장치의 외부와 연결된 제4 배출 포트를 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 압력 조절관으로 배출되는 잔여 공기의 온도가 상기 제3 용기의 열전달 매체의 온도보다 낮은 경우 상기 제3 배출 포트가 개방되고,
    상기 압력 조절관으로 배출되는 잔여 공기의 온도가 상기 제3 용기의 열전달 매체의 온도보다 높은 경우 상기 제4 배출 포트가 개방되는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 연료전지 스택과 상기 공기 공급장치에 연결 설치된 공기 공급관을 더 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 고체 수소 저장장치는 상기 제1 용기와 상기 제2 용기 중 적어도 하나에 열을 공급하는 보조 히터를 더 포함하는 연료전지 자동차용 열관리 시스템.
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