KR20220108253A - 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 누출수소의 제거 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 누출수소의 제거 시스템에 있어서, 입력된 수소로부터 전기를 생성하는 수소연료전지(170); 수소연료전지(170)를 내부에 수용하고, 밀폐된 수소제거챔버(110); 수소제거챔버(110)내에 설치되고, 수소연료전지(170)로부터 누출되는 수소의 농도를 검출하는 수소센서(180): 수소제거챔버(110)내의 산소 농도를 검출하는 산소센서(185); 수소센서(180)와 산소센서(185)의 출력들중 적어도 하나에 기초하여 수소제거챔버(110)내로 불활성가스를 주입하는 불활성가스 주입장치(120); 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 공기가 주입되는 제 1 공기주입부(145); 및 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 물을 배출하는 제 1 물배출구(155);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템이 제공된다.

Description

수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템{Leaked hydrogen removal system of hydrogen fuel cell vehicles}
본 발명은 누출수소의 제거 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소를 반응시켜 전기를 생성하고, 생성된 전기는 차량을 구동시키는데 사용된다. 도 5는 수소연료전지(170)의 화학적 원리를 설명하는 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 수소연료전지(170)로 수소가 주입되면, 수소가 수소반응극(172, 백금촉매)을 만나 수소이온과 전자로 분리된다([화학식 1] 참조). 이때 분리된 전자가 이동하면서 전력을 공급한다.
[화학식 1]
H2 → 2H+ + 2e-
그 다음, 수소이온과 산소가 산소반응극(176, 백금촉매)을 만나 물이 된다([화학식 2] 참조).
[화학식 2]
4H+ + O2 + 4e- → 2H2O
도 5에 도시된 바와 같이, 수소연료전지(170)에서 발생한 수소는 산소와 반응시켜 물로 전환시킨 후 배출된다. 그러나, 일부 수소는 반응이 불충분하거나 미반응하여 수소 자체로 남아서 유출되는 사례가 있다. 이와 같이 누출되는 수소는 폭발의 위험이 있으며, 연료전지의 효율을 감소시키기 때문에 반드시 제거해야만 한다.
1. 대한민국 특허등록 제 10-1660014 호(상온에서 수소를 제거할 수 있는 백금계 촉매),
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 연료전지로부터 누출되는 수소를 산화반응을 통해 물로 배출할 수 있도록 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 누출된 수소에 점화를 일으킬 수 있는 정전기와 같은 점화점 요소를 제거하고, 산화반응중 산소의 농도를 제어할 수 있는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 누출수소의 제거 시스템에 있어서, 입력된 수소로부터 전기를 생성하는 수소연료전지(170); 수소연료전지(170)를 내부에 수용하고, 밀폐된 수소제거챔버(110); 수소제거챔버(110)내에 설치되고, 수소연료전지(170)로부터 누출되는 수소의 농도를 검출하는 수소센서(180): 수소제거챔버(110)내의 산소 농도를 검출하는 산소센서(185); 수소센서(180)와 산소센서(185)의 출력들중 적어도 하나에 기초하여 상기 수소제거챔버(110)내로 불활성가스를 주입하는 불활성가스 주입장치(120); 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 공기가 주입되는 제 1 공기주입부(145); 및 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 물을 배출하는 제 1 물배출구(155);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템이 제공된다.
또한, 불활성가스는 질소일 수 있다.
또한, 수소제거챔버(110)의 내면 및 수소연료전지(170)의 외면중 적어도 하나는 정전기 방지를 위해 세라믹 코팅층(190)을 더 포함한다.
또한, 수소제거챔버(110)의 내부에는 탈착 가능한 촉매담지부(130)가 더 구비된다.
또한, 수소제거챔버(110)의 내부에는 수분을 흡수하기 위한 제올라이트 흡습제(200)가 더 구비되고, 제올라이트 흡습제(200)가 교체될 수 있도록 제올라이트 흡습제(200)를 위치고정하는 슬롯장치(210)를 더 포함한다.
또한, 수소제거챔버(110)를 통해 수소연료전지(170)로 연결되는 제 2 공기주입부(140); 수소제거챔버(110)를 통해 수소연료전지(170)로 연결되는 제 2 물배출구(150); 및 수소연료전지(170)로부터 수소제거챔버(110)를 통해 외부로 노출되는 전극(160);중 적어도 하나를 더 포함한다.
또한, 수소제거챔버(100)가 탈착 가능하게 수용되는 프레임(20)을 더 포함하고, 프레임(20)은 차량(10)에 탑재된다.
또한, 프레임(20)과 차량(10) 사이에는 서스펜션(30)이 더 구비된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 연료전지로부터 누출되는 수소를 산화반응을 통해 물로 배출할 수 있다. 이로서 수소로 인한 폭발의 위험성을 낮출 수 있고, 연료전지의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 누출된 수소에 점화를 일으킬 수 있는 정전기와 같은 점화점 요소를 세라믹 코팅을 통해 근본적으로 제거할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템이 차량(10)으로부터 제거된 상태를 나타내는 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 프레임(20)에 본 발명의 일실시예에 따른 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템이 탑재된 상태를 나타내는 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 누출수소 제거시스템(100)의 개략적인 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 누출수소 제거시스템(100)의 변형예를 나타내는 사시도,
도 5는 수소연료전지(170)의 화학적 원리를 설명하는 개략도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템이 차량(10)으로부터 제거된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 프레임(20)에 본 발명의 일실시예에 따른 수소연료전지 운행 차량의 누출수소 제거 시스템이 탑재된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 차량(10)은 승용차, 버스, 대중교통, 화물트럭, 중장비, 열차, 지하철, 고속철, 이륜차, 퍼스널 모빌리티(퀵보드) 등이 될 수 있다. 차량(10)은 수소연료전지(160)로부터 생산된 전력을 이용하는 모터(미도시)를 구동시키며, 모터의 구동력으로 주행된다.
프레임(20)은 차량(10) 내부의 일측(엔진룸, 트렁크룸 등)에 구비되고, 내부에 누출수소 제거시스템(100)이 탈착 가능하게 수용된다. 차량(10)에서 발생하는 진동이 전달되지 못하도록 하기 위해 프레임(20)은 서스펜션(30)에 의해 지지된다. 서스펜션(20)은 스프링, 댐퍼, 쇼크 압소버 등의 조합으로 구성될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 누출수소 제거시스템(100)의 개략적인 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 수소제거챔버(110)는 밀폐된 용기이며, 육면체, 원통 형상이 될 수 있다. 수소제거챔버(110)는 금속재, 합성수지재 등으로 제작될 수 있다. 수소제거챔버(110)의 내면은 정전기 발생을 방지하기 위해 세라믹 코팅층(190)을 형성할 수 있다.
수소연료전지(170)는 수소제거챔버(110)의 내부 일측에 고정되고, 공급되는 수소를 이용하여 전기를 생성한다. 이러한 수소연료전지(170)의 외면은 정전기 발생을 방지하기 위해 세라믹 코팅층(190)을 형성할 수 있다.
전극(160)은 수소연료전지(170)와 전기적으로 연결되고, 수소제거챔버(110)의 외부로 노출되어 단자를 형성한다.
수소센서(180)는 수소제거챔버(110)의 내부에 구비되며, 수소제거챔버(110) 내에서 누출된 수소의 농도를 검출한다.
산소센서(185)는 수소제거챔버(110)의 내부에 구비되며, 수소제거챔버(110) 내의 산소 농도를 검출한다.
제 1 공기주입부(145)는 수소제거챔버(110)에 연결되어 수소제거챔버(110)의 내부로 공기(산소 포함)를 공급한다.
제 2 공기주입부(140)는 수소제거챔버(110)를 통과한 후 수소연료전지(170)에 연결된다. 제 2 공기주입부(140)는 수소연료전지(170)가 필요로 하는 공기(산소 포함)를 공급한다.
제 1 물배출구(155)는 수소제거챔버(110)에 연결되어 수소제거챔버(110)에 발생한 물을 외부로 배출한다.
제 2 물배출구(150)는 수소제거챔버(110)를 통과한 후 수소연료전지(170)에 연결된다. 제 2 물배출구(150)는 수소연료전지(170)에서 발생한 물을 외부로 배출한다.
불활성기체 주입장치(120)는 수소제거챔버(110) 내부에 수용되며, 수소제거챔버(110) 내부로 불활성기체(예 : 질소, 아르곤, 헬륨 등)를 주입한다. 불활성기체 주입장치(120)는 수소센서(180)와 산소센서(185)의 출력신호들에 기초하여 질소의 주입량을 제어한다. 즉, 불활성기체 주입장치(120)는 누출된 수소의 양에 맞는 산소 농도가 되도록 질소를 수소제거챔버(110) 내로 주입한다. 이를 위해 불활성기체 주입장치(120)의 내부에는 별도의 제어부(예 : 마이컴)를 구비할 수 있다. 그리고, 불활성기체 주입장치(120)의 외면은 정전기 발생을 방지하기 위해 세라믹 코팅층(190)을 형성할 수 있다.
촉매담지부(130)는 누출된 수소의 산화반응을 위한 것으로 백금촉매를 포함할 수 있다. 촉매담지부(130)는 수소제거챔버(110)로부터 탈착 가능하도록 구성된다.
도 4는 도 3에 도시된 누출수소 제거시스템(100)의 변형예를 나타내는 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제올라이트 흡습제(200)와 슬롯장치(210)를 더 포함한다.
제올라이트 흡습제(200)는 수소제거챔버(110) 내부의 수분을 흡수하여 제거하기 위한 것이다. 제올라이트 흡습제(200)는 제 1 물배출구(155)를 통해 배출되고 남은 잔여 수분을 제거하는데 사용된다. 제올라이트 흡습제(200)는 슬롯장치(210) 상에 탈착 가능하게 위치 고정된다.
슬롯장치(210)는 수소제거챔버(110) 내부에 설치되며, 제올라이트 흡습제(200)의 위치를 유지하도록 하고, 수명이 다 된 경우 손쉽게 교체할 수 있도록 한다.
실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 수소연료전지(170)는 별도로 공급되는 수소, 제 2 공기주입부(140)를 통해 공급되는 산소를 이용하여 전기를 생산한다. 생산된 전기는 전극(160)을 통해 차량(10)으로 전달되어 모터(미도시)를 구동시키는데 사용된다. 그리고, 수소연료전지(170)에서 배출되는 물은 제 2 물배출구(150)를 통해 외부로 배출된다.
이때, 수소연료전지(170)로부터 누출되는 수소는 수소제거챔버(110)의 내부에 모이게 된다. 그러나, 수소제거챔버(110)의 내면이 세라믹 코팅층(190)을 형성하고 있기 때문에 정전기와 같은 스파크 점화 요소를 배제된다.
수소센서(180)는 누출된 수소의 농도를 측정하여 불활성가스주입장치(120)로 전송한다. 아울러, 산소센서(185)는 제 1 공기주입부(145)로부터 공급되는 공기(산소 포함)에 기초하여 수소제거챔버(110) 내부의 산소 농도를 측정하고, 그 결과를 불활성가스주입장치(120)로 전송한다.
불활성가스주입장치(120)는 수신된 수소농도에 대응하여 산화반응이 일어날 수 있도록 질소를 주입한다. 질소의 주입량은 산소센서(185)의 산소농도를 피드백신호로 하여 결정한다. 이로써, 수소제거챔버(110) 내부에서 촉매담지부(130)의 촉매반응으로 인해 산화반응이 일어나고 물이 생성된다. 생성된 물의 대부분은 제 1 물배출구(155)를 통해 외부로 배출되고, 남아 있는 소량의 물은 제올라이트 흡습제(200)에 흡수된다.
그리고, 차량(10)의 운행중 발생하는 진동은 서스펜션(30)에 의해 흡수되거나 감쇠되어 누출수소 제거시스템(100)으로는 전달되지 않게 된다.
또한, 필요한 경우, 누출수소 제거시스템(100)을 프레임(20)으로 탈착하여 편리하게 점검, 유지 보수할 수 있고, 다시 프레임(20)에 장착할 수 있다. 이때, 제 1, 2 공기주입부(145, 140), 제 1, 2 물배출구(155, 150)는 퀵스냅 포트 방식으로 편리하게 연결하거나 분리할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : 차량,
20 : 프레임,
30 : 서스펜션,
100 : 누출수소 제거시스템,
110 : 수소제거챔버,
120 : 불활성가스 주입장치,
130 : 촉매담지부,
140 : 제 2 공기주입부,
145 : 제 1 공기주입부,
150 : 제 2 물배출구,
155 : 제 1 물배출구,
160 : 전극,
170 : 수소연료전지,
172 : 수소반응극,
174 : 전해질막,
176 : 산소반응극,
180 : 수소센서,
185 : 산소센서,
190 : 세라믹 코팅층,
200 : 제올라이트 흡습제,
210 : 슬롯장치.

Claims (9)

  1. 누출수소의 제거 시스템에 있어서,
    입력된 수소로부터 전기를 생성하는 수소연료전지(170);
    상기 수소연료전지(170)를 내부에 수용하고, 밀폐된 수소제거챔버(110);
    상기 수소제거챔버(110)내에 설치되고, 상기 수소연료전지(170)로부터 누출되는 수소의 농도를 검출하는 수소센서(180):
    상기 수소제거챔버(110)내의 산소 농도를 검출하는 산소센서(185);
    상기 수소센서(180)와 상기 산소센서(185)의 출력들중 적어도 하나에 기초하여 상기 수소제거챔버(110)내로 불활성가스를 주입하는 불활성가스 주입장치(120);
    상기 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 공기가 주입되는 제 1 공기주입부(145); 및
    상기 수소제거챔버(110)의 내부와 연통하고, 물을 배출하는 제 1 물배출구(155);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성가스는 질소인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소제거챔버(110)의 내면 및 상기 수소연료전지(170)의 외면중 적어도 하나는 정전기 방지를 위해 세라믹 코팅층(190)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소제거챔버(110)의 내부에는 탈착 가능한 촉매담지부(130)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소제거챔버(110)의 내부에는 수분을 흡수하기 위한 제올라이트 흡습제(200)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제올라이트 흡습제(200)가 교체될 수 있도록 상기 제올라이트 흡습제(200)를 위치고정하는 슬롯장치(210)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소제거챔버(110)를 통해 상기 수소연료전지(170)로 연결되는 제 2 공기주입부(140);
    상기 수소제거챔버(110)를 통해 상기 수소연료전지(170)로 연결되는 제 2 물배출구(150); 및
    상기 수소연료전지(170)로부터 상기 수소제거챔버(110)를 통해 외부로 노출되는 전극(160);중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소제거챔버(100)가 탈착 가능하게 수용되는 프레임(20)을 더 포함하고,
    상기 프레임(20)은 차량(10)에 탑재되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 프레임(20)과 상기 차량(10) 사이에는 서스펜션(30)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 차량의 누출 수소 제거 시스템.
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