KR20230051314A - 차량 연료 전지 시스템의 열 관리 방법 - Google Patents

차량 연료 전지 시스템의 열 관리 방법 Download PDF

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Abstract

- 수소 전지, - 복수의 암모니아 저장 카트리지(16), - 각 카트리지(16)를 전지(6)에 연결하는 주입 회로(20), - 열 전달 유체를 포함하고 있는 전지 냉각 회로(8), - 라디에이터(14) 를 포함하는 이 차량용 전력 공급 시스템(2)내 열 관리 방법에 있어, 카트리지(16) 중 적어도 하나가 능동형이고 카트리지(16) 중 적어도 하나는 수동형으로서, a) 능동 카트리지(16) 중 적어도 하나의 내부에서 암모니아의 압력이 증가하는 단계, b) 수동 카트리지(16) 중 적어도 하나에서 전지(6)로부터 나오는 열 전달 유체가 순환되는 단계, c) 능동 카트리지(16) 중 하나에서 암모니아의 탈착 속도가 빨라지고, 탈착된 암모니아의 일부는 수동 카트리지(16) 중 하나에 저장되는 단계 중 적어도 한 단계가 구현된다.

Description

차량 연료 전지 시스템의 열 관리 방법
본 발명은 차량내 열 관리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량용 연료전지 전력 공급 시스템 및 그러한 시스템의 열 관리 방법에 관한 것이다.
자동차의 경우 에너지원에 의해 에너지를 공급받아 차량을 움직이게 할 수 있는 구동 수단을 포함하고 있다. 가장 널리 사용되는 에너지원 중 하나는 연료로 가동하는 내연기관이다. 그러나 연료의 연소는 대기를 오염시키는 이산화탄소를 발생시키므로 오염이 적은 에너지원을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
내연기관을 대체하기 위해 연료 전지, 예컨대 수소전지를 사용하는 것은 이미 잘 알려져 있다. 이수소(dihydrogen) 형태의 수소가 연료 전지에 의해 산화되면 전지는 구동수단에 에너지를 공급하기 위한 전기를 생산하고 열을 발생시킨다. 수소는 저장 카트리지내 염에 흡수 또는 흡착되는 기체 암모니아 형태로 저장 가능하다. 이는 수소를 저장하는 확실한 방법이다. 따라서, 연료 전지에 공급 가능한 이수소를 형성하려면 암모니아가 염으로부터 탈착 후 분해(cracking)되어야 한다.
간결성을 고려하여, 본 발명의 설명에 있어, 흡수 및 탈착이라는 용어는 이러한 저장이 흡수 또는 흡착에 의해 이루어지는 한, 염 상의 또는 염으로부터의 기체 암모니아 저장 및 방출을 각각 지칭하는 데 사용될 것이다.
이른바 '저온' 전지는 일반적으로 60℃ 내지 80℃의 온도에서 최적의 가동 상태를 보인다. 따라서, 전지 온도가 이 수치를 지나치게 벗어나지 않도록 이수소 산화에 의해 발생된 열을 배출할 필요가 있다.
이를 위해, 전지의 열을 흡수하고자 냉각 유체를 전지와 접촉하도록 통과시키는 방식은 이미 잘 알려져 있는데, 이때 열은 라디에이터를 이용해 주위 공기에 의해 소산된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 해법은 전지를 최적의 가동 온도로 유지하는 데 충분하지 않을 수 있다. 실제로, 예컨대 여름 및/또는 기후가 더운 나라에서처럼 주위 공기의 온도 자체가 높다면, 주위 공기와 전지의 온도 차로는 라디에이터가 전지를 최적의 가동 온도로 유지시키기에 충분한 양의 열을 발산시킬 수 없다. 또한, 전지가 더욱 많은 량의 전기 에너지를 전달해야 하는 단계에서는, 그래서 더 많은 열을 발생시키는 동안에는, 라디에이터가 이 과도한 열을 소산시키기에 불충분할 수도 있다.
국제특허 제 WO2011107279호는 전지에 의해 발생된 열의 일부를 저장 카트리지내 암모니아의 탈착을 위해 사용할 것을 제안하고 있는데, 이러한 탈착 반응은 흡열반응이다. 이 때문에 라디에이터 외에, 전지에 의해 발생된 열의 또 다른 배출원을 가질 수 있다. 그러나, 이것만으로는 전지의 온도를 최적의 가동 온도로 유지하기에는 여전히 충분치 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 전지를 집중적으로 사용하는 단계에서 전지로부터 훨씬 더 많은 열을 배출할 수 있도록 함으로써 이러한 문제를 해결하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따라,
- 이수소를 공급할 수 있는 연료전지,
- 매트릭스에 흡수되는 형태의 암모니아를 저장하는 복수의 저장 카트리지,
- 각 카트리지의 출구를 전지의 입구에 연결하는 주입 회로,
- 각 카트리지에 암모니아를 공급하는 분기를 포함하고 있으며 열 전달 유체가 순환하는, 전지 냉각 회로, 및
- 열 전달 유체를 냉각시킬 수 있는 라디에이터
를 포함하되, 카트리지 중 적어도 하나가 주입 회로 내 기체 암모니아를 방출하는 능동 상태이고 카트리지 중 적어도 하나는 주입 회로 내 기체 암모니아를 방출하지 않는 수동 상태로서,
a) 능동 상태의 카트리지 중 적어도 하나의 내부에서 암모니아의 압력이 증가하는 단계
b) 수동 상태의 카트리지 중 적어도 하나에서 전지로부터 나오는 열 전달 유체가 순환되는 단계
c) 능동 상태의 카트리지 중 하나에서 암모니아의 탈착 속도가 빨라지고, 탈착된 암모니아의 일부는 다른 카트리지 중 하나에, 바람직하게는 수동 상태의 카트리지 중 하나에 저장되는 단계
중 적어도 하나가 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템내 열 관리 방법을 제공한다.
그리하여, 암모니아 저장 카트리지 내부에서 일시적으로 열 요구가 발생할 수 있다. a) 단계는 카트리지 내 열역학적 평형을 이동시킬 수 있다. 카트리지 내 암모니아 압력 증가를 허용함으로써, 평형에 도달하는 데 필요한 온도와 그에 따른 상기 카트리지의 열 요구가 증가할 수 있다. 달리 말하면, 카트리지가 더 많은 열을 흡수하게 하여 카트리지의 온도를 높임으로써, 간접적으로 카트리지내 암모니아의 압력을 높이는 결과를 가져온다. b) 단계에서는, 수동 상태의 카트리지 중 적어도 하나를 능동 상태로 전환하지 않고 그대로 열을 저장할 수 있다. 그리고 c) 단계에서는, 능동 상태의 카트리지 중 적어도 하나에서 전지의 순간 소비량 대비, 과량의 암모니아를 생성시켜, 해당 카트리지의 과도한 열 소비를 발생시킬 수 있다.
이러한 각 단계를 통해, 카트리지의 열 소비량을 일시적으로 증가시켜, 전지가 최적의 사용 온도에 가까운 온도로 유지되도록 라디에이터를 이용해 제거할 필요가 있는, 전지의 발열량을 감소시킬 수 있다.
유리하게는, a), b) 및 c) 중 적어도 두 단계가 구현된다.
유리하게는, a), b) 및 c) 세 단계가 구현된다.
따라서, 시스템에서 소비되는 전지의 열 방출량을 더욱 증가시킬 수 있다. 또한, 이를 통해 카트리지에서 소비되는 열에너지의 양을 기민하게 조정할 수 있다.
특정 실시방식에 있어, 전지의 전력을 감소시키는 d) 단계가 구현된다.
유리하게는, a) 단계에서, 능동 상태의 카트리지 중 적어도 하나의 압력이 3바(bar) 보다 큰 값, 바람직하게는 4바 보다 큰 값, 바람직하게는 5바 보다 큰 값으로 증가한다.
그러한 압력 증가로 카트리지의 열역학적 평형 온도를 유의미하게 상승시킬 수 있다. 예컨대, 염화칼슘 매트릭스의 경우 압력이 2바에서 5바로 증가하면 평형 온도가 약 45°C에서 65°C로 이동한다.
유리하게는, 카트리지가 각기 암모니아를 흡수 및 탈착시킬 수 있는 염화칼슘 매트릭스를 포함한다.
이 염은 암모니아를 효과적으로 저장할 수 있도록 한다.
보다 일반적으로, 상기 매트릭스는 일반식 Ma(NH3)nXz 염의 형태일 수 있는데, 여기에서 M은 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K) 또는 세슘(Cs) 같은 알칼리 금속, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr) 같은 알칼리 토금속, 및/또는 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 같은 전이 금속 또는 알루미늄 나트륨(NaAl), 알루미늄 칼륨(Kal), 망간 이(II) 칼륨(K2Zn), 구리 세슘(CsCu) 또는 철 이칼륨(K2Fe) 같은 전이금속의 화합물 가운데에서 선택된 단수 또는 복수의 양이온이며, X는 불화물(fluoride), 염화물(chloride), 브롬화물(bromide), 요오드화물(iodide), 질산 이온, 티오시안산염(thiocyanate), 황산염(sulfate), 몰리브덴산염(molybdate) 및 인산염(phosphate) 가운데 선택된 단수 또는 복수의 음이온, a는 염 분자당 양이온 수, z는 염 분자당 음이온 수이고 n은 2 내지12의 배위수이다.
유리하게는, 주입 회로가 암모니아를 이질소, 이수소 및 암모니아를 포함하는 기체 혼합물로 변환시킬 수 있는 암모니아 분해 모듈(cracking module)과, 필요한 경우 기체 혼합물의 암모니아 함량을 감소시킬 수 있는 정화 모듈(purification module)을 포함한다.
그래서, 전지에 특히 순수한 이수소 기체 혼합물을 공급할 수 있다. 이 때문에 특히 본 발명을, 가동하는 데 고순도 수소를 필요로 하는, 영문 용어로 '양성자 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)', 약칭 'PEMFC' 형 전지에 적용 가능하다.
유리하게는, 상기 방법이 차량 내에서 구현된다.
마찬가지로 본 발명에 따라,
- 이수소를 공급할 수 있는 연료전지,
- 매트릭스에 흡수되는 형태의 암모니아를 저장하는 복수의 저장 카트리지,
- 각 카트리지의 출구를 전지의 입구에 연결하는 주입 회로,
- 각 카트리지에 암모니아를 공급하는 분기를 포함하고 있으며 열 전달 유체가 순환하는, 전지 냉각 회로,
- 열 전달 유체를 냉각시킬 수 있는 라디에이터, 및
- 전술한 바와 같은 열 관리 방법을 구현할 수 있는 제어 유닛,
을 포함하는 차량용 전력 공급 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 따라 전술한 바와 같은 전력 공급 시스템을 포함하는 자동차도 제공한다.　
이제부터 단지 예시로서 제공되고 별첨 도면을 참조하여 이루어진 이하의 상세한 설명을 바탕으로 본 발명을 제시하고자 한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 방식에 따른 차량용 전력 공급 시스템을 도시한 도면이고,
도 2 는 본 발명의 제 2 실시 방식에 따른 차량용 전력 공급 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에서는 본 발명의 제1 실시 방식에 따른 차량(4)용 전력 공급 시스템(2)을 도시하였다.
전력 공급 시스템(2)은 수소 연료 전지(6)를 포함한다. 보다 구체적으로는, 영문 용어로 '알칼리막 연료 전지(Alkaline Membrane Fuel Cell), 약칭 'AMFC', 또는 영문 용어로 '양성자 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)', 약칭 'PEMFC'로 통상 지칭되는 유형의 전지일 수 있다. 이러한 유형의 전지는 최신 기술로서 이미 잘 알려져 있어, 그 가동 방식에 대해서는 자세히 설명하지 않겠다.
전지(6)는 이수소를 공급받아 이를 산화시킴으로써 전기 에너지를 생산하여 차량(4)의 구동 수단(도시되지 않음)에 전달하도록 배치된다. 이러한 산화 반응은 발열반응이므로, 전지(6) 가동시 전지의 온도를 상승시키는 열을 발생시킨다.
전지(6)의 냉각을 위해, 전력 공급 시스템(2)은 전지 냉각 회로(8)를 포함한다. 이 냉각 회로(8)는 열 전달 유체가 흐르는 도관을 포함하되, 열 전달 유체는 전지(6)와 접촉하며 도관을 통과하므로 전지(6)와의 열 교환이 가능하다. 이때 전지는 최적의 사용 온도, 여기에서는 약 70℃ 로서, 최대효율에 도달하게 된다. 전지(6)의 온도를 모니터링하기 위해, 냉각 회로(8)는 냉각 회로(8)내 열 전달 유체의 순환 방향을 고려하여 전지(6)의 상류 및 하류에 위치한 온도 센서(10)를 포함한다. 냉각 회로(8)내 열 전달 유체의 순환은 전지(6)의 출구에 위치한 펌프(12)에 의해 허용된다. 냉각 회로(8)내 열 전달 유체의 순환 방향은 도 1에 화살표로 표시되어 있다.
전력 공급 시스템(2)은 냉각 회로(8)가 지나가는 라디에이터(14)를 포함한다. 라디에이터(14)는 주위 공기에 노출돼 있어, 라디에이터(14)를 통과하는 열 전달 유체가 주위 공기와의 열 교환을 통해 냉각될 수 있다.
전력 공급 시스템(2)은, 이수소의 전구체로서 기체 암모니아의 저장을 허용하는 매트릭스(18)가 각기 포함된 복수의 저장 카트리지(16)를 포함한다. 암모니아는 매트릭스(18)로 흡수되고 매트릭스(18) 상에 흡착될 수도 있다. 이를 위해, 매트릭스(18)는 염, 예컨대 염화칼슘으로 구성될 수 있다. 이 염은, 한 개의 염화칼슘 분자가 여덟 개의 암모니아 분자와 결합체를 형성할 수 있다는 점에서 특히나 적합하다.
전력 공급 시스템(2)은 각 카트리지(16) 출구를 전지(6)의 입구에 연결하는 주입 회로(20)를 포함한다. 주입 회로(20)의 기능은 암모니아를 카트리지(16)에서 전지(6) 쪽으로 이동시키는 것이다. 주입 회로(20)는 각 카트리지(16)의 출구에 암모니아의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(10) 및 체크밸브(non-return valve)(21)를 포함한다. 체크밸브(21)는 카트리지(16)가 주입 회로(20) 입구보다 높은 암모니아 압력을 가짐으로써 암모니아를 탈착시켜 주입 회로(20)에 주입 가능하도록 한다.
주입 회로(20)는 전지(6) 방향으로 이송되는 암모니아의 정량 주입을 가능하게 하는 정량 유닛(dosing unit)(22)을 포함한다. 정량 유닛(22) 입구에는 정량 유닛(22)으로 들어가는 암모니아의 압력 측정을 위해 압력 센서(24)가 배치된다.
주입 회로(20)는, 주입 회로(20)내 암모니아 순환 방향을 고려하여 정량 유닛(22)의 하류에 위치하며, 암모니아의 분해 반응이 진행되는 분해 모듈(cracking module)(26)을 포함한다. 이 반응을 통해 암모니아로부터 이질소, 이수소 및 암모니아를 포함하는 기체 혼합물을 생성시킬 수 있다.
주입 회로(20)는, 주입 회로(20)내 암모니아 순환 방향을 고려하여 분해 모듈(26)의 하류에 위치하며, 기체 혼합물의 암모니아 함량을 감소시킬 수 있는 정화 모듈(28)을 포함한다. 이 정화 단계는 전지가 특히 순수 이수소의 공급을 요하는 'PEMFC'형인 경우에 중요하다. 정화 모듈(28) 출구에서, 이수소의 산화를 위해 기체 혼합물을 전지(6)에 공급한다.
한편, 냉각 회로(8)는 펌프(12) 출구를 통해 공급 받는 삼방 밸브(three-way valve)(30)를 포함한다. 펌프(12)에서 나온 열 전달 유체는 일부가 라디에이터(14) 방향으로 가게 된다. 그리고 열 전달 유체의 다른 부분은 각 카트리지(16)에 암모니아를 공급하는 분기(32) 방향으로 간다. 분기(32)는 카트리지(16)가 병렬 장착 가능하도록 배치된다. 카트리지(16)에 암모니아를 공급하는 각 분기(32)에는 비상 안전 밸브(fail safe valve)(34)가 설치됨으로써, 열 전달 유체가 통과해야 하는 카트리지(16)를 언제든 제어할 수 있다. 카트리지(16)에서 나온 열 전달 유체는 냉각 회로(8)를 거쳐 라디에이터(14) 방향으로 가게 된다.
전력 공급 시스템(2)의 경우 전력 공급 시스템 요소들의 가동 상태를 제어할 수 있는 제어 유닛(control unit)(36)을 포함한다.
이제부터 제어 유닛(36)에 의해 차량 내에 구현되는 전력 공급 시스템(2)의 열 관리 방법을 기술하고자 한다.
공칭 가동 단계(nominal operating phase)에서, 전지(6)는 약 100kW의 전력 생산을 가능하게 한다. 상기 전지의 효율은 약 50%로, 200kW의 화력(chemical power)을 소비하고 열의 형태로 100kW의 화력(thermal power)을 생산한다. 이 정도의 화력(chemical power)을 얻기 위해서는, 10.75g/s의 암모니아 질량 유량(0.63mol/s의 몰 유량에 해당)을 전지에 공급해야 한다. 이를 위해, 카트리지(16) 중 일부는 기체 암모니아를 주입 회로(20)로 방출하는 능동 상태인 반면, 나머지 카트리지(16)는 기체 암모니아를 회로로 방출하지 않는 수동 상태이다. 상기 초당 유량의 암모니아를 탈착시키려면 카트리지(들)(16)에서 26kW의 화력을 소비해야 한다. 고로, 나머지 74kW의 화력은, 전지(6)의 온도 상승으로 최적의 사용온도를 초과할 수도 있는 상황을 방지하기 위해서, 특히 라디에이터(14)에 의해 배출되어야 한다.
주위 공기의 온도에 따라, 라디에이터(14)는 배출해야 할 화력 전량을 소산시키지 못할 수도 있다. 또한, 차량(4)이 전지(6)에 더 큰 전력을 요구할 수도 있는데, 그만큼 소산시켜야 할 화력도 더 커지게 된다.
전력 공급 시스템(2)에 의해 소산된 화력을 일시적으로 증가시키기 위해서, 제어 유닛(36)은 다음 작업 중 적어도 하나를 구현한다:
a) 능동 상태의 카트리지(16) 중 적어도 하나의 내부 암모니아 압력이 증가한다. 이 때문에 해당 카트리지(들)내 열역학적 평형의 이동이 가능해진다. 이로써, 평형에 도달하는 데 필요한 온도가 증가하므로 상기 카트리지의 열 요구가 증가하게 된다. 이 경우, 압력이 2바에서 5바(절대값)로 증가하면 평형 온도는 약 45°C에서 65°C로 이동한다. 따라서, 이러한 평형을 유지하려면 해당 카트리지(들)가 전지에서 방출되는 더 많은 열을 흡수해야 한다.
b) 전지(6)에서 나오는 열 전달 유체를 수동 상태의 카트리지(16) 중 적어도 하나에서 순환시킨다. 해당 카트리지(들)내 온도가, 카트리지(들)을 활성화시키는, 다시 말해 암모니아가 주입 회로(20)에 공급되기 위해 이들 카트리지에서 탈착되기 시작하는 임계 온도를 초과해서는 안 되므로 모니터링을 해야 한다. 그럼에도 불구하고, 이 임계 온도에 도달하기 전에, 카트리지는 일정량의 열 에너지를 흡수할 수 있다.
d) 가능한 경우, 전지(6)에 의해 생성된 전력을 감소시킬 수 있다. 그 결과 전지(6)에 의해 생성된 화력이 감소하고, 마찬가지로 라디에이터(14)에 의해 소산되어야 할 화력 및, 라디에이터(14)에 소산되어야 하나 소산되지 않는 나머지 화력까지도 감소 가능하다.
라디에이터(14)에 의해 소산되지 않는 화력에 따라서, a) 및 b), 그리고 가능하면 d) 작업 중에서 하나 또는 두 가지를 선택하여 구현할 수 있다. 또한, 이들 작업은 다른 기간에도 구현될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 전지(6)에 의해 발생된 화력의 소산과 관련하여 기민한 관리가 가능하도록 한다는 사실을 알 수 있다.
도 2에서는 본 발명의 제 2 실시 방식에 따른 차량(4)용 전력 공급 시스템(2')을 도시하였다. 제1 실시 방식의 요소와 유사한 요소의 경우 동일한 참조번호를 갖는다.
본 발명의 제2 실시 방식은 주입 회로(20)가 정량 유닛(22)의 반대 방향에, 카트리지(16)와 병렬 배치되고 제어 유닛(36)에 의해 제어되는 비상 안전 밸브(34)에 의해 개폐가 보장되는 재순환 회로(38)를 포함하고 있다는 점에서 제1 실시 방식과 상이하다. 재순환 회로(38)는, 상기 밸브의 하류에, 각 카트리지(16)내 재삽입 분기(reinsertion branch)(40)를 포함하되, 각 재삽입 분기(40)는 암모니아가 재삽입 분기(40)를 통해 카트리지(16)에서 빠져나가는 것을 방지하기 위해 배치된 체크 밸브(21)를 포함하고 있다.
본 시스템(2')은 제1 실시 방식에 따른 시스템과 동일한 방식으로 가동된다. 또한, 상기 시스템에 의해 소비되는 화력 증가를 위해 다음과 같은 또 다른 작업을 구현할 수 있다.
c) 능동 상태의 카트리지(16) 중 하나의 암모니아 탈착 속도가 빨라지고, 탈착된 암모니아의 일부는 수동 상태의 카트리지(16) 중 하나에 저장된다. 탈착된 과잉 암모니아는 재순환 회로(38)를 거쳐, 압력 차 에 의해서, 대응하는 재삽입 분기(40)의 체크 밸브(21)를 통해 수동 상태의 카트리지(16)로 돌아가게 된다.
a) 및 b), 그리고 가능하면 d) 작업도 시스템(2')에 의해 사용되는 화력의 증량을 위해 c) 작업과 동시에 구현 가능하다.
본 발명은 도시된 실시 방식들로 제한되지 않으며, 다른 실시 방식들도 당업자에게 명확히 이해될 것이다.
2, 2' : 에너지 공급 시스템
4　: 차량
6　: 전지
8　: 냉각 회로
10　: 온도 센서
12　: 펌프
14　: 라디에이터
16　: 저장 카트리지
18　: 매트릭스
20　: 주입 회로
21　: 체크 밸브
22　: 정량 유닛
24　: 압력 센서
26　: 분해 모듈
28　: 정화 모듈
30　: 삼방 밸브
32　: 분기
34　: 비상 안전 밸브
36　: 제어 유닛
38　: 재순환 회로
40　: 재삽입 분기

Claims (10)

  1. - 이수소를 공급할 수 있는 연료 전지(6),
    - 매트릭스(18)에 흡수되는 형태의 암모니아를 저장하는 복수의 저장 카트리지들(16),
    - 각 카트리지(16)의 출구를 전지(6)의 입구에 연결하는 주입 회로(20),
    - 각 카트리지(16)에 암모니아를 공급하는 분기(32)를 포함하고 있으며 열 전달 유체가 순환하는, 전지 냉각 회로(8), 및
    - 열 전달 유체를 냉각시킬 수 있는 라디에이터(14)
    를 포함하고, 카트리지들(16) 중 적어도 하나가 주입 회로(20) 내 기체 암모니아를 방출하는 능동 상태이고 카트리지들(16) 중 적어도 하나는 주입 회로(20) 내 기체 암모니아를 방출하지 않는 수동 상태이며,
    a) 능동 상태의 카트리지들(16) 중 적어도 하나의 카트리지의 내부에서 암모니아의 압력이 증가하는 단계
    b) 수동 상태의 카트리지들(16) 중 적어도 하나의 카트리지에서 전지(6)로부터 나오는 열 전달 유체가 순환되는 단계
    c) 능동 상태의 카트리지들(16) 중 하나에서 암모니아의 탈착 속도가 빨라지고, 탈착된 암모니아의 일부는 다른 카트리지들(16) 중 하나에, 바람직하게는 수동 상태의 카트리지들(16) 중 하나에 저장되는 단계
    중 적어도 한 단계가 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, a), b) 및 c) 중 적어도 두 단계가 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, a), b) 및 c) 세 단계가 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 전지(6)의 전력을 감소시키는 d) 단계가 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, a) 단계에서, 능동 상태의 카트리지(16) 중 적어도 하나의 압력이 3바 보다 큰 값, 바람직하게는 4바 보다 큰 값, 바람직하게는 5바 보다 큰 값으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 카트리지(16)가 각기 암모니아를 흡수 및 탈착시킬 수 있는 염화칼슘 매트릭스(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 주입 회로(20)가 암모니아를 이질소, 이수소 및 암모니아를 포함하는 기체 혼합물로 변환시킬 수 있는 암모니아 분해 모듈(26) 및 기체 혼합물의 암모니아 함량을 감소시킬 수 있는 정화 모듈(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 차량(4) 내에서 구현되는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')내 열 관리 방법.
  9. - 이수소를 공급할 수 있는 연료 전지(6),
    - 매트릭스(18)에 흡수되는 형태의 암모니아를 저장하는 복수의 저장 카트리지(16),
    - 각 카트리지(16)의 출구를 전지(6)의 입구에 연결하는 주입 회로(20),
    - 각 카트리지(16)에 암모니아를 공급하는 분기(32)를 포함하고 있으며 열 전달 유체가 순환하는, 전지 냉각 회로(8),
    - 열 전달 유체를 냉각시킬 수 있는 라디에이터(14), 및
    - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 의한 열 관리 방법을 구현할 수 있는 제어 유닛(36)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 공급 시스템(2, 2').
  10. 제 9 항에 의한 차량용 전력 공급 시스템(2, 2')를 포함하는 자동차(4).
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009215103A (ja) * 2008-03-10 2009-09-24 Hiroshima Univ 水素吸蔵ステーション、水素供給ステーションおよび複合カートリッジ
US20100086467A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-08 Amminex A/S Release of Stored Ammonia at Start-Up
WO2011107279A1 (en) * 2010-03-02 2011-09-09 Amminex A/S Apparatus for generating hydrogen from ammonia stored in solid materials and integration thereof into low temperature fuel cells
JP2017166665A (ja) * 2016-03-18 2017-09-21 株式会社Kri アンモニア貯蔵供給装置及びアンモニア燃料タンク
KR20180034513A (ko) * 2015-07-31 2018-04-04 플라스틱 옴니엄 어드벤스드 이노베이션 앤드 리서치 연료 전지를 포함하는 차량 시스템

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2974737B1 (fr) * 2011-05-02 2015-05-01 Peugeot Citroen Automobiles Sa Methode d'epuration chimique de gaz d'echappement issus d'un moteur thermique equipant un vehicule automobile
WO2013160712A1 (en) * 2012-04-26 2013-10-31 Renault Trucks System and method for treating nitrogen oxides contained in exhaust gases
EP2695858B1 (fr) * 2012-08-09 2015-09-16 Aaqius & Aaqius S.A. Système de stockage et de délivrance d'ammoniac gazeux
FR3107702B1 (fr) * 2020-02-28 2022-05-13 Plastic Omnium Advanced Innovation & Res Procédé de charge ou recharge en ammoniac de cartouche de stockage d’ammoniac et cartouche de stockage d’ammoniac pour un système de conversion d’ammoniac en énergie
BE1028173B1 (fr) * 2020-03-31 2021-10-25 Plastic Omnium Advanced Innovation & Res Système de stockage et de délivrance d'ammoniac
JP2021161006A (ja) * 2020-04-02 2021-10-11 株式会社豊田中央研究所 アンモニア改質型水素供給装置及びそれを用いたアンモニア改質型水素供給方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009215103A (ja) * 2008-03-10 2009-09-24 Hiroshima Univ 水素吸蔵ステーション、水素供給ステーションおよび複合カートリッジ
US20100086467A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-08 Amminex A/S Release of Stored Ammonia at Start-Up
WO2011107279A1 (en) * 2010-03-02 2011-09-09 Amminex A/S Apparatus for generating hydrogen from ammonia stored in solid materials and integration thereof into low temperature fuel cells
KR20180034513A (ko) * 2015-07-31 2018-04-04 플라스틱 옴니엄 어드벤스드 이노베이션 앤드 리서치 연료 전지를 포함하는 차량 시스템
JP2017166665A (ja) * 2016-03-18 2017-09-21 株式会社Kri アンモニア貯蔵供給装置及びアンモニア燃料タンク

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