KR20230108370A - 연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템은, 제1 주입구에 연결된 충전기의 충전 노즐을 통해 공급된 수소를 저장하는 충전소용 수소 저장소, 제2 주입구에 연결된 충전 노즐을 통해 공급된 공유 수소를 저장하는 공유 수소 저장소, 및 상기 충전소용 수소 저장소와 연료전지 스택을 연결하는 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 상기 공유 수소 저장소와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치 중 어느 하나를 제어하여 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급 경로를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FUEL SUPPLYING OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 연료 공급 시스템 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 말한다.
이러한 연료전지 차량은 수소를 연료로 사용하기 때문에 일정량의 수소를 저장하는 수소저장탱크를 탑재하고 있다.
연료전지 차량의 경우 고압가스 충전 방식으로, 가솔린 연료 주입과 같은 방식으로 수소연료 주입이 불가능하기 때문에 수소 충전소에서 수소를 충전하는 방법 외에는 연료를 충전할 방법이 없다.
따라서, 연료전지 차량에 탑재된 수소 저장탱크에 수소 연료가 모두 소진되면, 견인 차량을 이용하여 수소 충전소까지 연료전지 차량을 견인해야만 한다.
이에, 연료전지 차량의 수소 저장탱크에 수소 연료가 소진되는 경우 수소 충전소에서 수소를 충전하는 방법 외에 수소 공급을 위한 다양한 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 수소 저장소에 충전된 수소 연료가 소진되는 경우 별도로 구비된 공유 수소 저장소에 충전된 공유 수소를 이용하여 연료를 공급함으로써 긴급 상황에서 수소 충전소에서 충전을 하지 않더라도 주행 상황을 유지할 수 있도록 한, 연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 수소 충전소의 충전기를 이용하여 공유 수소 저장소에 공유 수소를 충전할 뿐 아니라, 수소 공급 차량에 연결된 공유 배관을 차량의 주입구에 연결하는 방식으로도 공유 수소의 충전이 가능하도록 함으로써 비상 시 공유 수소의 충전이 용이하도록 한, 연료전지 차량의 연료 공급 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 시스템은, 제1 주입구에 연결된 충전기의 충전 노즐을 통해 공급된 수소를 저장하는 충전소용 수소 저장소, 제2 주입구에 연결된 충전 노즐을 통해 공급된 공유 수소를 저장하는 공유 수소 저장소, 및 상기 충전소용 수소 저장소와 연료전지 스택을 연결하는 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 상기 공유 수소 저장소와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치 중 어느 하나를 제어하여 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 주행 중 상기 제1 스위치를 온 제어하여 상기 제1 경로를 통해 상기 연료전지 스택으로 수소가 공급되도록 제어하되, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이면 경고 메시지를 출력하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 상기 제1 기준치 미만이고 제2 기준치 이상이면, 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나 목적지까지의 잔여 거리를 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면, 운전자에게 공유 수소의 사용 여부를 질의하고, 상기 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용된 경우에 상기 제1 스위치를 오프 제어하고 상기 제2 스위치를 온 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 상기 공유 수소 저장소의 공유 수소 충전을 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제2 주입구에 설치된 IR 이미터와, 상기 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 상기 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 운전자에게 공유 수소의 충전 여부를 질의하고, 상기 운전자로부터 공유 수소 충전이 허용된 경우에 상기 제2 주입구와 상기 공유 수소 저장소 사이에 연결된 제1 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 주입구에 연결된 충전 노즐은, 수소 충전소에 설치된 충전기의 충전 노즐 및 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제2 주입구에 상기 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결되면, 상기 수소 공급 차량의 제어기로부터 제어 신호를 수신한 이후에 상기 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 공유 수소 충전 중 상기 공유 수소 저장소의 공유 수소 충전 상태를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 방법은, 제1 주입구에 연결된 충전기의 충전 노즐을 통해 공급된 수소를 저장하는 충전소용 수소 저장소와 연료전지 스택을 연결하는 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 제2 주입구에 연결된 충전 노즐을 통해 공급된 공유 수소를 저장하는 공유 수소 저장소와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치 중 어느 하나를 제어하여 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급 경로를 제어하는 단계, 및 상기 수소 공급 경로에 따라 공급된 수소를 감압하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는, 주행 중 상기 제1 스위치를 온 제어하여 상기 제1 경로를 통해 상기 연료전지 스택으로 수소가 공급되도록 제어하는 단계, 및 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이면 경고 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 상기 제1 기준치 미만이고 제2 기준치 이상이면, 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나 목적지까지의 잔여 거리를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면 운전자에게 공유 수소의 사용 여부를 질의하는 단계, 및 상기 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용된 경우에 상기 제2 스위치를 온 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 상기 공유 수소 저장소에 공유 수소를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공유 수소를 충전하는 단계는, 수소 충전소에 설치된 충전기의 충전 노즐 및 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐 중 어느 하나가 상기 제2 주입구에 연결되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공유 수소를 충전하는 단계는, 상기 제2 주입구에 설치된 IR 이미터와, 상기 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 상기 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공유 수소를 충전하는 단계는, 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 운전자에게 공유 수소의 충전 여부를 질의하는 단계, 및 상기 운전자로부터 공유 수소 충전이 허용된 경우에 상기 제2 주입구와 상기 공유 수소 저장소 사이에 연결된 밸브를 오픈하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 공유 수소를 충전하는 단계는, 상기 제2 주입구에 상기 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결되면, 상기 수소 공급 차량의 제어기로부터 제어 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 제어 신호가 수신된 이후에 상기 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 공유 수소를 충전하는 동안 상기 공유 수소 저장소의 충전 상태를 실시간으로 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수소 저장소에 충전된 수소 연료가 소진되는 경우 별도로 구비된 공유 수소 저장소에 충전된 공유 수소를 이용하여 연료를 공급함으로써 긴급 상황에서 수소 충전소에서 충전을 하지 않더라도 주행 상황을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수소 충전소의 충전기를 이용하여 공유 수소 저장소에 공유 수소를 충전할 뿐 아니라, 수소 공급 차량에 연결된 공유 배관을 차량의 주입구에 연결하는 방식으로도 공유 수소의 충전이 가능하도록 함으로써 비상 시 공유 수소의 충전이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소의 충전 및 공급 구조를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소 충전 동작을 설명하는데 참조되는 실시예를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 공유 수소 충전 시의 압력 및 전류 변화를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소 충전 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 연료전지 차량의 연료 공급 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 적용되는 연료전지 차량은 일반적인 연료전지가 탑재된 차량이 포함될 뿐만 아니라, 연료전지가 탑재된 차량 이외의 이동체도 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소의 충전 및 공급 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 차량의 연료 공급 시스템은 수소 저장 유닛(100) 및 연료전지 유닛(200)을 포함할 수 있다.
먼저, 수소 저장 유닛(100)은 제1 주입구(receptacle)(111), 제1 체크 밸브(121) 및 충전소용 수소 저장소(131)와, 제2 주입구(115), 공유 수소 배출구(119), 제1 체크 밸브(125) 및 공유 수소 저장소(135), 제1 스위치(141), 제2 스위치(145) 및 레귤레이터(151)를 포함할 수 있다. 또한, 수소 저장 유닛(100)은 수소 저장 유닛(100) 내의 각 구성요소들의 동작을 감시하고 제어하는 제어부(190)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부(Hydrogen Manufacturing Unit, HMU)(190)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(190)는 수소 저장 유닛에서 수행되는 전반적인 동작들을 제어할 수 있다.
제1 주입구(111)는 수소 충전소의 충전기에 연결된 충전 노즐이 연결될 수 있다. 제1 주입구(111)에 충전기의 충전 노즐이 연결되면, 충전기에 의해 공급되는 수소는 제1 주입구(111)와 충전소용 수소 저장소(131)를 연결하는 제1 라인(L1)을 따라 충전소용 수소 저장소(131)로 공급될 수 있다.
여기서, 제1 주입구(111)에는 IR 이미터(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 이에, 제어부(190)는 제1 주입구(111)에 충전 노즐이 연결되면, 제1 주입구(111)의 IR 이미터와 충전기 충전 노즐의 IR 이미터 간 통신을 통해 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인할 수 있다.
제1 체크 밸브(Hydrogen Check Valve, HCV)(121)는 제1 주입구(111)와 충전소용 수소 저장소(131) 사이에 수소가 공급되는 제1 라인(L1) 상에 배치된다. 제1 체크 밸브(121)는 고압 센서(High Pressure Sensor, HPS)와 함께 배치될 수 있다.
제1 주입구(111)를 통해 공급되는 수소는 고압 기체 상태로 공급되며, 고압 센서는 제1 주입구(111)를 통해 공급되는 수소의 압력을 감지한다. 이때, 제어부(190)는 고압 센서에 의해 감지된 수소의 압력에 따라 제1 체크 밸브(121)의 개폐를 결정할 수 있다. 일 예로, 제어부(190)는 고압 센서에 의해 감지된 수소의 압력이 기준 범위(예, 100bar)에 해당되면 제1 체크 밸브(121)를 개방(open) 시킬 수 있다.
제1 체크 밸브(121)가 개방됨에 따라, 수소 충전소의 충전기로부터 제1 주입구(111)를 통해 공급된 수소는 제1 라인(L1)을 따라 충전소용 수소 저장소(131)로 공급되어 저장(충전)될 수 있다.
충전소용 수소 저장소(131)는 수소 충전소의 충전기에 의해 공급된 수소가 저장되는 충전소용 수소 탱크를 의미한다. 여기서, 충전소용 수소 저장소(131)는 복수 개의 수소 탱크, 예를 들어, 세 개의 수소 탱크를 포함할 수 있다.
제어부(190)는 충전소용 수소 저장소(131)에 수소가 저장(충전)되는 동안 충전소용 수소 저장소(131)의 충전 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 충전소용 수소 저장소(131)로 공급되는 수소의 압력 및 온도를 모니터링하고, 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량(State Of Fuel, SOF)을 실시간으로 확인할 수 있다.
제2 주입구(115)는 공유 수소 저장소(135)에 저장할 공유 수소를 공급받기 위한 수단이다. 제2 주입구(115)는 연료전지 차량의 트렁크 위치에 설치되거나, 수소 탱크 주변에 설치될 수 있다.
이하에서, 제2 주입구(115)를 통해 공급되는 수소를 제1 주입구(111)를 통해 공급되는 수소와 구분하기 위하여, 제2 주입구(115)로 공급되는 수소를 '공유 수소'라 지칭하도록 한다.
제2 주입구(115)는 수소 충전소의 충전기에 연결된 충전 노즐 또는 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결될 수 있다. 제2 주입구(115)에 충전 노즐이 연결되면, 충전기 또는 수소 공급 차량으로부터 공급되는 공유 수소는 제2 주입구(115)와 공유 수소 저장소(135)를 연결하는 제2 라인(L2)을 따라 공유 수소 저장소(135)로 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 주입구(115)에는 IR 이미터(116)가 추가로 구비될 수 있다. 이에, 제어부(190)는 제2 주입구(115)에 충전기의 충전 노즐 또는 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결되면, 제2 주입구(115)의 IR 이미터(116)와 충전 노즐의 IR 이미터 간 통신을 통해 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인할 수 있다.
여기서, 제어부(190)는 제2 주입구(115)에 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결된 경우, 수소 공급 차량의 제어기와 통신을 수행할 수 있으며, 이때 수소 공급 차량의 제어기로부터 공유 수소의 공급에 따른 제어 신호를 수신할 수 있다. 공유 배관의 세부 구성에 대해서는 도 3 및 도 4의 실시예를 참조하도록 한다.
제2 체크 밸브(HCV)(125)는 제2 주입구(115)와 공유 수소 저장소(135) 사이에 공유 수소가 공급되는 제2 라인(L2) 상에 배치된다. 제1 체크 밸브(125)는 2-방향(2-way) 밸브일 수 있다. 일 예로서, 제1 체크 밸브(125)는 제2 주입구(115)에서 공급된 공유 수소를 공유 수소 저장소(135)로 공급하는 제2 라인(L2)과, 공유 수소 저장소(135)에서 연료전지 스택(210) 혹은 공유 수소 배출구(119)에 공유 배관을 통해 연결된 수소 충전 차량으로 공유 수소를 공급하는 수소 공급 라인 중 어느 하나의 경로를 선택적으로 개폐할 수 있다. 여기서, 제2 라인(L2)을 통해 공유 수소 저장소(135)로 공유 수소가 공급되는 경우, 제1 체크 밸브(125)는 제2 라인(L2)을 개방(open)하고, 공유 수소 저장소(135)로부터의 수소 공급 라인에 해당하는 경로를 차단할 수 있다.
제1 체크 밸브(125)는 고압 센서(HPS)와 함께 배치될 수 있다.
제2 주입구(115)를 통해 공급되는 공유 수소는 고압 기체 상태로 공급되며, 고압 센서는 제2 주입구(115)를 통해 공급되는 공유 수소의 압력을 감지한다. 이때, 제어부(190)는 고압 센서에 의해 감지된 공유 수소의 압력에 따라 제1 체크 밸브(125)의 개폐를 결정할 수 있다. 일 예로, 제어부(190)는 고압 센서에 의해 감지된 수소의 압력이 기준 범위(예, 100bar)에 해당되면 제2 라인(L2) 상의 제1 체크 밸브(125)를 개방(open) 시킬 수 있다.
다만, 제어부(190)는 제2 주입구(115)에 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결된 경우, 수소 공급 차량으로부터 제어 신호가 수신된 이후에 제2 라인(L2) 상의 제1 체크 밸브(125)를 개방(open) 시킬 수 있다.
제2 라인(L2) 상의 제1 체크 밸브(125)가 개방됨에 따라, 충전기 또는 수소 공급 차량으로부터 제2 주입구(115)를 통해 공급된 공유 수소는 제2 라인(L2)을 따라 공유 수소 저장소(135)로 공급되어 저장(충전)될 수 있다.
공유 수소 저장소(135)는 공유 수소가 저장되는 공유 수소 탱크를 의미한다. 일 예로, 공유 수소 탱크는 Type4 탱크로 설계될 수 있다.
여기서, 공유 수소라 함은 수소 공급 차량 또는 다른 수소 충전 차량과 공유되는 수소를 의미한다. 다시 말해, 공유 수소 저장소(135)에 저장된 수소는 수소 공급 차량에 의해 공유되어 공급받은 수소일 수 있다. 또한, 공유 수소 저장소(135)는 다른 수소 충전 차량과 수소를 공유하여 해당 수소 충전 차량으로 공유 수소를 공급할 수 있다. 물론, 공유 수소는 충전소용 수소 저장소(131)에 저장된 수소의 잔량이 부족한 경우에 연료전지 스택(210)으로 공급될 수도 있다.
제어부(190)는 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소가 충전되는 동안 공유 수소 저장소(135)의 충전 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 공유 수소 저장소(135)로 공급되는 공유 수소의 압력 및 온도를 모니터링하고, 공유 수소 저장소(135)의 공유 수소 잔량(SOF)을 실시간으로 확인할 수 있다.
제어부(190)는 공유 수소 저장소(135)에 저장(충전)되는 공유 수소 잔량이 목표치에 도달하거나, 혹은 수소 공급 차량 측의 공유 수소 저장소(135)에 저장된 공유 수소 잔량이 기준치 이하가 되면, 공유 수소 차량의 제어기와의 통신을 통해 공유 수소의 공급을 중단할 수 있다. 또한, 제어부(190)는 공유 수소가 저장(충전)되는 동안 공유 수소의 압력 및 온도가 기준 범위를 벗어나면, 공유 수소의 공급을 중단시킬 수 있다.
여기서, 제어부(190)는 제2 주입구(115)를 통해 공급된 공유 수소를 공유 수소 저장소(135)에 저장하기 전에 운전자에게 공유 수소의 충전 여부를 질의하는 메시지를 출력할 수 있다. 이때, 제어부(190)는 운전자로부터 공유 수소 충전이 허용된 경우에 제2 주입구(115)를 통해 공급된 공유 수소가 공유 수소 저장소(135)에 저장되도록 제어할 수 있다.
도 1에서는 제어부(190)가 제1 라인(L1)을 통해 충전소용 수소 저장소(131)에 수소를 저장하는 동작 및 제2 라인(L2)을 통해 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 저장하는 동작을 모두 제어하는 것으로 도시하였으나, 충전소용 수소 저장소(131)에 수소를 저장하는 동작을 제어하는 제1 제어부(미도시)와, 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 저장하고 공급하는 동작을 제어하는 제2 제어부(미도시)가 각각 구비될 수도 있다.
충전소용 수소 저장소(131) 및 공유 수소 저장소(135)에 저장(충전)된 수소는 연료전지 스택(210)으로 공급될 수 있다.
다만, 충전소용 수소 저장소(131) 및 공유 수소 저장소(135)는 고압의 수소 기체를 저장하고 있기 때문에, 충전소용 수소 저장소(131) 또는 공유 수소 저장소(135)에서 연료전지 스택(210)으로 공급되는 수소의 압력을 연료전지 스택(210)에서 수용 가능한 압력으로 감압하는 과정이 필요하다.
이에, 레귤레이터(Hydrogen Pressure Regulator, HPR)(151)는 충전소용 수소 저장소(131) 또는 공유 수소 저장소(135)에서 연료전지 스택(210)으로 공급되는 수소의 압력을 조정(감압)하고, 압력이 조정된 수소를 연료전지 스택(210)으로 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(151)는 고압의 수소 기체를 중압의 수소 기체로 조정하는 중압 레귤레이터 일 수 있다. 이때, 중압 레귤레이터(151)는 중압 센서(152) 및 벤팅 밸브(153)와 함께 배치될 수 있다.
중압 센서(152)는 중압 레귤레이터(151)에 의해 감압되는 수소의 압력을 감지할 수 있다. 벤팅 밸브(153)는 중압 센서(152)에 의해 감지된 압력이 연료전지 스택(210)에서 사용 가능한 범위의 압력으로 조정되지 않는 경우에 일정시간 동안 밸브를 개방하는 것으로써 기체의 압력이 조절되도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 공유 수소 저장소(135)에서 연료전지 스택(210)으로 수소를 공급하는 경우, 제2 라인(L2) 상의 제1 체크 밸브(125)는 차단되고, 공유 수소 저장소(135)로부터의 수소 공급 라인 상의 제1 체크 밸브(125)는 개방(open) 될 수 있다.
공유 수소 저장소(135)로부터의 수소 공급 라인 상의 제1 체크 밸브(125)를 통해 공급된 수소는 제3 체크 밸브(161)를 통해 연료전지 스택(210)으로 전달하기 위한 공급 라인 또는 수소 충전 차량과의 수소 공유를 위한 공유 라인으로 전달될 수 있다.
연료전지 스택(210)으로 수소 공급 시, 제3 체크 밸브(161)는 공급 라인 상의 밸브를 개방(open) 함으로써 공유 수소 저장소(135)로부터 공급된 수소를 중압 레귤레이터(151)로 공급할 수 있다.
도 1에서, 레귤레이터(151)는 충전소용 수소 저장소(131)와 연료전지 스택(210)을 연결하는 제1 경로(P1) 및 공유 수소 저장소(135)와 연료전지 스택(210)을 연결하는 제2 경로(P2) 상에 배치된다.
이때, 충전소용 수소 저장소(131)와 레귤레이터(151) 사이의 제1 경로(P1) 상에는 제1 스위치(141)가 배치되고, 공유 수소 저장소(135)와 레귤레이터(151) 사이의 제2 경로(P2) 상에는 제2 스위치(145)가 배치될 수 있다.
따라서, 제어부(190)는 제1 스위치(141) 및 제2 스위치(145) 중 어느 하나를 제어함으로써 연료전지 스택(210)으로의 수소 공급 경로를 제어할 수 있다.
제어부(190)는 차량 주행 중에는 제1 스위치(141)를 온 제어하여, 충전소용 수소 저장소(131)에 저장된 수소가 제1 경로(P1)를 통해 연료전지 스택(210)으로 공급되도록 제어한다. 이 경우, 레귤레이터(151)는 제1 경로(P1)를 통해 충전소용 수소 저장소(131)로부터 공급된 수소를 감압하여 연료전지 스택(210)으로 공급하도록 한다.
제어부(190)는 제1 경로(P1)를 통해 연료전지 스택(210)으로 수소가 공급되는 동안 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량을 계속적으로 확인한다. 만일, 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이면, 제어부(190)는 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량에 대한 경고 메시지를 출력할 수 있다. 이로써, 운전자는 경고 메시지를 통해 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량이 부족한 상태임을 인지하게 된다.
이때, 제어부(190)는 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이고 제2 기준치 이상인 경우, 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나 목적지까지의 잔여 거리를 확인할 수 있다.
제어부(190)는 충전소용 수소 저장소(131)의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면, 운전자에게 공유 수소의 사용 여부를 질의하는 메시지를 출력할 수 있다. 여기서, 제2 기준치는 제1 기준치 보다 작은 값이다.
만일, 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용되지 않으면, 제어부(190)는 계속해서 충전소용 수소 저장소(131)의 수소가 연료전지 스택(210)으로 공급되도록 할 수 있다.
한편, 제어부(190)는 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용되면, 제1 스위치(141)를 오프 제어하고 제2 스위치(145)를 온 제어함으로써 공유 수소 저장소(135)에 저장된 수소가 제2 경로(P2)를 통해 연료전지 스택(210)으로 공급되도록 제어한다. 이 경우, 레귤레이터(151)는 제2 경로(P2)를 통해 공유 수소 저장소(135)로부터 공급된 수소를 감압하여 연료전지 스택(210)으로 공급하도록 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 수소 저장 유닛(100)은 충전소용 수소 저장소(131)에 저장된 수소가 부족한 경우 충전소용 수소 저장소(131)에 수소를 충전하지 않더라도, 공유 수소 저장소(135)에 저장된 수소를 연료전지 스택(210)으로 공급함으로써 연료전지 차량이 목적지까지 주행 가능하도록 하며, 그로 인해 사용자의 편의성이 증대될 수 있다.
연료전지 유닛(200)은 연료전지 스택(210) 및 스택 제어부(220)를 포함할 수 있다.
연료전지 스택(210)은 충전소용 수소 저장소(131) 또는 공유 수소 저장소(135)로부터 공급된 수소와, 공기의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(210)은 고체 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 일 수 있다.
연료전지 스택(210)은 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 제1 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 제1 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(210)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.
여기서, 연료전지 스택(210)은 연료전지 파워팩(Fuel Cell Power Pack)에 포함된 형태로 구현될 수 있다. 연료전지 파워팩이라 함은 연료전지 스택(210)과, 연료전지 스택(210)으로부터 전력을 공급하는데 필요한 모듈들을 포함하여 구성된 패키지를 의미할 수 있다.
스택 제어부(Fuel cell Control Unit, FCU)(220)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 스택 제어부(220)는 연료전지 스택(210)의 전반적인 기능을 제어할 수 있다.
일 예로, 스택 제어부(220)는 연료전지 스택(210)으로 공급되는 경로 상에 배치된 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어할 수 있다. 스택 제어부(220)는 제1 주입구(111) 또는 제2 주입구(115)의 IR 이미터(116)를 통해 충전 노즐이 연결된 것으로 확인되면, 솔레노이드 밸브를 닫아 충전 중 연료전지 스택(210)으로 수소가 공급되는 것을 막을 수 있다.
또한, 스택 제어부(220)는 수소 저장 유닛(100)의 제어부(190)를 대신하여 운전자에게 공유 수소의 사용 여부 혹은 충전 여부를 질의하는 질의 메시지를 생성하여 출력할 수도 있다. 이 경우, 스택 제어부(220)는 운전자로부터 질의 메시지에 대한 응답이 수신되면, 수신된 응답 메시지를 수소 저장 유닛(100)의 제어부(190)로 전달할 수 있다.
한편, 수소 저장 유닛(100)의 제어부(190)는 다른 수소 충전 차량으로부터 공유 수소의 요청이 있는 경우에 공유 수소 저장소(135)에 저장된 공유 수소를 공유 수소 배출구(119)에 연결된 공유 배관을 통해 수소 충전 차량으로 공급되도록 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 공유 수소 저장소(135)에서 수소 충전 차량으로 공유 수소를 공급하기 위해서는 공유 수소 배출구(119)에 수소 충전 차량과 연결된 공유 배관의 공급 노즐이 연결되어야 한다.
공유 수소 배출구(119)에 수소 충전 차량과 연결된 공유 배관의 공급 노즐이 연결되면, 수소 충전 차량으로 공유 수소를 공급하기 위해 제2 라인(L2) 상의 제1 체크 밸브(125)는 차단되고, 공유 수소 저장소(135)로부터의 수소 공급 라인 상의 제1 체크 밸브(125)는 개방(open) 될 수 있다.
공유 수소 저장소(135)로부터의 수소 공급 라인 상의 제1 체크 밸브(125)를 통해 공급된 공유 수소는 제3 체크 밸브(161)에서 공유 라인 상의 밸브를 개방(open) 함으로써 공유 수소 배출구(119)에 연결된 공유 배관을 통해 수소 충전 차량으로 공급될 수 있다.
이때, 제3 체크 밸브(161)를 통과한 공유 수소가 전달되는 공유 라인 상에는 중압 레귤레이터(165)가 추가로 배치될 수 있다. 이에, 중압 레귤레이터(165)는 공유 수소의 압력을 정해진 압력으로 감압하여 공유 수소 배출구(119)를 통해 배출되도록 한다. 일 예로서, 중압 레귤레이터(165)는 공유 수소의 압력을 100bar 정도의 정해진 압력으로 감압한 후에 공유 수소 배출구(119)를 통해 배출되도록 할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소 충전 동작을 설명하는데 참조되는 실시예를 도시한 도면이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 공유 수소 충전 시의 압력 및 전류 변화를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 연료전지 차량과 다른 차량 간 수소 공유를 위해서는 수소 공급 차량(10)과 수소 충전 차량(20) 간 공유 배관(50)을 연결함으로써 수소 공급 차량(10)의 공유 수소를 수소 충전 차량(20)으로 공유할 수 있다. 수소 공급 차량(10)과 수소 충전 차량(20)의 수소 저장 유닛은 도 1과 같은 형태로 구성될 수 있다. 공유 수소의 공유 동작은 수소 공급 차량(10)과 수소 충전 차량(20) 간 통신을 통해 제어될 수 있다.
여기서, 공유 배관(50)은 수소 공급 차량(10)과 수소 충전 차량(20)에 연결이 용이하도록 유연한(Flexible) 형태로 구성될 수 있다.
공유 배관(50)의 일 측에는 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 배출구(119)에 연결되는 공급 노즐(51)이 형성되고, 타 측에는 수소 충전 차량(20)의 제2 주입구(115)에 연결되는 충전 노즐(55)이 형성될 수 있다. 따라서, 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 배출구(119)를 통해 배출된 공유 수소는 공급 노즐(51)을 통해 공유 배관(50) 내부로 유입되고, 충전 노즐(55)을 통해 수소 충전 차량(20)의 제2 주입구(115)로 공급되어 수소 충전 차량(20)의 공유 수소 저장소(135)에 충전될 수 있다.
공유 배관(50)의 공급 노즐(51)과 충전 노즐(55)에는 각각 IR 이미터가 장착될 수 있다. 또한, 공유 배관(50)의 공급 노즐(51)과 충전 노즐(55)에는 IR 이미터의 통신을 위한 통신용 와이어 및 IR 이미터 전원 케이블 커넥터가 추가로 설치될 수 있다.
여기서, 공급 노즐(51)에 장착된 IR 이미터는 공급 노즐(51)이 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 배출구(119)에 연결되면, 공유 수소 배출구(119)에 배치된 IR 이미터와 통신할 수 있다. 또한, 충전 노즐(55)에 장착된 IR 이미터는 충전 노즐(55)이 수소 충전 차량(20)의 제2 주입구(115)에 연결되면, 제2 주입구(115)에 배치된 IR 이미터와 통신할 수 있다.
공유 배관(50)을 통해 공급되는 공유 수소는 고압의 수소 기체 형태로 공급되는데, 고압 수소의 충전 특성상 공급 노즐(51) 및 충전 노즐(55)이 급속 냉동될 수 있다. 이를 위해, 공유 배관(50)의 공급 노즐(51)과 충전 노즐(55)에는 각각 급속 냉동을 방지하기 위한 발열 장치가 추가로 설치될 수 있다.
또한, 공유 배관(50)에 의한 수소 공유는 수소 공급 차량(10)과 수소 충전 차량(20) 간에 이루어지는 것이므로 수소 충전소가 아닌 다른 장소에서 이루어질 수도 있다. 따라서, 공유 수소 충전 중 사고 발생을 미연에 방지하기 위하여, 공유 배관(50)에는 그라운드(GND) 접지 케이블이 추가로 장착될 수도 있다.
도 4, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 저장소(135)에서 공급된 공유 수소는 중압 레귤레이터(165)에 의해 정해진 압력(예를 들어, 100bar)로 감압된 후에 공유 배관(50)의 공급 노즐(51)을 통해 배출된다.
수소 공급 차량(10)으로부터 수소 충전 차량(20)으로 공유 수소 공급 시, 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 저장소(135)는 시간이 지날수록 잔여 공유 수소(SoF)가 점차 감소하게 된다. 이때, 시간의 흐름에 따른 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 저장소(135) 내의 압력 변화는 도 5a의 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 수소 공급 차량(10)으로부터 수소 충전 차량(20)으로 공유 수소를 공급하는 동안 공유 수소 저장소(1350) 내의 압력은 점차 감소하게 된다.
도 5b는 수소 공급 차량(10)의 중압 레귤레이터(165)의 입력측의 압력 변화를 나타낸 것이고, 도 5c는 수소 공급 차량(10)의 중압 레귤레이터(165)의 출력측의 압력 변화를 나타낸 것이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 중압 레귤레이터(165)의 입력측에는 공유 수소 공급이 시작되면, 시간이 지날수록 차츰 압력이 증가하게 되며 기준 압력(예를 들어, 100bar)을 초과하게 된다. 이에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 중압 레귤레이터(165)는 입력된 공유 수소의 압력을 일정한 압력(예를 들어, 100bar)으로 조정하여 공유 배관(50)의 공급 노즐(51)로 출력한다.
공유 배관(50)의 공급 노즐(51)을 통해 유입된 공유 수소는 수소 공급 차량(10)의 공유 수소 배출구(119)를 통해 공유 수소가 배출되기 전 중압 레귤레이터(165)에 의해 일정한 압력(예를 들어, 100bar)으로 조정되기 때문에, 공유 배관(50)을 통해 공유 수소가 공급되는 동안 일정한 압력을 유지하게 된다.
한편, 공유 배관(50)의 충전 노즐(55)을 통해 수소 충전 차량(20)의 제2 주입구(115)로 공급된 공유 수소는 공유 수소 저장소(135)에 충전되며, 그에 따라 수소 충전 차량(20)의 공유 수소 저장소(135)는 시간이 지날수록 잔여 공유 수소(SoF)가 점차 증가하게 된다. 이때, 수소 충전 차량(20)의 공유 수소 저장소(135)에 저장된 잔여 공유 수소(SoF)의 변화에 따른 압력 변화는 도 5d의 그래프와 같이 나타낼 수 있다.
수소 공급 차량(10)은 수소 충전 차량(20)으로 제공한 공유 수소의 양을 저장할 수 있다. 이때, 수소 공급 차량(10)은 추후 다른 수소 공급 차량(10)으로부터 공유 수소를 공급받아 충전하는 경우, 이전에 다른 수소 충전 차량(20)으로 제공한 공유 수소의 양에 따라 소정의 혜택(benefit)을 제공받을 수도 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 공유 시스템은 수소 저장소에 저장된 수소 부족 시, 수소 충전소를 방문하지 않고도 별도로 구비된 공유 수소 저장소(135)에 저장된 수소를 차량 주행에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 공유 배관(50)을 연결하는 것으로써 다른 수소 공급 차량(10)으로부터 공유 수소를 공급받아 충전하거나, 다른 수소 충전 차량(20)으로 공유 수소를 공급할 수 있어 장소에 구애 받지 않고 수소 충전이 가능하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 시스템의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량의 연료 공급 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 연료전지 차량의 연료 공급 시스템은 차량 주행이 시작되면, 충전소용 수소 저장소(131)에 저장된 수소를 연료전지 스택(210)으로 공급한다(S120). 여기서, 연료 공급 시스템은 충전소용 수소 저장소(131), 즉, 충전소용 수소 탱크와 연료전지 스택(210)을 연결하는 제1 경로(P1) 상의 제1 스위치(141)를 온 제어함으로써(S110), 제1 경로(P1)를 통해 연료전지 스택(210)으로 수소가 공급되도록 할 수 있다(S120).
이때, 연료 공급 시스템은 충전소용 수소 저장소(131)에 저장된 연료 상태(SoF), 즉, 수소 잔량을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
만일, 충전소용 수소 저장소(131)의 연료 상태가 기준치를 만족하지 못하면, 연료 공급 시스템은 운전자에게 경고 메시지를 출력할 수 있다. 예를 들어, 연료 공급 시스템은 충전소용 수소 저장소(131)의 연료 상태(SoF)가 제1 기준치(A) 미만이면(S130), 경고 메시지를 출력할 수 있다(S135).
충전소용 수소 저장소(131)의 충전 상태에 대한 경고 메시지가 출력된 이후, 연료 공급 시스템은 충전소용 수소 저장소(131)의 연료 상태(SoF)가 제2 기준치(B) 미만이면(S140), 운전자에게 공유 수소 저장소(135), 즉, 공유 수소 탱크에 저장된 공유 수소의 사용 여부를 질의하는 질의 메시지를 출력함으로써 운전자의 의도를 확인할 수 있다. 여기서, 제2 기준치(B)는 제1 기준치(A) 보다 작은 값일 수 있다.
운전자로부터 공유 수소의 사용이 허용되면(S150), 연료 공급 시스템은 공유 수소 저장소(135)와 연료전지 스택(210)을 연결하는 제2 경로(P2) 상의 제2 스위치(145)를 온 제어함으로써(S160), 연료전지 스택(210)으로 수소를 공급할 수 있다(S170). 이때, 연료 공급 시스템은 'S160' 과정에서 제2 경로(P2) 상의 제2 스위치(145)를 온 제어하기 이전에 제1 경로(P1) 상의 제1 스위치(141)를 오프 제어할 수 있다.
이에, 제2 경로(P2)를 통해 연료전지 스택(210)으로 공급된 수소를 이용하여 차량의 주행 상태가 유지될 수 있다(S190).
한편, 'S140' 과정에서 충전소용 수소 저장소(131)의 연료 상태(SoF)가 제1 기준치(A) 미만이면서 제2 기준치(B) 이상이거나, 혹은 'S150' 과정에서 운전자에 의해 공유 수소의 사용이 허용되지 않으면, 연료 공급 시스템은 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나, 목적지까지의 잔여 거리를 확인할 수 한다(S180). 'S180' 과정은, 연료 공급 시스템이 차량 제어기로 관련 정보를 전달함으로써, 차량 제어기에 의해 수행될 수도 있다.
이 경우에도, 제1 경로(P1)를 통해 연료전지 스택(210)으로 공급되는 수소를 이용하여 차량의 주행 상태가 유지할 수 있다(S190).
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공유 수소 충전 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다. 도 7은 수소 충전소의 충전기를 이용하여 공유 수소를 충전하는 동작 흐름을 나타낸 것이고, 도 8은 수소 공급 차량으로부터 공유 수소를 충전하는 동작 흐름을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 연료 공급 시스템은 연료전지 차량이 정차한 후에 시동 오프(OFF) 하기 전에 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 충전할 수 있다.
이에, 연료 공급 시스템은 정차 후에 시동 온(ON) 상태에서(S210), 공유 수소의 충전 여부를 질의하는 질의 메시지를 출력함으로써 운전자의 의도를 확인할 수 있다. 운전자로부터 공유 수소의 충전이 허용되면(S220), 제2 주입구(115)에 설치된 IR 이미터와, 제2 주입구(115)에 연결된 충전기의 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 제2 주입구(115)와 충전기의 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인할 수 있다(S230).
이에, 연료 공급 시스템은 'S230' 과정에서 충전 노즐의 연결 완료 상태가 확인되면, 제2 주입구(115)와 공유 수소 저장소(135)를 연결하는 제2 라인(L2) 상에 배치된 밸브를 오픈하여 공유 수소 저장소(135)의 충전을 개시하도록 한다(S240).
연료 공급 시스템은 'S240' 과정에서 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 충전하는 동안 공유 수소 저장소(135)의 충전 상태를 모니터링하며, 공유 수소 저장소(135)의 연료 상태, 즉, 수소 잔량이 일정 이상 증가한 것이 확인되면(S250). 공유 수소의 충전을 종료하고 연료전지 차량의 시동을 오프(OFF) 시킬 수 있다(S260).
도 8을 참조하면, 연료 공급 시스템은 연료전지 차량이 정차한 후에 시동 오프(OFF) 하기 전에 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 충전할 수 있다.
이에, 연료 공급 시스템은 정차 후에 시동 온(ON) 상태에서(S310), 공유 수소의 충전 여부를 질의하는 질의 메시지를 출력함으로써 운전자의 의도를 확인할 수 있다. 운전자로부터 공유 수소의 충전이 허용된 후(S320), 제2 주입구(115)에 공유 배관(50)의 충전 노즐에 대한 연결 완료 상태가 확인되고(S330), 수소 공급 차량(10)의 제어기로부터 공유 수소의 공급을 위한 제어 신호가 수신되면(S340), 제2 주입구(115)와 공유 수소 저장소(135)를 연결하는 제2 라인(L2) 상에 배치된 밸브를 오픈하여 공유 수소 저장소(135)의 충전을 개시하도록 한다(S350).
'S330' 과정에서, 연료 공급 시스템은 제2 주입구(115)에 설치된 IR 이미터와, 제2 주입구(115)에 연결된 공유 배관(50)의 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 제2 주입구(115)와 공유 배관(50)의 충전 노즐에 대한 연결 완료 상태를 확인할 수 있다. 여기서, 공유 배관(50)은 일 측에 형성된 공급 노즐(51)이 수소 공급 차량(10)과 연결되고, 타 측에 형성된 충전 노즐이 제2 주입구(115)에 연결된 상태에서 수소 공급 차량(10)으로부터 공급된 공유 수소를 충전 노즐을 통해 제2 주입구(115)로 공급할 수 있다.
연료 공급 시스템은 'S350' 과정에서 공유 수소 저장소(135)에 공유 수소를 충전하는 동안 공유 수소 저장소(135)의 충전 상태를 실시간으로 모니터링하며(S360), 공유 수소 저장소(135)의 충전 상태(SoF)가 일정 이상 증가한 것이 확인되면(S370). 공유 수소의 충전을 종료하고 연료전지 차량의 시동을 오프(OFF) 시킬 수 있다(S380).
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: 수소 공급 차량 20: 수소 충전 차량
50: 공유 배관 51: 공급 노즐
55: 충전 노즐 100: 수소 저장 유닛
111: 제1 주입구 115: 제2 주입구
116: IR 이미터 119: 공유 수소 배출구
121: 제1 체크 밸브(HCV) 122, 126: 고압 센서(HPS)
125: 제2 체크 밸브(HCV) 131: 충전소용 수소 저장소(수소 탱크)
135: 공유 수소 저장소(수소 탱크)
136: 탱크 밸브(HTV) 141: 제1 스위치
145: 제2 스위치 151: 레귤레이터(HPR)
152: 중압 센서(MPS) 153: 벤팅 밸브
161: 제3 체크 밸브 165: 중압 레귤레이터
190: 제어부(HMU) 200: 연료전지 유닛
210: 연료전지 스택 220: 스택 제어부(FCU)

Claims (20)

  1. 제1 주입구에 연결된 충전기의 충전 노즐을 통해 공급된 수소를 저장하는 충전소용 수소 저장소;
    제2 주입구에 연결된 충전 노즐을 통해 공급된 공유 수소를 저장하는 공유 수소 저장소; 및
    상기 충전소용 수소 저장소와 연료전지 스택을 연결하는 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 상기 공유 수소 저장소와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치 중 어느 하나를 제어하여 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급 경로를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    주행 중 상기 제1 스위치를 온 제어하여 상기 제1 경로를 통해 상기 연료전지 스택으로 수소가 공급되도록 제어하되, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이면 경고 메시지를 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 상기 제1 기준치 미만이고 제2 기준치 이상이면, 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나 목적지까지의 잔여 거리를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면, 운전자에게 공유 수소의 사용 여부를 질의하고, 상기 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용된 경우에 상기 제1 스위치를 오프 제어하고 상기 제2 스위치를 온 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 상기 공유 수소 저장소의 공유 수소 충전을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 주입구에 설치된 IR 이미터와, 상기 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 상기 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 운전자에게 공유 수소의 충전 여부를 질의하고, 상기 운전자로부터 공유 수소 충전이 허용된 경우에 상기 제2 주입구와 상기 공유 수소 저장소 사이에 배치된 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 주입구에 연결된 충전 노즐은,
    수소 충전소에 설치된 충전기의 충전 노즐 및 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 주입구에 상기 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결되면, 상기 수소 공급 차량의 제어기로부터 제어 신호를 수신한 이후에 상기 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    공유 수소 충전 중 상기 공유 수소 저장소의 공유 수소 충전 상태를 실시간으로 모니터링하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 시스템.
  11. 제1 주입구에 연결된 충전기의 충전 노즐을 통해 공급된 수소를 저장하는 충전소용 수소 저장소와 연료전지 스택을 연결하는 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 제2 주입구에 연결된 충전 노즐을 통해 공급된 공유 수소를 저장하는 공유 수소 저장소와 상기 연료전지 스택을 연결하는 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치 중 어느 하나를 제어하여 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급 경로를 제어하는 단계; 및
    상기 수소 공급 경로에 따라 공급된 수소를 감압하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는,
    주행 중 상기 제1 스위치를 온 제어하여 상기 제1 경로를 통해 상기 연료전지 스택으로 수소가 공급되도록 제어하는 단계; 및
    상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제1 기준치 미만이면 경고 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는,
    상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 상기 제1 기준치 미만이고 제2 기준치 이상이면, 네비게이션의 목적지 변경을 안내하거나 목적지까지의 잔여 거리를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 수소 공급 경로를 제어하는 단계는,
    상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면, 상기 충전소용 수소 저장소의 수소 잔량이 제2 기준치 미만이면 운전자에게 공유 수소의 사용 여부를 질의하는 단계; 및
    상기 운전자로부터 공유 수소 사용이 허용된 경우에 상기 제2 스위치를 온 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    차량 정차 시 상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 상기 공유 수소 저장소에 공유 수소를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 공유 수소를 충전하는 단계는,
    수소 충전소에 설치된 충전기의 충전 노즐 및 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐 중 어느 하나가 상기 제2 주입구에 연결되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 공유 수소를 충전하는 단계는,
    상기 제2 주입구에 설치된 IR 이미터와, 상기 충전 노즐에 설치된 IR 이미터 간 통신을 통해 상기 충전 노즐의 연결 완료 상태를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 공유 수소를 충전하는 단계는,
    상기 제2 주입구에 충전 노즐이 연결되면, 운전자에게 공유 수소의 충전 여부를 질의하는 단계; 및
    상기 운전자로부터 공유 수소 충전이 허용된 경우에 상기 제2 주입구와 상기 공유 수소 저장소 사이에 연결된 밸브를 오픈하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 공유 수소를 충전하는 단계는,
    상기 제2 주입구에 수소 공급 차량과 연결된 공유 배관의 충전 노즐이 연결되면, 상기 수소 공급 차량의 제어기로부터 제어 신호를 수신하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제어 신호가 수신된 이후에 상기 밸브를 오픈하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 공유 수소를 충전하는 동안 상기 공유 수소 저장소의 충전 상태를 실시간으로 모니터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 연료 공급 방법.
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