KR20240055460A - 모바일용 에너지공급시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소연료전지를 이용한 모바일용 에너지공급시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 압력계, 미세유량조절밸브 및 제어기를 통해 시스템의 크기를 최소화하고 시스템을 통합적으로 제어할 수 있는, 모바일용 에너지공급시스템에 관한 것이다.

Description

모바일용 에너지공급시스템 및 방법{Energy supply system and method for mobile}
본 발명은 수소연료전지를 이용한 모바일용 에너지공급시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 압력계, 미세유량조절밸브 및 제어기를 통해 시스템의 크기를 최소화하고 시스템을 통합적으로 제어할 수 있는, 모바일용 에너지공급시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연소과정이 없으며 최종생성물이 이산화탄소가 아닌 물이기 때문에 오염물질, 공해물질 배출이 거의 없는 청정 발전원이고, 종류에 따라 대용량발전이 가능하다. 그에 따라, 차량, 선박 등 이동수단들의 차세대 주동력원으로서 주목받으며 연료전지 및 그에 필요한 각종 시스템들의 개발이 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 연료전지용 연료(예를 들어, 수소가 포함된 탄화수소연료, 메탄올 등)로부터 얻은 수소를 이용하여 전기에너지를 생산하며, 이는 기존의 내연기관이나 외연기관이 연소반응을 이용하여 여러차례 에너지 변환을 거치는 것보다 에너지 변환과정이 줄어들기 때문에 에너지 변환효율이 우수하다는 장점이 있으며, 3차 전지라고도 불린다.
연료전지의 전기발생 원리를 설명하면, 연료 극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 수소 이온은 전해질을 거쳐 공기 극으로 이동하며, 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생하고, 공기 극에서 수소 이온과 전자, 산소가 결합하여 물이 생성된다.
연료전지는 작동온도, 전해질, 촉매에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고분자 전해질형(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 여러 종류가 있으며, 사용여건, 필요 전력량 등에 따라 적합한 것을 선택할 수 있다.
연료전지는 메탄올, 에탄올 등의 알코올이나, LNG 등 탄화수소연료를 개질하여 수소를 생산하는 과정을 거칠 수 있는데, 그에 따라 연료공급장치, 연료개질장치, 수소정제장치 및 수소공급장치를 구비할 수 있고, 이때 연료개질에서의 공정속도와 수소 소요장비에서의 수소 소모속도의 차이를 최소화하기 위하여 버퍼탱크가 필요하다.
종래의 연료개질 공정이 포함된 연료전지의 에너지공급시스템은 수소공급을 위한 연료개질 속도와 연료전지 등에서의 수소 소모속도의 차이를 줄이기 위하여 연료개질과 수소공급처 사이에 버퍼탱크를 두었는데, 버퍼탱크를 설치할 경우 시스템의 부피가 커져 에너지공급시스템의 설치 면적 및 무게가 증가하게 되고, 그에 따라 운송 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
또한, 단순히 버퍼탱크에 설치된 밸브의 개폐만으로 연료전지로의 수소공급이 이루어지게 되어, 연료전지에 필요한 수소의 압력 및 유량 등을 일정하게 유지하기 어려운 문제가 있었다.
또한, 연료전지의 목표 전력값에 변동이 생기는 경우 버퍼탱크에 저장된 수소의 공급속도와 수소의 생산을 위한 연료개질 속도를 통합적으로 제어하지 못하여, 전력 필요량을 유동적으로 조절하기 어렵고, 운송 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
또한, 수소생산 시 발생하는 에너지를 활용하지 못해 연료 사용 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소를 생산하기 위한 연료를 공급하는 연료공급장치(10);
상기 연료를 개질하여 수소를 포함한 개질가스를 생성하는 연료개질장치(20);
상기 개질가스에 포함된 수소를 고순도로 정제하는 수소정제장치(30);
수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지(50);
상기 연료전지에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 압력계(41); 및
상기 연료전지에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 미세유량제어밸브(42):를 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료전지의 목표 전력량 및 상기 압력계의 압력값에 따라 상기 미세유량제어밸브를 조절하는 제어기(90)를 더 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제어기는,
연료전지에 공급되는 수소가 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어날 경우, 연료공급장치를 조절하는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 수소정제장치로부터 공급받은 수소를 압축하는 수소압축장치(60);
수소 수요처에 필요한 조건에 따라 수소를 공급하는 수소공급장치(70); 및
수소를 저장하는 수소저장탱크(80):를 더 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제어기는,
상기 수소공급장치 내 압력 및 유량 정보를 받아 상기 수소압축장치의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료개질장치에서 개질가스를 생성하면서 발생하는 열은 상기 수소공급장치에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료를 개질하여 개질가스를 생산하고, 상기 개질가스를 고순도의 수소로 정제하여 연료전지에 공급하되,
상기 수소는 미세유량제어밸브에 의하여 일정한 압력 및 유량으로 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료전지의 목표전력량 및 수소의 압력값에 따라 상기 미세유량제어밸브를 조절하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 수소가 상기 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어날 경우, 개질되는 연료량을 조절하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 수소는 압축되고, 압축된 수소를 수소 수요처에 공급하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 압축된 수소의 압력 및 유량 정보에 따라 상기 수소가 압축되는 압력이 조절되는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료를 개질할 때 발생하는 열을 이용하여 상기 수소 수요처에 필요한 조건의 수소를 공급하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 에너지공급시스템에 따르면, 버퍼탱크의 설치가 필요하지 않아 에너지공급시스템의 부피 및 무게를 줄일 수 있어, 공간 효율 및 운송 효율이 개선된다.
또한, 압력계와 미세유량제어밸브를 이용하여 수소의 압력 및 유량을 조절하여 연료전지에 요구되는 조건에 따라 일정한 압력 및 유량의 수소를 공급할 수 있다.
또한, 목표 전력값에 따라 연료전지로 공급되는 수소의 생산과 공급, 이와 더불어 수소저장탱크로 공급되는 수소의 압력 및 유량을 통합적으로 조절할 수 있어, 수소의 활용 및 제어 효율이 향상된다.
또한, 연료개질 시 발생하는 폐열 및 수소 정제과정에서 발생하는 불순물 가스 중에 포함된 가연성 물질을 활용할 수 있어 시스템의 에너지 사용 효율이 향상된다.
도 1은 버퍼탱크를 적용한 종래의 연료개질 에너지공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모바일용 에너지공급 방법으로서, 연료전지의 출력과 고압수소 공급 유량을 제어하는 방법에 대한 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조 하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 버퍼탱크를 적용한 종래의 연료개질 에너지공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료공급장치(1)는 수소를 생산하기 위하여 알코올이나 탄화수소연료를 연료개질장치(2)로 공급하며, 연료개질장치(2)는 공급받은 연료를 개질하여 개질가스를 생산한다.
수소정제장치(3)는 개질가스 중 포함된 수소를 고순도로 정제하여 연료전지 등 수소 수요처에 적합한 순도로 수소를 공급할 수 있도록 한다.
연료전지(5)는 정제된 고순도의 수소를 공급받아 전기를 생산하여, 전기 수요처에 이를 공급한다.
수소압축장치(6)는 정제된 수소를 고압으로 압축하여 저장 및 운반을 용이하게 하고, 수소공급장치(7)는 압축된 수소를 공급받아 감압이나 정량 등을 통해 압력 및 유량을 조절하여 수소 수요처에 공급할 수 있다.
수소의 공급이 원활하지 못하면 연료전지의 경우 효율이 떨어질 수 있는데, 이는 연료개질장치(2)에서 개질가스를 생산하는 속도와 연료전지(5) 등 수소 수요처의 수소 소모 속도 차이에 의하여 유발될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 수소정제장치 후단에 버퍼탱크(4)를 설치하여, 연료가 과량 개질되어 수소가스를 많이 생산한 경우 이를 저장하고, 연료가 덜 개질되어 수소가스가 부족하게 생산된 경우 이미 저장되어 있던 수소를 함께 공급해 줌으로써, 연료전지(5)에 일정한 유량 및 압력으로 수소를 공급할 수 있다. 다만 버퍼탱크는 부피가 커서 에너지공급시스템의 설치 면적이 증가하여, 운송 효율이 감소되는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 모바일용 에너지공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
모바일용이라 함은, 전기를 단독으로 이용하거나 전기를 보조적으로 이용하여 구동되는 수단이나 이동수단 및 그것에 포함되는 내부시스템 등에 사용하기 위한 것임을 포함하며, 구체적으로 HFO(Heavy Fuel Oil), MDO(Marine Diesel Oil), MGO(Marine Gas Oil) 등 연료유, LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등 액화연료를 사용하는 엔진 및 연료전지에 의하여 구동되는 엔진을 함께 사용하는 선박, 연료전지에 의하여 구동되는 엔진만을 사용하는 선박, 수소개질에 사용되는 연료(예를 들면, 메탄올, 에탄올 등의 알코올이나, 탄화수소연료)를 사용하는 엔진 및 상기 연료에 의해 개질된 수소를 이용하는 연료전지에 의하여 구동되는 엔진을 함께 사용하는 선박 및, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 전기 소비가 필요하며 해상에 부유하는 해상 구조물 등에 사용하는 것을 포함할 수 있다.
연료저장탱크(100)는 수소를 생산할 수 있는 연료를 저장하는 탱크로서, 메탄올, 에탄올 등의 알코올이나, LNG 등 탄화수소연료 등을 저장할 수 있다.
연료공급장치(10)는 수소를 생산하기 위하여 연료저장탱크(100)로부터 연료개질장치(20)로 연료를 공급할 수 있으며, 구체적으로 연료공급펌프 등이 사용될 수 있다.
연료개질장치(20)는 수증기 개질 반응, 부분산화 반응, 자열 반응 중 어느 하나 이상을 이용하여, 연료로부터 수소를 포함한 개질가스를 생성할 수 있다. 구체적으로 수증기 개질기와 버너(burner) 가열 장치를 조합한 외부 가열식 개질기, 수증기 개질기와 촉매 연소기를 적층하여 열교환시키는 적층형 개질기 또는 자열 개질기 등이 사용될 수 있다.
수소정제장치(30)는 상기 개질가스로부터 불순물을 제거하여 고순도의 수소로 정제하며, 연료전지 등 수소 수요처에서 요구되는 조건의 순도로 수소를 정제할 있다. 사용되는 연료 및 개질 방식에 따라 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 수증기 등의 불순물이 일정 농도 이하가 되도록 제거되며, 제거된 불순물 가스 중에 포함된 수소, 메탄 등 가연성 물질은 연소버너 등을 통해 연료개질에 재사용되거나 기타 열에너지 수요처에 공급될 수 있다.
압력계(41)는 정제된 수소가 연료전지로 공급되는 압력을 측정하며, 미세유량제어밸브(42)는 연료전지에 공급되는 수소의 유량이 일정하도록 조절한다. 상기 버퍼탱크(4)를 대신하여 수소 공급라인에 부피가 작은 압력계 및 미세유량제어밸브를 설치함으로써, 전체 에너지공급시스템의 설계 면적을 감소시킬 수 있고, 배치 효율을 향상시킬 수 있다.
연료전지(50)는 수소를 공급받아 전기를 생산하고 전기 수요처에 이를 공급하며, 사용여건, 필요 전력량 등에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고분자 전해질형(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 중 어느 하나 이상을 선택할 수 있다.
수소압축장치(60)는 수소정제장치로부터 정제된 수소를 저온 또는 고압 환경에서 압축하여 저장 및 운송이 용이한 형태로 수소공급장치(70)로 공급한다. 수소공급장치(70)는 압축된 수소의 압력 및 유량을 감압이나 정량 등을 통해 수소 수요처에 필요한 조건에 따라 적합하게 조절하여 공급할 수 있다. 이때 상기 연료개질장치에서 부분 산화 반응 등의 발열반응을 이용함에 따라 발생하는 열에너지를 수소공급장치에 공급할 수 있고, 열에너지는 수소 수요처에 공급되는 수소의 압력이나 온도 조건 등을 조절하는 데 사용될 수 있다.
수소저장탱크(80)는 수소 수요처 중 하나로서, 수소공급장치로부터 수소저장탱크에 적합한 압력 및 유량으로 수소를 공급받아 이를 저장할 수 있다. 저장된 수소는 연료전지 등 수소 수요처에서 공급되는 수소량이 부족할 때 공급될 수 있다.
제어기(90)는 에너지공급시스템의 구성으로부터 전달받은 정보를 이용하여 다른 구성의 동작을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료전지로부터 목표전력량을 전달받으면, 상기 압력계의 현재 수소 압력값을 이용하여 필요한 수소 유량에 맞는 제어밸브 개도율을 미세유량제어밸브에 전달할 수 있고, 이러한 제어과정을 통하여 연료전지에 필요한 수소의 압력 및 유량을 조절하고 이를 일정하게 유지할 수 있다. 이를 통해 버퍼탱크를 두지 않고도 일정한 압력과 유량의 수소를 연료전지로 공급할 수 있으며, 에너지공급시스템의 배치 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 수소정제장치로부터 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어난 수소가 공급되는 경우, 제어기는 연료공급장치를 조절하여 연료개질장치에 공급되는 연료의 양을 조절할 수 있다. 구체적으로, 연료전지로 공급되는 수소가 미세유량제어밸브의 최소제어범위 미만이 될 경우 연료공급장치가 더 많은 연료를 공급하도록 하고, 최대제어범위를 초과할 경우 연료공급장치가 더 적은 연료를 공급하도록 제어할 수 있다.
또한, 수소압축장치에서 고압으로 수소를 압축하는 경우, 제어기는 상기 수소공급장치 내 압력 및 유량 정보를 받아 필요한 압력의 수소가 공급될 수 있도록 수소압축장치의 압력을 제어할 수 있다. 이로써, 수소 수요처 중 하나인 수소저장탱크로 공급하는 수소의 압력과 유량을 일정하게 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 모바일용 에너지공급 방법은, 수소를 생산할 수 있는 연료를 개질하여 개질가스를 생산하고, 상기 개질가스를 고순도의 수소로 정제하여 연료전지에 공급하는 것을 포함하고, 이때 상기 수소는 미세유량제어밸브에 의하여 일정한 압력 및 유량으로 상기 연료전지에 공급될 수 있다.
연료전지의 목표전력량이 달라지는 경우, 연료전지의 목표전력량 및 연료전지로 공급되는 수소의 압력값에 따라 상기 미세유량제어밸브의 개도율이 조절되는 것을 더 포함할 수 있다.
연료전지에 공급되는 수소가 상기 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어날 경우, 개질되는 연료량을 조절하여 공급되는 수소가 미세유량제어밸브의 제어범위에 속하도록 조절하는 것을 더 포함할 수 있다.
정제된 수소는 압축되고, 압축된 수소를 수소 수요처에 공급하는 것을 더 포함할 수 있고, 이때 수소 수요처에 필요한 조건에 따라 수소를 조절하여 공급할 수 있다.
압축된 수소의 압력 및 유량 정보에 따라 상기 정제된 수소가 압축되는 압력이 조절되는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 연료를 개질할 때 발생하는 열은, 상기 수소 수요처에 공급되는 수소에 요구되는 조건을 충족시키기 위하여 사용되는 것을 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 것 외에, 본 발명에 따른 모바일용 에너지공급 방법에 관하여는 상기한 모바일용 에너지공급시스템의 기재와 중복되는 범위에서 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
1, 10: 연료공급장치
2, 20: 연료개질장치
3, 30: 수소정제장치
4: 버퍼탱크
5, 50: 연료전지
6, 60: 수소압축장치
7, 70: 수소공급장치
41: 압력계
42: 미세유량제어밸브
80: 수소저장탱크
90: 제어기
100: 연료저장탱크

Claims (12)

  1. 수소를 생산하기 위한 연료를 공급하는 연료공급장치(10);
    상기 연료를 개질하여 수소를 포함한 개질가스를 생성하는 연료개질장치(20);
    상기 개질가스에 포함된 수소를 고순도로 정제하는 수소정제장치(30);
    수소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지(50);
    상기 연료전지에 공급되는 수소의 압력을 측정하는 압력계(41); 및
    상기 연료전지에 공급되는 수소의 유량을 조절하는 미세유량제어밸브(42):를 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지의 목표 전력량 및 상기 압력계의 압력값에 따라 상기 미세유량제어밸브를 조절하는 제어기(90)를 더 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어기는,
    연료전지에 공급되는 수소가 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어날 경우, 연료공급장치를 조절하는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 수소정제장치로부터 공급받은 수소를 압축하는 수소압축장치(60);
    수소 수요처에 필요한 조건에 따라 수소를 공급하는 수소공급장치(70); 및
    수소를 저장하는 수소저장탱크(80):를 더 포함하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 수소공급장치 내 압력 및 유량 정보를 받아 상기 수소압축장치의 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료개질장치에서 개질가스를 생성하면서 발생하는 열은 상기 수소공급장치에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급시스템.
  7. 연료를 개질하여 개질가스를 생산하고, 상기 개질가스를 고순도의 수소로 정제하여 연료전지에 공급하되,
    상기 수소는 미세유량제어밸브에 의하여 일정한 압력 및 유량으로 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 하는, 모바일용 에너지공급 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료전지의 목표전력량 및 수소의 압력값에 따라 상기 미세유량제어밸브를 조절하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소가 상기 미세유량제어밸브의 제어범위를 벗어날 경우, 개질되는 연료량을 조절하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소는 압축되고, 압축된 수소를 수소 수요처에 공급하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 압축된 수소의 압력 및 유량 정보에 따라 상기 수소가 압축되는 압력이 조절되는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료를 개질할 때 발생하는 열을 이용하여 상기 수소 수요처에 필요한 조건의 수소를 공급하는 것을 더 포함하는, 모바일용 에너지공급 방법.
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