WO2022231169A1 - 수소연료전지 시스템 - Google Patents

수소연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2022231169A1
WO2022231169A1 PCT/KR2022/005181 KR2022005181W WO2022231169A1 WO 2022231169 A1 WO2022231169 A1 WO 2022231169A1 KR 2022005181 W KR2022005181 W KR 2022005181W WO 2022231169 A1 WO2022231169 A1 WO 2022231169A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
path
cell stack
tank
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/005181
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김용석
Original Assignee
김용석
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020210055451A external-priority patent/KR102374957B1/ko
Priority claimed from KR1020210055452A external-priority patent/KR102374959B1/ko
Application filed by 김용석 filed Critical 김용석
Publication of WO2022231169A1 publication Critical patent/WO2022231169A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen fuel cell system, and more particularly, to a hydrogen fuel cell system that maximizes the efficiency of a hydrogen fuel cell using heat of vaporization of liquid hydrogen or gaseous hydrogen vaporized from liquid hydrogen.
  • Hydrogen vehicles that use hydrogen as a fuel for power can be applied to various fields such as space launch vehicles in addition to automobiles and other transportation vehicles.
  • the present invention is an invention devised to solve the problems of the prior art, and when hydrogen is supplied from a hydrogen tank to a fuel cell stack, cooling water is generated through heat exchange in a supply line and used to maintain the temperature of the fuel cell stack and operate This is to provide a hydrogen fuel cell system capable of thermal management to meet different power performance requirements.
  • a hydrogen fuel cell system capable of producing electricity by supplying hydrogen that is naturally vaporized in a liquid hydrogen tank of a hydrogen vehicle to a fuel cell stack and charging the generated electricity in a separate auxiliary battery.
  • the hydrogen fuel cell system of the present invention for achieving the above object includes a tank in which hydrogen is stored, a fuel cell stack for generating electricity by receiving hydrogen from the tank, and liquid hydrogen in the tank from the tank to the fuel.
  • a first path providing a path for moving to the cell stack
  • a third path providing a path through which gaseous hydrogen in which liquid hydrogen in the tank is vaporized moves from the tank to the fuel cell stack
  • the fuel cell stack It may include a motor for generating power by receiving electricity generated from the fuel cell stack, an auxiliary battery for charging by receiving electricity generated from the fuel cell stack, and a controller for controlling the flow of hydrogen.
  • it may further include a first valve provided in the first path to control the flow of hydrogen in the liquid state and a third valve provided in the third path to control the flow of hydrogen in the gaseous state.
  • a second path providing a path through which the cooling water moves to cool the fuel cell stack and a heat exchanger performing heat exchange between the hydrogen and the cooling water may be further included.
  • a second valve provided in the second path to control the flow of the coolant may be further included.
  • the hydrogen fuel cell system of the present invention for achieving the above object, a tank in which liquid hydrogen is stored, a fuel cell stack that generates electricity by receiving hydrogen from the tank, and transfers electricity generated from the fuel cell stack A motor for generating power by receiving it; a first path for providing a path for the hydrogen to move from the tank to the fuel cell stack; a second path for providing a path for cooling water to cool the fuel cell stack; and a heat exchanger for performing heat exchange between the coolant and the coolant, and a controller for controlling the flow of the hydrogen or the coolant.
  • it may further include a first valve provided in the first path to control the flow of hydrogen and a second valve provided in the second path to control the flow of the coolant.
  • control unit may be characterized in that it controls the operation of the first valve or the second valve.
  • it may further include an auxiliary battery for charging by receiving electricity generated from the fuel cell stack.
  • the hydrogen fuel cell system of the present invention for solving the above problems has the following effects.
  • the radiator's heat dissipation area can be remarkably reduced compared to that of a conventional hydrogen vehicle.
  • FIG. 1 and 2 are schematic views of a hydrogen fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram related to the flow of the cooling water of the present invention.
  • the description of the power sliding door actuator of the present invention is only described in terms of vehicle-related content for convenience of explanation, and is not limited thereto. It is apparent to those skilled in the art that the power sliding door actuator of the present invention can be applied to various sliding doors requiring automatic opening and closing, such as doors installed in buildings other than vehicles.
  • FIGS. 1 to 3 A hydrogen fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 .
  • 1 and 2 are schematic diagrams of a hydrogen fuel cell system of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram related to the flow of cooling water of the present invention.
  • the hydrogen fuel cell system of the present invention includes a tank 100 , a fuel cell stack 200 , a motor 300 , a first path 10 , a second path 20 , a vaporizer 15 , and a heat exchanger 400 . , a first valve 11 , a second valve 29 , a third path 30 , a fourth path 40 , an auxiliary battery 500 , and a control unit 600 .
  • the tank 100 may be configured by various methods previously developed so that the tank 100 in which liquid hydrogen is stored may be maintained at -253° C. or less.
  • a gas-liquid separator is provided in the tank 100 to prevent gaseous hydrogen and liquid hydrogen from flowing in a mixed state.
  • the fuel cell stack 200 is configured to generate electricity by receiving hydrogen from the tank 100 , and may generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied from the tank 100 .
  • the motor 300 is configured to generate power by receiving electricity generated from the fuel cell stack 200 to enable the driving of the hydrogen vehicle.
  • the heat exchanger 400 is configured to perform heat exchange between the hydrogen and the cooling water, and the first path 10 and the second path 20 are configured to pass through the heat exchanger 400 and the hydrogen and heat exchange between the coolant and the coolant.
  • the auxiliary battery 500 may be configured to receive and charge electricity generated from the fuel cell stack 200 .
  • the control unit 600 includes the tank 100 , the fuel cell stack 200 , the motor 300 , the vaporizer 15 , the heat exchanger 400 , the first valve 11 , and the second The second valve 29, the third valve 31, and the auxiliary battery 500, such as the driving of the configuration of the present invention can be controlled.
  • the first path 10 is configured to provide a path for liquid hydrogen to move from the tank 100 to the fuel cell stack 200 , and a first valve 11 for controlling the flow of hydrogen in the liquid state. ) and a vaporizer 15 for supplying liquid hydrogen supplied from the tank 100 to the fuel cell stack 200 in a gaseous state.
  • the third path 30 is a separate path different from the first path 10 connected to the tank 100 and the fuel cell stack 200 , from liquid hydrogen present in the tank 100 .
  • a path through which naturally vaporized gaseous hydrogen moves to the fuel cell stack 200 may be provided.
  • the third path 30 may include a third valve 31 for controlling the flow of the gaseous hydrogen.
  • the tank 100 stores liquid hydrogen, and natural vaporization occurs. Accordingly, the pressure of the tank 100 increases, so that a certain amount of discharge is required to prevent the risk of explosion due to damage to the tank 100 .
  • gaseous hydrogen may be supplied to the fuel cell stack 200 through the third path 30 .
  • the fuel cell stack 200 generates electricity using hydrogen supplied through a vaporizer in which liquid hydrogen is supplied through the first path 10 or vaporized gaseous hydrogen supplied through the third path 30 .
  • the third valve 31 may be opened or closed by the control unit 600 , or an opening degree may be controlled, and the vaporized hydrogen may be introduced into the fuel cell stack 200 to generate electricity.
  • the amount of charge of the auxiliary battery 500 or the supply of electricity from the auxiliary battery 500 to the motor 300 may be controlled by the control unit 600 .
  • the control unit 600 closes the third valve 31 and closes the first valve 11 . ) to allow liquid hydrogen to be supplied from the tank 100 to the fuel cell stack 200 , thereby generating and supplying a sufficient amount of electricity.
  • the first valve 11 is closed and the third valve 31 is opened so that gaseous hydrogen vaporized from liquid hydrogen is discharged from the tank 100 Electricity may be generated by supplying it to the fuel cell stack 200 .
  • the generated electricity is charged in the auxiliary battery 500 to enable efficient operation and maintenance of the vehicle when the vehicle is parked or stopped.
  • electricity supplied through the first valve 11 and generated in the fuel cell stack 200 is used only for driving the motor 300 for driving and stored in the auxiliary battery 500 .
  • control unit 600 may control to use the electricity charged in the auxiliary battery 500 first, and when the hydrogen vehicle does not use electricity while the auxiliary battery 500 is fully charged, the Hydrogen vaporized in the tank 100 may be controlled to be discharged to the atmosphere.
  • a separate pressure valve may be installed for this purpose.
  • the fourth path 40 is configured to connect the fuel cell stack 200 and the auxiliary battery 500 for charging electricity generated from the fuel cell stack 200 .
  • the second path 20 is configured to provide a path through which the coolant moves to cool the fuel cell stack 200 , and may include a second valve 29 for controlling the flow of the coolant.
  • the second path 20 includes a 2-1 path 21 , a 2-2 path 22 , a 2-3 path 23 , a 2-4 path 24 , and a 2-th path
  • Five paths may include a first direction change unit 25 , a second direction change unit 26 , a first temperature sensor 27 , and a second temperature sensor 28 .
  • the 2-1 path 21 is configured to provide a path so that hydrogen and the coolant heat-exchanged in the heat exchanger 400 flow in the direction of the fuel cell stack 200 , and the 2-2 path 22 ) or the second-third path 23 may be branched.
  • the 2-2 path 22 is formed from one edge of the fuel cell stack 200 to surround the circumference of the fuel cell stack 200 , They may be merged with the 2-4 path 24 .
  • the 2-3th path 23 is from an edge of the fuel cell stack 200 of the fuel cell stack 200 facing the edge where the 2-2nd path 22 starts, the fuel cell stack ( 200) and may be formed around the periphery to join the 2-4 path (24).
  • the first direction change unit 25 is formed at a branching point from the 2-1 path 21 to the 2-2 path 22 and the 2-3 path 23 to form the control unit 600 . ), the cooling water flowing in from the 2-1 path 21 flows into the 2-2 path 22 or the 2-3 path 23 .
  • the first direction changing part 25 is formed to control the flow rate in addition to the flow direction of the cooling water.
  • the second direction change unit 26 is formed at a point where the 2-3 path 23 and the 2-4 path 24 converge, and is controlled by the control unit 600 in the 2-3 path ( 23) and the cooling water introduced from the 2-4 path 24 flows through the 2-4 path 24 .
  • the 2-4 path 24 may be connected to the 2-1 path 21 through the heat exchanger 400 to provide a path through which the cooling water may circulate.
  • the first temperature sensor 27 and the second temperature sensor 28 are provided in the 2-2 path 22 and the 2-3 path 23, respectively, for the coolant or the fuel cell stack 200 . ) can sense the temperature at a specific point, and it is preferable that the first temperature sensor 27 and the second temperature sensor 28 are provided immediately before joining the 2-4 path 24 . . However, it is obvious that this is only an example and that the temperature can be measured at various locations.
  • the second-fifth path may be branched from the second path to cool the motor.
  • controller 600 controls the first valve 11 or the carburetor 15 in consideration of the amount of electricity generated by the fuel cell stack 200 and the amount of electricity required by the motor 300 , Hydrogen in a liquid state supplied from the tank 100 may be supplied to the fuel cell stack 200 in a gas state.
  • control unit 600 may efficiently perform cooling of the fuel cell stack 200 through the control of the second valve 29 .
  • control unit 600 receiving the temperature value measured by the first temperature sensor 27 and the second temperature sensor 28 is configured to set the temperature measured by the first temperature sensor 27 to the second temperature sensor 27 . If the temperature is higher than the temperature measured by the second temperature sensor 28, the cooling water may flow more through the second second path 22 to maintain a balance.
  • the temperature at the point where the coolant initially cools the fuel cell stack 200 is always low and the temperature at the point where the coolant is finally cooled is formed higher than this.
  • the second path 20 of the present invention is branched into the 2-2 path 22 and the 2-3 path 23 so that both sides of the fuel cell stack 200 can be simultaneously cooled, so that efficient cooling is possible. It is possible.
  • control unit 600 control unit

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 수소연료전지 시스템은, 수소가 저장되는 탱크, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택, 상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로, 상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 기화된 기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리 및 상기 수소의 유동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

수소연료전지 시스템
본 발명은 수소연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액화수소의 기화열 또는 액화수소로부터 기화되는 기체수소를 이용하여 수소연료전지의 효율을 극대화한 수소연료전지 시스템에 관한 것이다.
동력의 연료로 수소를 사용하는 수소 차량은 자동차, 기타 운송차량 외에도 우주 발사체 등 다양한 분야에서의 적용이 가능하며, 이에 따라 최근 친환경 차량에 대한 전세계적인 관심이 집중되고 있다.
대기압에서 수소의 끓는점은 약 -253℃로, 효율성을 위하여 수소는 수소탱크에서 액체 상태로 보관하나, 극도의 단열 및 보냉 재료로 수소탱크를 제조해도 일정량의 자연기화는 불가피하며 일 기준 최대 1% 내지 3%의 수소 기화손실이 발생하는 것으로 알려져 있다.
이와 같이 자연기화시 수소탱크 내압의 상승으로 인해 폭발의 위험성이 있으며 안전을 위해 강제 배출이 요구된다.
따라서, 배출되는 수소를 처리하여 수소 차량의 동력성능 향상 및 효율 향상이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 수소탱크에서 연료전지 스택으로 수소 공급 시 공급라인에서 열교환을 통해 냉각수를 생성하고 이를 연료전지 스택의 온도 유지에 활용하고, 운행에 따라 다른 동력 성능 요구량에 맞는 열관리가 가능한 수소연료전지 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 수소 차량의 액체 수소 탱크 내의 자연 기화되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하고 생산된 전기를 이를 별도의 보조 배터리에 충전하여 활용할 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소연료전지 시스템은, 수소가 저장되는 탱크, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택, 상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로, 상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 기화된 기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리 및 상기 수소의 유동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1경로에 구비되어 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브 및 상기 제3경로에 구비되어 상기 기체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제3밸브를 더 포함할 수 있다.
또는, 냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로 및 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소연료전지 시스템은, 액체 수소가 저장되는 탱크, 상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터, 상기 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로, 냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로, 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기 및 상기 수소 또는 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1경로에 구비되어 상기 수소의 유동을 제어하는 제1밸브 및 상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 제1밸브 또는 상기 제2밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또는, 상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리를 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수소연료전지 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 자연 기화되는 수소를 활용하여 효율을 극대화할 수 있다.
둘째, 효율적인 열관리에 따라 라디에이터의 방열면적을 기존의 수소 차량과 비교하여 현저하게 감소시킬 수 있다.
셋째, 고성능의 냉각팬 또는 냉각수 순환을 위한 고전압의 모터펌프가 불필요하다.
넷째, 방열면적의 감소, 냉각팬 또는 모터펌프의 면적을 최소화하여 차량의 구조설계의 공간효율을 향상시킬 수 있다.
다섯째, 방열면적의 감소, 냉각팬 또는 모터펌프의 면적을 최소화에 따른 무게 감소로 경량화가 가능하여 궁극적인 차량 효율 증대의 선순환 효과를 제시할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 수소연료전지 시스템의 개요도이다.
그리고 도 3은 본 발명의 냉각수의 흐름과 관련된 개요도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 본 발명의 파워 슬라이딩 도어 액츄에이터에 대한 설명은 설명의 편의성을 위하여 차량과 관련된 내용으로 서술된 것일 뿐, 이러한 용도에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 파워 슬라이딩 도어 액츄에이터는, 차량 외에 건물에 설치되는 도어 등 자동으로 개폐가 요구되는 다양한 슬라이딩 도어에 적용될 수 있음은 관련 기술분야의 통상의 기술자에 자명하다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 수소연료전지 시스템에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 수소연료전지 시스템의 개요도이고, 도 3은 본 발명의 냉각수의 흐름과 관련된 개요도이다.
본 발명의 수소연료전지 시스템은, 탱크(100), 연료전지 스택(200), 모터(300), 제1경로(10), 제2경로(20), 기화기(15), 열교환기(400), 제1밸브(11), 제2밸브(29), 제3경로(30), 제4경로(40), 보조배터리(500) 및 제어부(600)를 포함할 수 있다.
상기 탱크(100)는, 액체 수소가 저장되는 탱크(100)로 -253℃ 이하로 유지될 수 있도록 기존에 개발된 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 탱크(100)에는 기액분리기가 구비되어 기체 상태의 수소와 액체 상태의 수소가 혼합된 상태로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 연료전지 스택(200)은, 상기 탱크(100)로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 구성으로, 상기 탱크(100)로부터 공급되는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성할 수 있다.
상기 모터(300)는, 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생하는 구성으로 수소 차량의 주행을 가능하게 한다.
상기 열교환기(400)는, 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 구성으로, 상기 제1경로(10) 및 상기 제2경로(20)는 상기 열교환기(400)를 경유하도록 구성되어 상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환이 이루어질 수 있다.
상기 보조배터리(500)는, 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성되는 전기를 공급받아 충전하는 구성일 수 있다.
상기 제어부(600)는, 상기 탱크(100), 상기 연료전지 스택(200), 상기 모터(300), 상기 기화기(15), 상기 열교환기(400), 상기 제1밸브(11), 상기 제2밸브(29), 상기 제3밸브(31) 및 보조배터리(500) 등 본 발명의 구성의 구동 등을 제어할 수 있다.
상기 제1경로(10)는, 상기 탱크(100)로부터 액체 수소가 상기 연료전지 스택(200)으로 이동하는 경로를 제공하는 구성으로, 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브(11) 및 상기 탱크(100)로부터 공급되는 액체 상태의 수소를 기체 상태로 상기 연료전지 스택(200)에 공급하기 위한 기화기(15)를 포함할 수 있다.
상기 제3경로(30)는, 상기 탱크(100)와 상기 연료전지 스택(200)과 연결되는 상기 제1경로(10)와 다른 별도의 경로로, 상기 탱크(100)에 존재하는 액체 수소로부터 자연 기화된 기체 수소가 상기 연료전지 스택(200)으로 이동하는 경로를 제공할 수 있다.
상기 제3경로(30)는 상기 기체 수소의 유동을 제어하는 제3밸브(31)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 탱크(100)는 액체 수소를 보관하고 있으며, 자연 기화가 발생한다. 이에 따라 탱크(100)의 압력이 커져 탱크(100)의 손상에 따른 폭발의 위험성을 방지하기 위하여 일정량 배출이 필요하다. 이 때, 기체 수소는 상기 제3경로(30)를 통해 상기 연료전지 스택(200)에 공급될 수 있다.
즉, 상기 연료전지 스택(200)은 제1경로(10)를 통해 액체 수소가 기화기를 경유하여 공급되는 수소 또는 제3경로(30)를 통해 공급되는 기화된 기체 수소를 이용하여 전기를 생성할 수 있다.
그리고 상기 제3밸브(31)는 상기 제어부(600)에 의해 개폐 또는 개도량이 제어되고, 상기 기화된 수소는 상기 연료전지 스택(200)에 유입되어 전기를 생산할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)에 의해 상기 보조배터리(500)의 충전량 또는 상기 보조배터리(500)로부터 상기 모터(300)로의 전기 공급이 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(600)는 상기 주행에 따른 상기 모터(300)의 구동을 위해 상기 연료전지 스택(200)에서 전기를 공급할 경우, 상기 제3밸브(31)는 닫고 상기 제1밸브(11)를 열어 액체 수소가 상기 탱크(100)로부터 상기 연료전지 스택(200)으로 공급되도록 하여 충분한 양의 전기를 생성 및 공급할 수 있다.
그리고 상기 수소 차량이 신호에 의해 정지 상태에 있거나 주, 정차 상황에서는 상기 제1밸브(11)를 닫고 상기 제3밸브(31)를 열어 액체 수소로부터 기화된 기체 수소가 상기 탱크(100)로부터 상기 연료전지 스택(200)으로 공급되게 하여 전기를 생성할 수 있다. 그리고 생성된 전기는 보조배터리(500)에 충전되어 차량의 주, 정차 시의 효율적인 운행 및 유지가 가능하다.
또한, 수소 차량이 주행 중인 경우 상기 제1밸브(11)를 통해 공급되어 연료전지 스택(200)에서 생성되는 전기는 주행을 위한 모터(300)의 구동에만 사용되고 보조배터리(500)에서 저장 중인 전기는 주행 외에 수소 차량에 구비된 전자 장비를 운용하기 위한 전기로 사용되게 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는 상기 보조배터리(500)에 충전된 전기를 우선 사용하도록 제어할 수 있으며, 상기 보조배터리(500)가 완전 충전된 상태로 수소 차량이 전기를 사용하지 않는 경우, 상기 탱크(100)에서 기화된 수소가 대기로 배출될 수 있도록 제어할 수 있다. 이를 위해 별도의 압력 밸브가 설치될 수 있다.
이는 상술한 바와 같이 수소 차량이 운행되는 경우뿐만 아니라 액화 수소를 저장하는 경우에도 응용이 가능하다. 즉, 탱크 로리(tank lorry) 등에 액화 수소를 저장하여 보관하는 가운데 자연 기화되는 수소를 통해 발생하는 전기를 별도의 보조 배터리에 충전하는 과정을 통해 버려지는 수소량을 최소화할 수 있다.
상기 제4경로(40)는, 상기 연료전지 스택(200)과 상기 연료전지 스택(200)으로부터 생성된 전기를 충전하는 보조배터리(500)를 연결하는 구성이다.
상기 제2경로(20)는, 냉각수가 상기 연료전지 스택(200)을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 구성으로, 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브(29)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2경로(20)는, 제2-1경로(21), 제2-2경로(22), 제2-3경로(23), 제2-4경로(24), 제2-5경로(미도시) 제1방향전환부(25), 제2방향전환부(26), 제1온도센서(27) 및 제2온도센서(28)를 포함할 수 있다.
상기 제2-1경로(21)는 수소와 상기 열교환기(400)에서 열교환된 냉각수가 상기 연료전지 스택(200) 방향으로 유동할 수 있도록 길을 제공하는 구성으로, 제2-2경로(22) 또는 제2-3경로(23)로 분기될 수 있다.
구체적으로, 상기 연료전지 스택(200)이 직육면체 형상인 경우, 상기 제2-2경로(22)는 상기 연료전지 스택(200)의 일 모서리로부터 상기 연료전지 스택(200)의 둘레를 감싸며 형성되어 상기 제2-4경로(24)로 합류할 수 있다.
그리고 상기 제2-3경로(23)는 상기 제2-2경로(22)가 시작되는 모서리와 마주보는 상기 연료전지 스택(200)의 상기 연료전지 스택(200)의 모서리로부터 상기 연료 전지 스택(200)의 둘레를 감싸며 형성되어 상기 제2-4경로(24)로 합류할 수 있다.
상기 제1방향전환부(25)는 상기 제2-1경로(21)로부터 상기 제2-2경로(22)와 상기 제2-3경로(23)로 분기되는 지점에 형성되어 상기 제어부(600)에 의해 상기 제2-1경로(21)로부터 유입되는 상기 냉각수를 상기 제2-2경로(22) 또는 상기 제2-3경로(23)로 유동시킨다.
이때, 상기 제1방향전환부(25)는 상기 냉각수의 유동 방향 외에 유량을 제어할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2방향전환부(26)는 상기 제2-3경로(23)와 상기 제2-4경로(24)로부터 합류되는 지점에 형성되어 상기 제어부(600)에 의해 상기 제2-3경로(23) 및 상기 제2-4경로(24)로부터 유입되는 상기 냉각수를 상기 제2-4경로(24)를 통해 유동시킨다.
그리고 상기 제2-4경로(24)는 상기 열교환기(400)를 거쳐 상기 제2-1경로(21)와 연결되어 상기 냉각수가 순환될 수 있도록 경로를 제공할 수 있다.
상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)는 각각 상기 제2-2경로(22) 및 상기 제2-3경로(23)에 구비되어 상기 냉각수 또는 상기 연료전지 스택(200)의 특정 지점에서의 온도를 감지할 수 있으며, 상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)는 상기 제2-4경로(24)에 합류하기 직전에 구비되는 것이 바람직하다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐 다양한 위치에서 온도를 측정할 수 있음은 자명하다.
상기 제2-5경로는 상기 모터를 냉각시킬 수 있도록 상기 제2경로로부터 분기되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제어부(600)는, 상기 연료전지 스택(200)에서 생성되는 전기량과 상기 모터(300)에서 요구하는 전기량을 고려하여 상기 제1밸브(11) 또는 상기 기화기(15)를 제어함으로써, 상기 탱크(100)로부터 공급되는 액체 상태의 수소를 기체 상태로 상기 연료전지 스택(200)에 공급할 수 있다.
또한 상기 제어부(600)는, 상기 제2밸브(29)의 제어를 통해 상기 연료전지 스택(200)의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1온도센서(27) 및 상기 제2온도센서(28)에서 측정한 온도 값을 전달받은 상기 제어부(600)는, 상기 제1온도센서(27)에서 측정한 온도가 상기 제2온도센서(28) 측정한 온도보다 높은 경우 상기 제2-2경로(22)로 상기 냉각수를 더 많이 유동하게 하여 균형을 유지할 수 있다.
기존의 냉각수는 하나의 경로로 한 방향으로만 유동하므로 냉각수가 최초 연료전지 스택(200)을 냉각시키는 지점은 항상 온도가 낮고 최후에 냉각시키는 지점은 이보다 온도가 높게 형성된다.
그러나, 본 발명의 제2경로(20)는 제2-2경로(22)와 제2-3경로(23)로 분기되어 상기 연료전지 스택(200)의 양면을 동시에 냉각할 수 있어 효율적인 냉각이 가능하다.
[부호의 설명]
10: 제1경로
11: 제1밸브
15: 기화기
20: 제2경로
21: 제2-1경로
22: 제2-2경로
23: 제2-3경로
24: 제2-4경로
25: 제1방향전환부
26: 제2방향전환부
27: 제1온도센서
28: 제2온도센서
29: 제2밸브
30: 제3경로
31: 제3밸브
40: 제4경로
100: 탱크
200: 연료전지 스택
300: 모터
400: 열교환기
500: 보조배터리
600: 제어부

Claims (8)

  1. 수소가 저장되는 탱크;
    상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로;
    상기 탱크 내의 액체 상태의 수소가 기화된 기체 상태의 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제3경로;
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터;
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리; 및
    상기 수소의 유동을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 수소연료전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1경로에 구비되어 상기 액체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제1밸브; 및
    상기 제3경로에 구비되어 상기 기체 상태의 수소의 유동을 제어하는 제3밸브;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로; 및
    상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  5. 액체 수소가 저장되는 탱크;
    상기 탱크로부터 수소를 전달받아 전기를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 동력을 발생시키는 모터;
    상기 수소가 상기 탱크로부터 상기 연료전지 스택으로 이동하는 경로를 제공하는 제1경로;
    냉각수가 상기 연료전지 스택을 냉각시키도록 이동하는 경로를 제공하는 제2경로;
    상기 수소와 상기 냉각수 간의 열교환을 수행하는 열교환기; 및
    상기 수소 또는 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 수소연료전지 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1경로에 구비되어 상기 수소의 유동을 제어하는 제1밸브; 및
    상기 제2경로에 구비되어 상기 냉각수의 유동을 제어하는 제2밸브;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1밸브 또는 상기 제2밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택으로부터 생성되는 전기를 전달받아 충전하는 보조배터리;
    를 더 포함하는 수소연료전지 시스템.
PCT/KR2022/005181 2021-04-29 2022-04-11 수소연료전지 시스템 WO2022231169A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0055452 2021-04-29
KR10-2021-0055451 2021-04-29
KR1020210055451A KR102374957B1 (ko) 2021-04-29 2021-04-29 액화수소 기화열을 이용한 수소연료전지 시스템
KR1020210055452A KR102374959B1 (ko) 2021-04-29 2021-04-29 액화수소 기화손실가스를 이용한 수소연료전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022231169A1 true WO2022231169A1 (ko) 2022-11-03

Family

ID=83848643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/005181 WO2022231169A1 (ko) 2021-04-29 2022-04-11 수소연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022231169A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090108200A (ko) * 2008-04-11 2009-10-15 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 배터리 충전 장치 및 방법
KR20130070161A (ko) * 2011-12-19 2013-06-27 자동차부품연구원 연료전지의 수소 재순환 시스템
KR20180087051A (ko) * 2017-01-24 2018-08-01 주식회사 스토리지안 급발진 원인 발생 방지 기능을 가지는 자동차 시스템
JP2019029100A (ja) * 2017-07-26 2019-02-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び制御装置
KR20200111344A (ko) * 2019-03-19 2020-09-29 하이리움산업(주) 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090108200A (ko) * 2008-04-11 2009-10-15 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 배터리 충전 장치 및 방법
KR20130070161A (ko) * 2011-12-19 2013-06-27 자동차부품연구원 연료전지의 수소 재순환 시스템
KR20180087051A (ko) * 2017-01-24 2018-08-01 주식회사 스토리지안 급발진 원인 발생 방지 기능을 가지는 자동차 시스템
JP2019029100A (ja) * 2017-07-26 2019-02-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び制御装置
KR20200111344A (ko) * 2019-03-19 2020-09-29 하이리움산업(주) 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018105925A1 (ko) 차량용 열관리 시스템
WO2022177303A1 (ko) 차량의 공조용 냉각수 매니폴드 및 통합 냉각수 분배 및 저장 모듈
WO2019066330A1 (ko) 자동차의 통합 열관리 시스템
WO2014081138A1 (ko) 배터리 온도 조절 장치
WO2013183889A1 (ko) 배터리 팩
WO2020246792A1 (ko) 열관리 시스템
WO2021025426A1 (ko) 차량의 통합 열관리 회로 {integrated thermal management circuit for vehicle}
WO2022014900A1 (ko) 베이퍼 인젝션 모듈 및 이를 이용하는 히트펌프 시스템
WO2019225867A1 (ko) 열관리 시스템
KR20210090814A (ko) 냉각수 급수 모듈
WO2022231169A1 (ko) 수소연료전지 시스템
WO2022030663A1 (ko) 통합 열관리용 리저버 탱크 및 이를 포함한 통합 열관리 모듈
WO2024106748A1 (ko) 연료전지 배열 활용 고효율 일체형 흡수식 냉방시스템
WO2018186624A1 (ko) 차량용 열관리 시스템의 수가열식 ｐｔｃ 히터 제어 방법
WO2018190540A1 (ko) 차량용 공조장치
WO2020204570A1 (ko) 차량의 열관리 시스템
WO2021210715A1 (ko) 배터리 보호 장치 및 그 방법
WO2023177027A1 (ko) 다중 포트 밸브 장치 및 이를 이용한 열관리 시스템
KR102374957B1 (ko) 액화수소 기화열을 이용한 수소연료전지 시스템
WO2020246793A1 (ko) 열관리 시스템
WO2021242017A1 (en) Thermal management arrangement for vehicles and method for operating a thermal management arrangement
WO2018225923A1 (ko) 복합 발전장치
WO2021246722A1 (ko) 차량의 열관리 시스템
WO2023128537A1 (ko) 배터리팩 냉각 장치, 및 이를 포함하는 충전 스테이션
WO2023132659A1 (ko) 매니폴드 냉매 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22796003

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22796003

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1