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KR102522896B1 - 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템 - Google Patents

수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템 Download PDF

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KR102522896B1
KR102522896B1 KR1020200187186A KR20200187186A KR102522896B1 KR 102522896 B1 KR102522896 B1 KR 102522896B1 KR 1020200187186 A KR1020200187186 A KR 1020200187186A KR 20200187186 A KR20200187186 A KR 20200187186A KR 102522896 B1 KR102522896 B1 KR 102522896B1
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이상진
심성민
한준희
이동현
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주식회사 패리티
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Abstract

본 발명은 연료전지의 냉각 시 필요한 냉각수와 액체수소의 기화 시 필요한 열전달 매체를 상호 열교환 시킴으로써 운전의 안정성 및 에너지 효율을 향상시키는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 구비된 연료전지부, 액체수소를 저장 및 공급하는 수소공급부, 상기 수소공급부로부터 공급되는 액체수소를 기화시켜 상기 연료전지로 공급하고, 상기 연료전지의 가동 중 발생하는 열부하를 감소시키는 열관리부 및 시스템의 압력 및 온도를 전반적으로 제어하는 제어부를 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 포함한다.

Description

수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템{Integrated cooling and vaporizing system for hydrogen fuel cell vehicle}
본 발명은 수소연료전지 차량용 냉각 및 기화 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 냉각 시 필요한 열전달 매체와 액체수소의 기화 시 필요한 열전달 매체를 상호 열교환 시킴으로써 운전의 안정성 및 에너지 효율을 향상시키고 시스템의 공정 간소화 및 전체적인 사이즈(부피)를 줄여 제조 원가를 절감하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템에 관한 것이다.
수소연료전지는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용해 동력을 얻으며 생성물은 물밖에 없기 때문에 기존의 내연기관에 비해 높은 에너지 효율과 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있다.
특히 자동차 산업의 경우 높아져 가는 배출가스 규제로 인해 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 수소연료전지차량이 차세대 친환경 자동차로 주목을 받으면서 여러 완성차 회사들에서 활발한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 수소연료전지차량은 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소연료탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재되어 있다.
즉, 수소연료전지차량은 수소연료탱크에서 공급되는 기체 또는 액체 상태의 수소 연료를 공기 중 산소와 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)을 동력원으로 사용하기 때문에 배출가스 등의 공해물질이 배출되지 않아 환경오염이 없으며, 다른 연료보다 에너지 효율이 우수하여 적은 연료로도 장거리를 주행할 수 있다.
한편, 수소연료전지차량의 수소연료탱크에 액체 수소를 저장하는 경우 연료전지 스택에 수소를 원활하게 공급하기 위해서는 외부에서 기화열의 공급이 필요하다.
즉, 외부열원을 이용하여 액체수소를 기체 상태로 상변화 시킨 후 연료전지로 공급하게 된다.
또한, 수소연료전지차량은 내연기관 자동차와 비교하여 열효율이 우수한 장점이 있지만 배기손실이 적기 때문에 냉각손실이 비교적 큰 단점이 있으며, 일반적으로 연료전지 스택의 허용 온도는 내연기관과 비교하여 낮게 설정되어 라디에이터를 통과하는 냉각수 입구와 공기 입구의 온도차를 크게 할 수 없다.
이러한 이유로 인하여 수소연료전지차량에 적용되는 라디에이터는 일반적으로 내연기관 자동차의 엔진 냉각을 위한 라디에이터에 비하여 2배 이상의 방열량이 요구되고 있다.
일반적으로 수소연료전지차량의 수소연료 공급 시스템에서는 액체수소를 기화시키기 위해 공랭식 또는 수랭식 기화기를 채용하고 있다. 공랭식 기화기의 경우 대기 중에 수분이 함유되어 있어 열교환 시 배관 등에 결빙을 야기할 수 있으며, 또 공기를 이용하는 특성상 넓은 열전달 면적이 필요하고 공기 유량을 제어하기 위하여 전력소모량이 증가하는 단점이 있다. 수랭식 기화기의 경우 냉매를 지속적으로 순환시켜야 하기 때문에 일정 공간을 차지하는 냉매순환시스템을 설치해야 하고, 이로 인해 운영비 및 설치비가 증가하는 문제점이 있다.
한편, 기존 수소연료전지차량의 수소연료탱크에는 350bar 또는 700bar의 고압 수소가 저장되고, 이러한 수소는 레귤레이터를 통해 감압되어 연료전지 스택으로 공급되는 데, 이 과정에서 수소가스가 단열 팽창함에 따라 수소연료탱크 내에 상온으로 저장되어 있던 수소가스의 온도가 레귤레이터를 통과하면서 급격히 낮아져 저온 상태로 연료전지 스택에 공급된다.
연료전지 스택으로 많은 유량의 차가운 수소가 공급되는 경우 연료전지 스택 내부의 고온 다습한 재순환 수소가스와 혼합되면서 작은 액체방울(액적/Water Droplet)이 발생하게 되고, 이로 인해 연료전지 스택 내 채널 막힘(Blocking) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하여 성능을 저하시키게 된다.
또한, 수소연료전지차량에서 공기는 압축기에 의해 압축되어 연료전지 스택으로 공급되게 되는데, 압축기를 통해 단열 압축되는 과정에서 공기의 온도가 상승하게 된다. 특히 고출력 조건에서는 100℃ 이상의 공기가 연료전지 스택에 인가될 수도 있다.
연료전지 스택에 공급되는 공기의 온도가 높으면 공기가 함유한 수분량이 동일한 조건에서 상대습도가 낮아지게 되고, 상대적으로 건조한 공기가 연료전지 스택에 공급되어 연료전지 스택 내부에 드라잉(Drying) 현상이 발생할 수 있고, 이 경우 연료전지 스택의 연료전지 셀을 구성하는 전해질막 내부의 가습량이 떨어져 전해질막의 저항이 증가하게 되면 전해질막을 통한 물질 이동이 불량하게 되고, 이로 인해 연료전지 스택 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해 대부분의 연료전지 시스템에서는 압축기 전/후단에 냉각기를 적용하여 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각시키는 방식을 채택하고 있는데, 이로 인해 라디에이터의 냉각 부하가 증가하고 원가가 상승하는 등의 문제점이 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR 특허등록 제10-1237212호 B1(2013.02.19) KR 특허공개 제10-2020-0068796호 A(2020.06.16) KR 특허등록 제10-1885695호 B1(2018.07.31) KR 특허등록 제10-1795241호 B1(2017.11.01) KR 특허등록 제10-1647465호 B1(2016.08.04)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 기술이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, 연료전지 스택에서 발생하는 열량을 냉매와 열교환하는 열전달 매체를 통해 회수하여 수소연료탱크의 액체수소를 기화시키고, 이를 압력 이송(pressure feed)에 활용함으로써 운전 및 에너지 효율을 향상시키고 시스템의 전체적인 부피를 줄여 제조 원가를 낮추고, 아울러 액체수소의 냉열을 이용하여 연료전지 스택의 열부하를 신속히 제거함으로써 전력소모 및 전열면적을 감소시키고 시스템 제어의 단순화는 물론 안정성을 증대시키는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 수소연료전지차량 통합형 냉각 및 기화 시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 연료전지에서 발생하는 반응열을 연료전지에 공급하는 액체수소연료의 기화 및 압력 이송에 필요한 열에너지로 활용할 수 있도록 하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 착상을 구체화하면서 특정의 기술적 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적인 수단은, 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 구비된 연료전지부, 액체수소를 저장 및 공급하는 수소공급부, 상기 수소공급부로부터 공급되는 액체수소를 기화시켜 상기 연료전지로 공급하고, 상기 연료전지의 가동 중 발생하는 열부하를 감소시키는 열관리부 및 시스템의 압력 및 온도를 전반적으로 제어하는 제어부를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 제시한다.
이로써 본 발명은 연료전지에서 발생하는 에너지를 냉각수와 열교환하는 열전달 매체를 통해 회수하여 수소연료탱크의 액체수소를 기화시키고, 이를 압력 이송(pressure feed)에 활용할 수 있다.
따라서 수소연료전지차량의 운전 및 에너지 효율을 향상시키고 시스템의 공정 간소화 및 전체적인 사이즈(부피)를 줄여 제조 원가를 절감하고, 아울러 액체수소의 냉열을 이용하여 연료전지의 열부하를 감소시켜 전력소모 및 전열면적을 줄이고 응결 및 결빙을 방지함은 물론 제어의 안정성을 높이는 새로운 효과가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 연료전지부는, 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지, 상기 연료전지에 냉각수를 순환시키는 연료전지 냉각수 순환펌프, 상기 연료전지로 순환시키기 위한 냉각수를 저장하는 연료전지 냉각수 저장탱크 및 상기 연료전지를 통과한 냉각수의 온도 변화를 감지하여 측정하고 신호로 변환하는 온도 센서를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 수소공급부는, 액체수소를 저장하는 수소저장탱크, 상기 수소저장탱크 내의 액체수소가 외부로 나왔다가 다시 내부로 되돌아가도록 하여 상기 수소저장탱크 내의 액체수소를 순환시키는 수소 순환배관, 상기 수소 순환배관 내의 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시키고, 상기 수소저장탱크의 내부로 순환시켜 상기 수소저장탱크의 내부 압력을 상승시키는 승압기, 상기 승압기에서 상기 수소저장탱크로 공급되는 기화된 수소의 압력을 제어하여 이상 압력 시 대기 중으로 방출하는 압력제어밸브 및 상기 수소저장탱크 내 액체수소의 상기 연료전지로 공급이나 흐름을 차단하는 개폐밸브를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 열관리부는, 상기 수소저장탱크로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 상기 연료전지로 공급하는 기화기, 열전달 매체를 저장하는 열전달 매체 탱크, 상기 열전달 매체 탱크 내의 열전달 매체를 열전달 매체 순환배관을 통해 상기 기화기를 거쳐 상기 승압기로 순환시키는 열전달 매체 순환펌프 및 상기 열전달 매체 순환배관과 연결 및 상기 냉각수 탱크 내에 설치되고, 상기 연료전지를 냉각하기 위한 냉각수와 열교환으로 열전달 매체의 온도를 상승시키는 열교환 튜브를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 열관리부는, 상기 연료전지의 출력 및 반응열 변동에 따라 열전달 매체를 바이패스시키기 위한 바이패스 밸브를 더 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 태양(aspect)으로 상기 열관리부는, 상기 수소저장탱크로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 상기 연료전지로 공급하는 기화기를 포함하며, 상기 수소공급부는, 액체수소를 저장하는 수소저장탱크, 상기 연료전지와 상기 수소저장탱크를 연결하는 공급배관의 도중에 설치되고, 액체수소를 상기 기화기로 공급하는 극저온 펌프, 상기 연료전지와 상기 수소저장탱크를 연결하는 공급배관의 도중에 설치되고, 액체수소의 공급과 흐름을 조절하는 개폐밸브 및 상기 공급배관과 상기 수소저장탱크를 연결하는 배관의 도중에 설치되고, 액체수소의 공급 압력 및 상기 수소저장탱크의 내부 압력을 조절하는 압력조절밸브를 포함하여 구성됨으로써 더욱 많은 양의 액체수소를 원활하게 공급 및 제어할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명은, 연료전지에서 발생하는 반응열을 연료전지 냉각수와 간접 열교환으로 연료전지에 공급하는 액체수소연료의 기화 및 압력 이송에 필요한 열에너지로 활용할 수 있다.
뿐만 아니라 액체수소의 잠열과 현열을 이용하여 연료전지 차량의 운행 특성에 따라 발생하는 변동 열부하에 신속히 대응할 수 있어 공냉식 구조에 비해 전력소모 및 전열면적을 감소 시킬 수 있다.
또한, 기화된 수소의 압력이 지나치게 상승될 때 바이패스관을 통해 대기 중으로 배출되게 하여 열부하 변동에 안정적으로 대응함으로써 펌프류, 제어기 등의 사용 및 그에 가중되는 기계적 부하를 최소화함은 물론 운전의 안전성 및 에너지 효율을 향상시키고 시스템의 공정간소화 및 전체적인 사이즈(부피)를 줄여 제조 원가를 절감할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템에서 스페어(Spare) 열부하 부분이 추가된 것을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 '포함하다' 또는 '구비하다', '가지다' 등의 용어는 본 명세서에서 설시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
이외에도 "부" 및 "유닛"의 용어에 대한 의미는 시스템에서 목적하는 적어도 하나의 기능이나 어느 일정한 동작을 처리하는 단위 또는 역할을 하는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합 등을 통한 수단이나 독립적인 동작을 수행할 수 있는 디바이스 또는 어셈블리 등으로 구현할 수 있다.
그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템은 크게 연료전지부(10), 수소공급부(20), 열관리부(30) 및 제어부(40)를 포함하고 있다.
연료전지부(10)는 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 생산하고, 구동 중 발생하는 열에너지를 제거하여 열부하로부터 보호하는 역할을 한다.
이러한 연료전지부(10)는 연료전지(11), 냉각수 탱크(12), 순환펌프(14) 및 온도 센서(15)를 포함하고 있다.
연료전지(11)는 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
냉각수 탱크(12)는 연료전지(11)를 냉각시키기 위한 냉각수를 저장한다.
냉각수 순환펌프(14)는 냉각수 탱크(12) 내의 냉각수를 압송하여 냉각수 순환배관(13)을 통해 지속적으로 연료전지(11)를 통과하도록 순환시킨다.
여기서 냉각수 순환펌프(14)는 제어부(40)의 제어신호에 의해 가동 및 가동을 정지하도록 그 동력원인 구동모터 등이 제어부(40)와 전기적으로 연결되어 있고, 소정의 압력과 양정 및 유량으로 펌핑 작용을 안정적으로 수행하여 냉각수를 압송시킨다.
즉, 냉각수 순환펌프(14)는 구동모터 등과 같은 동력원의 구동력에 의해 가동하며, 그 동력원은 원격 조정으로 시동 및 정지 가능하도록 구비할 수 있다.
온도 센서(15)는 연료전지(11)를 통과한 냉각수의 온도 변화를 감지하여 측정하고 신호로 변환하여 제어부(40)로 전송한다.
수소공급부(20)는 액체수소를 저장 및 공급하는 역할을 한다.
이러한 수소공급부(20)는 수소저장탱크(21), 수소 순환배관(22), 승압기(24), 압력제어밸브(25) 및 개폐밸브(27)를 포함하고 있다.
수소저장탱크(21)는 외부로부터 공급받은 극저온 상태의 액체수소를 저장한다.
수소 순환배관(22)은 수소저장탱크(21) 내의 액체수소가 외부로 이송되었다가 다시 내부로 유입되도록 하여 수소저장탱크(21) 내의 액체수소를 순환시킨다.
승압기(24)는 수소 순환배관(22) 내의 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시키고, 수소저장탱크(21)의 내부로 순환시켜 수소저장탱크(21)의 내부 압력을 상승시킨다.
여기서 승압기(24)는 열교환을 위한 전열 면적 증가, 표면적 및 효율을 증대시키기 위해 핀 튜브(fin tube) 방식으로 이루어지거나 냉각핀 또는 냉각판 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
압력제어밸브(25)는 승압기(24)에서 수소저장탱크(21)로 공급되는 기화된 수소의 압력을 제어하여 이상 압력 시 바이패스관(28)을 통해 대기 중으로 방출한다.
개폐밸브(27)는 액체수소의 공급과 흐름을 조절하기 위해 연료전지(11)와 수소저장탱크(21)를 연결하는 공급배관(26)의 도중에 설치되어 있다.
여기서 압력제어밸브(25) 및 개폐밸브(27)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 전기에너지를 자기에너지로 바꾸는 전자기력에 의해 그 개폐동작을 전환하는 솔레노이드 밸브를 채용할 수 있다.
열관리부(30)는 수소공급부(20)로부터 공급되는 액체수소를 기화시켜 연료전지(11)로 공급하고, 연료전지(11)의 가동 중 발생하는 열부하를 감소시키는 역할을 한다.
이러한 열관리부(30)는 기화기(31), 열전달 매체 탱크(32), 열전달 매체 순환펌프(34), 열교환 튜브(35) 및 바이패스 밸브(36)를 포함하고 있다.
기화기(31)는 수소저장탱크(21)로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 공급배관(26)을 통해 연료전지(11)로 공급한다.
여기서 기화기(31)는 열교환을 위한 전열 면적 증가, 표면적 및 효율을 증대시키기 위해 핀 튜브(fin tube) 방식으로 이루어지거나 냉각핀 또는 냉각판 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
열전달 매체 탱크(32)는 열전달 매체를 일시 저장한다.
열전달 매체 순환펌프(34)는 열전달 매체 탱크(32) 내의 열전달 매체를 압송하여 열전달 매체 순환배관(33)을 통해 기화기(31)를 거쳐 승압기(24)로 순환시킨다.
여기서 열전달 매체 순환펌프(34)는 제어부(40)의 제어신호에 의해 가동 및 가동을 정지하도록 그 동력원인 구동모터 등이 제어부(40)와 전기적으로 연결되어 있고, 소정의 압력과 양정 및 유량으로 펌핑 작용을 안정적으로 수행하여 냉각수를 압송시킨다.
즉, 열전달 매체 순환펌프(34)는 구동모터 등과 같은 동력원의 구동력에 의해 가동하며, 그 동력원은 원격 조정으로 시동 및 정지 가능하도록 구비할 수 있다.
열교환 튜브(35)는 연료전지(11)를 냉각하는 냉각수와 열교환으로 열전달 매체의 온도를 상승시키기 위해 열전달 매체 순환배관(33)과 연결 및 냉각수 탱크(12) 내에 설치되어 있다.
여기서 열교환 튜브(35)는 열교환을 위한 전열 면적 증가, 표면적 및 효율을 증대시키기 위해 핀 튜브(fin tube) 방식으로 이루어지거나 냉각핀 또는 냉각판 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
바이패스 밸브(36)는 연료전지(11)의 출력 및 반응열 변동에 따라 수반되는 온도센서의 온도변화 신호를 제어부에서 감지하여 이에 대한 대응으로 열전달 매체를 우회(바이패스)시키기 위해 열전달 매체 순환배관(33)의 도중(중간)에 설치되어 있다.
여기서 바이패스 밸브(36)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 전기에너지를 자기에너지로 바꾸는 전자기력에 의해 그 개폐동작을 전환하는 솔레노이드 밸브를 채용할 수 있다.
제어부(40)는 시스템의 압력 및 온도를 전반적으로 제어하는 역할을 한다.
즉, 제어부(40)는 수소저장탱크(21) 내의 압력을 측정하고 그 압력에 따라 냉각수 순환펌프(14), 압력제어밸브(25), 개폐밸브(27), 열전달 매체 순환펌프(34), 바이패스 밸브(36) 등의 구동과 개폐 작동을 전반적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 수소저장탱크(21) 내의 압력이 저압일 경우 압력제어밸브(25)를 제어하여 승압기(24)로 보내는 액체수소의 공급과 흐름을 조절하여 압력을 증가시킬 수 있고, 고압일 경우 압력제어밸브(25)를 제어하여 승압기(24)에서 수소저장탱크(21)로 공급되는 기화된 수소의 일부를 대기 중으로 방출하기 위하여 배출 계통으로 보냄으로써 감압할 수 있다.
또한, 온도 센서(15)가 연료전지(11)를 통과한 냉각수 순환배관(13) 내의 냉각수 온도를 측정하고 신호로 변환하여 전송하는 값이 미리 정해진 온도 범위에서 벗어나는 경우 열전달 매체 순환배관(33)의 도중에 설치되어 있는 바이패스 밸브(36)가 개폐되어 냉각수 탱크(12) 내에서 열교환 튜브(35)로 유입되는 열전달 매체의 유량을 조절할 수 있게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템의 주요 작용 및 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연료전지(11)의 구동 중 발생하는 열에너지는 냉각수 순환배관(13)을 통해 연료전지(11)를 통과한 냉각수와 열교환으로 회수되고, 이는 다시 열전달 매체 순환배관(33)을 통해 열교환 튜브(35)를 통과한 열전달 매체와 열교환으로 회수되어 열전달 매체 순환펌프(34)의 압송력에 의해 기화기(31)를 거쳐 승압기(24)로 순환된다.
이 과정에서 수소저장탱크(21)로부터 공급배관(26)을 통해 연료전지(11)로 공급되는 액체수소는 기화기(31)를 통과하면서 열전달 매체와 열교환으로 기화된 상태로 연료전지(11)에 공급된다.
또한, 수소저장탱크(21)로부터 수소 순환배관(22)을 통해 외부로 나온 액체수소는 승압기(24)를 통과하면서 열전달 매체와 열교환으로 기화된 상태로 다시 내부로 되돌아가고, 이로 인해 수소저장탱크(21) 내부의 압력은 상승하여 액체수소를 수소 순환배관(22) 및 공급배관(26)으로 압송하기 위한 압력 이송(pressure feed)에 활용할 수 있다.
이때, 승압기(24)에서 수소저장탱크(21)로 공급되는 기화된 수소의 압력이 미리 정해진 압력 범위를 벗어날 시 압력제어밸브(25)를 통해 대기 중으로 방출하기 위한 배출 계통으로 보내어 압력을 제어할 수 있다.
아울러 기화기(31)에서 액체수소와 열교환된 열전달 매체는 승압기(24)에서 한 번 더 액체수소와 열교환을 하며, 이렇게 두 번에 걸친 열교환으로 온도가 낮아진 열전달 매체는 다시 냉각수 탱크(12) 내에서 열교환 튜브(35)를 통해 연료전지(11)를 냉각시키면서 온도가 올라간 냉각수와 열교환으로 온도가 상승한 상태로 열전달 매체 탱크(32)를 거쳐 열전달 매체 순환펌프(34)의 압송력으로 열전달 매체 순환배관(33)을 통해 지속적으로 순환하게 된다.
여기서 연료전지(11)의 구동 중 발생하는 열에너지는 냉각수 순환배관(13)을 통해 연료전지(11)를 통과한 냉각수와 열교환으로 회수되고, 이때 냉각수는 열에너지를 흡수한 상태로 냉각수 순환펌프(14)의 압송력에 의해 냉각수 탱크(12)로 이송되고, 냉각수 탱크(12)에서 열전달 매체와 열교환한 후 온도가 낮아진 상태로 냉각수 순환배관(13)을 통해 다시 연료전지(11)로 지속적으로 순환하게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템은 스페어(Spare) 열부하 부분이 추가될 수 있다.
즉, 부하(50)를 추가로 설치함으로써 연료전지 스택, 인테이크(Intake) 에어(Air) 및 전장품, 차량 실내 온도 유지 등에서 열관리 가능한 장치에 적용될 수도 있다.
여기서 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템과 관련한 구성요소 중 상술한 실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템은, 열관리부(30)가 수소저장탱크(21)로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 연료전지(11)로 공급하는 기화기(31)를 포함하고 있다.
아울러 수소공급부(20)는 액체수소를 저장하는 수소저장탱크(21)가 구비되어 있고, 또 연료전지(11)와 수소저장탱크(21)를 연결하는 공급배관(26)의 도중에는 액체수소를 기화기(31)로 공급하기 위한 극저온 펌프(24-1)가 설치되어 있다.
그리고 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 공급배관(26)과 수소저장탱크(21)를 연결하는 배관의 도중에는 액체수소의 공급 압력 및 수소저장탱크(21)의 내부 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브(29)가 설치되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템은 극저온 펌프(Cryogenic Pump)의 작용으로 인해 상술한 실시 예보다 많은 양의 액체수소를 원활하게 공급 및 제어 가능한 장점이 있다.
여기서 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템과 관련한 구성요소 중 상술한 실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
10: 연료전지부 11: 연료전지
12: 냉각수 탱크 13: 냉각수 순환배관
14: 냉각수 순환펌프 15: 온도 센서
20: 수소공급부 21: 수소저장탱크
22: 수소 순환배관 24: 승압기
25: 압력제어밸브 26: 공급배관
27: 개폐밸브 28: 바이패스관
29: 압력조절밸브 30: 열관리부
31: 기화기 32: 열전달 매체 탱크
33: 열전달 매체 순환배관 34: 열전달 매체 순환펌프
35: 열교환 튜브 36: 바이패스 밸브
40: 제어부

Claims (7)

  1. 기체수소와 대기 중의 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 연료전지(11)가 구비된 연료전지부(10); 액체수소를 저장 및 공급하는 수소공급부(20); 상기 수소공급부(20)로부터 공급되는 액체수소를 기화시켜 상기 연료전지(11)로 공급하고, 상기 연료전지(11)의 가동 중 발생하는 열부하를 감소시키는 열관리부(30); 시스템의 압력 및 온도를 전반적으로 제어하는 제어부(40);를 포함하며;
    상기 수소공급부(20)는,
    액체수소를 저장하는 수소저장탱크(21);
    상기 수소저장탱크(21) 내의 액체수소가 외부로 나왔다가 압력 상승된 이후 다시 내부로 되돌아가도록 하여 상기 수소저장탱크(21) 내의 액체수소를 순환시키는 수소 순환배관(22);
    상기 수소 순환배관(22) 내의 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시키고, 상기 수소저장탱크(21)의 내부로 순환시켜 상기 수소저장탱크(21)의 내부 압력을 상승시키는 승압기(24);
    상기 승압기(24)에서 상기 수소저장탱크(21)로 공급되는 기화된 수소의 압력을 제어하여 이상 압력 시 대기 중으로 방출하기 위한 배출 계통으로 보내는 압력제어밸브(25); 및
    상기 연료전지(11)와 상기 수소저장탱크(21)를 연결하는 공급배관(26)의 도중에 설치되고, 액체수소의 공급과 흐름을 조절하는 개폐밸브(27);
    를 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지부(10)는,
    상기 연료전지(11)를 냉각시키기 위한 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크(12);
    상기 냉각수 탱크(12) 내의 냉각수를 압송하여 냉각수 순환배관(13)을 통해 상기 연료전지(11)를 통과하도록 순환시키는 냉각수 순환펌프(14); 및
    상기 연료전지(11)를 통과한 냉각수의 온도 변화를 감지하여 측정하고 신호로 변환하여 상기 제어부(40)로 전송하는 온도 센서(15);
    를 더 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열관리부(30)는,
    상기 수소저장탱크(21)로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 상기 연료전지(11)로 공급하는 기화기(31);
    열전달 매체를 저장하는 열전달 매체 탱크(32);
    상기 열전달 매체 탱크(32) 내의 열전달 매체를 압송하여 열전달 매체 순환배관(33)을 통해 상기 기화기(31)를 거쳐 상기 승압기(24)로 순환시키는 열전달 매체 순환펌프(34); 및
    상기 열전달 매체 순환배관(33)과 연결 및 냉각수 탱크(12) 내에 설치되고, 상기 연료전지(11)를 냉각하기 위한 냉각수와 열교환으로 열전달 매체의 온도를 상승시키는 열교환 튜브(35);
    를 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열관리부(30)는,
    상기 연료전지(11)의 출력 및 반응열 변동에 따라 열전달 매체를 바이패스시키기 위해 상기 열전달 매체 순환배관(33)의 도중에 설치된 바이패스 밸브(36);
    를 더 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열관리부(30)는,
    상기 수소저장탱크(21)로부터 공급되는 액체수소를 열전달 매체와 열교환으로 기화시켜 상기 연료전지(11)로 공급하는 기화기(31);
    를 포함하며,
    상기 수소공급부(20)는,
    액체수소를 저장하는 수소저장탱크(21);
    상기 연료전지(11)와 상기 수소저장탱크(21)를 연결하는 공급배관(26)의 도중에 설치되고, 액체수소를 상기 기화기(31)로 공급하는 극저온 펌프(24-1);
    상기 공급배관(26)과 상기 상기 수소저장탱크(21)를 연결하는 배관의 도중에 설치되고, 액체수소의 공급 압력 및 상기 수소저장탱크(21)의 내부 압력을 조절하는 압력조절밸브(29);
    를 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 공급배관(26)과 상기 상기 수소저장탱크(21)를 연결하는 배관의 도중에 설치되고, 액체수소의 공급 압력 및 상기 수소저장탱크(21)의 내부 압력을 조절하는 압력조절밸브(29);
    를 더 포함하는 수소연료전지차량의 통합형 냉각 및 기화 시스템.
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