KR102485476B1 - Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof - Google Patents

Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102485476B1
KR102485476B1 KR1020150177865A KR20150177865A KR102485476B1 KR 102485476 B1 KR102485476 B1 KR 102485476B1 KR 1020150177865 A KR1020150177865 A KR 1020150177865A KR 20150177865 A KR20150177865 A KR 20150177865A KR 102485476 B1 KR102485476 B1 KR 102485476B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
cell stack
temperature
supplied
Prior art date
Application number
KR1020150177865A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20170070403A (en
Inventor
최현규
Original Assignee
현대모비스 주식회사
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
Application filed by 현대모비스 주식회사 filed Critical 현대모비스 주식회사
Priority to KR1020150177865A priority Critical patent/KR102485476B1/en
Publication of KR20170070403A publication Critical patent/KR20170070403A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102485476B1 publication Critical patent/KR102485476B1/en

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
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • 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
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • 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
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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

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)

Abstract

본 발명의 일면에 따른 연료전지 수소공급 시스템은, 수소탱크를 포함하는 수소저장부; 상기 수소저장부와 하기 수소개질장치로부터 수소를 공급받아 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소공급장치; 가습기를 포함하는 공기공급장치; 물탱크와 수온 상승을 위한 히터를 포함하는 열관리장치; 상기 히터와 하기 연료전지스택으로부터 열을 공급받고 상기 열관리장치로부터 물을 공급받아 메탄올을 수소로 변환하여 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소개질기를 포함하되, 상기 수소개질기는 하기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치보다 높은 경우에만 동작하는 수소개질장치; 및 상기 수소공급장치와 로부터 수소를 공급받고, 상기 공기공급장치로부터 산소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지스택을 포함하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell hydrogen supply system according to an aspect of the present invention includes a hydrogen storage unit including a hydrogen tank; a hydrogen supply device receiving hydrogen from the hydrogen storage unit and the hydrogen reforming device and supplying hydrogen to the fuel cell stack; An air supply device including a humidifier; A thermal management device including a water tank and a heater for raising the water temperature; A hydrogen reformer that receives heat from the heater and the fuel cell stack, receives water from the thermal management device, converts methanol into hydrogen, and supplies hydrogen to the fuel cell stack, wherein the hydrogen reformer is a hydrogen reformer that operates only when the temperature is higher than a preset threshold value; and a fuel cell stack receiving hydrogen from the hydrogen supply device and oxygen supply and generating electric power by receiving oxygen from the air supply device.

Description

연료전지의 수소공급 시스템 및 그 방법{HYDROGEN SUPPLY SYSTEM FOR FUEL CELL AND METHOD THEREOF}Hydrogen supply system and method of fuel cell {HYDROGEN SUPPLY SYSTEM FOR FUEL CELL AND METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료전지에 수소를 공급하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a system and method for supplying hydrogen to a fuel cell.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다. 연료를 소모시키며 전력을 생산하기 때문에 일회용 전지나 충전식 전지와 달리 연료만 공급되면 계속해서 사용할 수 있고, 연료를 연소시키는 것이 아니어서 반응 후 열과 물만 배출하기 때문에 환경 친화적이어서 차세대 동력원으로 각광받고 있다.A fuel cell generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel and an oxidizer. Because it generates power while consuming fuel, it can be used continuously as long as fuel is supplied, unlike disposable batteries or rechargeable batteries, and is in the spotlight as a next-generation power source because it is environmentally friendly because it does not burn fuel and only emits heat and water after reaction.

도 1은 수소를 연료로 사용하는 종래의 연료전지 시스템의 구조를 나타낸다. 연료전지 시스템은 크게 수소탱크(110)로 이루어진 수소저장부, 수소공급장치(120), 공기공급장치(130), 열관리장치(140) 및 연료전지 본체인 연료전지스택(150)으로 이루어진다.1 shows the structure of a conventional fuel cell system using hydrogen as fuel. The fuel cell system largely consists of a hydrogen storage unit consisting of a hydrogen tank 110, a hydrogen supply device 120, an air supply device 130, a thermal management device 140, and a fuel cell stack 150 as a fuel cell body.

현재까지 상용화 된 수소연료전지차량의 수소저장시스템은 700bar 이상의 고압으로 수소기체를 압축하여 저장하는 방식, 77K의 극저온으로 수소를 액화시켜 저장하는 방식, 금속수소화물(Metal Hydride)을 사용하여 수소기체를 화합물에 흡/탈착시켜 저장하는 방식, 메탄올을 저장한 후 개질하여 수소를 공급하는 방식으로 대표된다.The hydrogen storage systems of hydrogen fuel cell vehicles that have been commercialized so far are a method of compressing and storing hydrogen gas at a high pressure of 700 bar or more, a method of storing hydrogen by liquefying it at a cryogenic temperature of 77K, and a method of storing hydrogen gas using a metal hydride. It is represented by a method of adsorbing/desorbing to a compound and storing it, and a method of storing methanol and then reforming it to supply hydrogen.

액화수소 방식은 수소를 액화시킴으로써 적은 부피에 많은 양의 수소를 저장할 수 있으나, 수소를 액화시키기 위해서는 극저온을 유지해야 하므로 이에 많은 에너지가 소모되기 때문에 차량에 사용되기에는 부적절하다.The liquefied hydrogen method can store a large amount of hydrogen in a small volume by liquefying hydrogen, but it is not suitable for use in a vehicle because a lot of energy is consumed because the cryogenic temperature must be maintained to liquefy the hydrogen.

금속수소화물을 사용한 저장은 수소를 화합물에 흡착시켜 이론적으로는 저압에서 많은 양의 수소를 저장할 수 있다는 장점과 폭발성이 없어진다는 안전성의 장점을 보유하고 있으나 현재까지 섭씨 100도 이상의 온도에서 작동하고, 수소의 흡/탈착 속도가 느리기 때문에 이를 해결해야 하는 추가적인 문제가 있다.Storage using metal hydrides has the advantage of being able to theoretically store a large amount of hydrogen at low pressure by adsorbing hydrogen to the compound and the safety of eliminating explosiveness, but it operates at temperatures of over 100 degrees Celsius, Since the adsorption/desorption rate of hydrogen is slow, there is an additional problem to be solved.

수소기체를 압축하여 저장하는 시스템은 수소기체를 고압으로 압축하기 때문에 안정성 문제가 있고, 또한 저장되는 수소의 양이 충분하지 못한 문제가 있다.The system for compressing and storing hydrogen gas has a stability problem because the hydrogen gas is compressed at a high pressure, and also has a problem in that the amount of stored hydrogen is not sufficient.

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 수소연료전지를 사용하는 자동차에서 메탄올을 저온에서 개질하여 수소를 공급하는 장치를 추가함으로써 수소탱크만으로 부족한 수소의 양을 보충할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised from the technical background as described above, and a system capable of supplementing the amount of hydrogen insufficient only with a hydrogen tank by adding a device for supplying hydrogen by reforming methanol at a low temperature in a vehicle using a hydrogen fuel cell, and It aims to provide that method.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 연료전지 수소공급 시스템은, 수소탱크를 포함하는 수소저장부; 상기 수소저장부와 하기 수소개질장치로부터 수소를 공급받아 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소공급장치; 가습기를 포함하는 공기공급장치; 물탱크와 수온 상승을 위한 히터를 포함하는 열관리장치; 상기 히터와 하기 연료전지스택으로부터 열을 공급받고 상기 열관리장치로부터 물을 공급받아 메탄올을 수소로 변환하여 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소개질기를 포함하되, 상기 수소개질기는 하기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치보다 높은 경우에만 동작하는 수소개질장치; 및 상기 수소공급장치와 로부터 수소를 공급받고, 상기 공기공급장치로부터 산소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지스택을 포함하는 것을 특징으로 한다.A fuel cell hydrogen supply system according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a hydrogen storage unit including a hydrogen tank; a hydrogen supply device receiving hydrogen from the hydrogen storage unit and the hydrogen reforming device and supplying hydrogen to the fuel cell stack; An air supply device including a humidifier; A thermal management device including a water tank and a heater for raising the water temperature; A hydrogen reformer that receives heat from the heater and the fuel cell stack, receives water from the thermal management device, converts methanol into hydrogen, and supplies hydrogen to the fuel cell stack, wherein the hydrogen reformer is a hydrogen reformer that operates only when the temperature is higher than a preset threshold value; and a fuel cell stack receiving hydrogen from the hydrogen supply device and oxygen supply and generating electric power by receiving oxygen from the air supply device.

본 발명의 다른 일면에 따른 연료전지 수소공급 방법은, 연료전지스택의 온도를 측정하는 단계; 상기 연료전지스택의 온도를 기설정된 임계치와 비교하는 단계; 및 상기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치 이하이면 수소저장시스템으로부터 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하고, 상기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치보다 크면 메탄올을 수소로 개질하는 수소개질장치로부터 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계를 포함한다.A method for supplying hydrogen to a fuel cell according to another aspect of the present invention includes measuring a temperature of a fuel cell stack; comparing the temperature of the fuel cell stack with a preset threshold value; and supplying hydrogen from a hydrogen storage system to the fuel cell stack when the temperature of the fuel cell stack is below a predetermined threshold, and reforming methanol into hydrogen when the temperature of the fuel cell stack is greater than a predetermined threshold. and supplying hydrogen to the fuel cell stack.

본 발명에 따르면, 액체상태인 메탄올을 개질하여 수소를 공급할 수 있으므로 단위 부피당 에너지 저장량을 늘릴 수 있어 수소탱크와 함께 효율적으로 수소를 연료전지로 공급할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since hydrogen can be supplied by reforming methanol in a liquid state, energy storage per unit volume can be increased, so that hydrogen can be efficiently supplied to the fuel cell together with the hydrogen tank.

도 1은 종래 수소연료전지 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소연료전지의 수소공급 시스템의 구조도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소연료전지의 수소공급 방법의 흐름도.1 is a structural diagram of a conventional hydrogen fuel cell system;
2 is a structural diagram of a hydrogen supply system for a hydrogen fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a hydrogen supply method for a hydrogen fuel cell according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Meanwhile, terms used in this specification are for describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" means that a stated component, step, operation, and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations, and/or elements. or do not rule out additions.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 수소공급 시스템의 구조를 나타낸다.2 shows the structure of a hydrogen supply system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

연료전지의 수소공급 시스템은 수소탱크(110), 수소공급장치(120), 공기공급장치(130), 열관리장치(140) 및 수소개질장치(200)로 이루어진다.The hydrogen supply system of the fuel cell includes a hydrogen tank 110, a hydrogen supply device 120, an air supply device 130, a thermal management device 140, and a hydrogen reforming device 200.

수소탱크(110)는 기체상태의 수소를 압축하여 저장하는데 700bar 또는 350bar 이상의 고압을 사용하여 수소를 저장한다.The hydrogen tank 110 stores hydrogen by compressing and storing gaseous hydrogen using a high pressure of 700 bar or 350 bar or more.

수소공급장치(120)는 연료전지스택(150)의 애노드(Anode)로 수소를 공급하고 물을 반환받아 외부로 배출하는데, 시동밸브(미도시), 공급밸브(미도시), 수소블로어(미도시), 퍼지밸브(미도시), 물배출밸브(미도시) 와 워터트랩(미도시)을 포함한다.The hydrogen supply device 120 supplies hydrogen to the anode of the fuel cell stack 150, receives water and discharges it to the outside, including a start valve (not shown), a supply valve (not shown), and a hydrogen blower (not shown). ), a purge valve (not shown), a water discharge valve (not shown) and a water trap (not shown).

공기공급장치(130)는 가습기(132)를 포함하고, 연료전지스택(150)에서 화학반응에 필요한 산소가 포함된 공기를 공급한다.The air supply device 130 includes a humidifier 132 and supplies air containing oxygen necessary for chemical reactions in the fuel cell stack 150 .

연료전지스택(150)의 캐소드(Cathode)에 산화제인 산소가 공급되어야 하므로 공기공급장치(130)는 외부로부터 공기를 공급하여 산소를 공급하게 되고, 애노드에는 연료가스인 수소가 공급된다. 수소와 캐소드의 산소로부터 전자를 분리하여 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위해 가습기(132)가 사용된다.Since oxygen, an oxidizing agent, must be supplied to the cathode of the fuel cell stack 150, the air supply device 130 supplies oxygen by supplying air from the outside, and hydrogen, a fuel gas, is supplied to the anode. A humidifier 132 is used to supply moisture to the hydrogen and oxygen to separate electrons from the hydrogen and oxygen of the cathode to promote ionization.

가습기(132)는 연료가스인 수소와 산화제인 수소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수분을 공급하는데 사용된다.The humidifier 132 is used to supply moisture to promote ionization by separating electrons from hydrogen, which is a fuel gas, and hydrogen, which is an oxidizing agent.

열관리장치(140)는 COD히터(142) 물탱크/이온제거기(144), 냉각용 라디에이터(146)을 포함하며, 연료전지스택(150)을 냉각시키거나 가열하는 역할을 한다.The thermal management device 140 includes a COD heater 142, a water tank/ion eliminator 144, and a cooling radiator 146, and serves to cool or heat the fuel cell stack 150.

COD히터(142)는 연료전지스택(150)이 일정온도 이하에서 장시간 작동 시 내구성이 떨어지는 걸 막고, 냉시동시 유로 결빙 현상을 방지하기 위해 냉각수를 승온시키고, 차량의 시동이 꺼진 상태에서 연료전지스택(150)내의 잔류 수소/산소를 제거하는 역할을 한다.The COD heater 142 prevents durability of the fuel cell stack 150 from deteriorating when operating at a temperature below a certain temperature for a long time, and raises the temperature of the coolant to prevent freezing of the flow path during cold starting, and the fuel cell stack in a state where the engine of the vehicle is turned off. It serves to remove residual hydrogen/oxygen in (150).

물탱크/이온제거기(144)는 냉각수를 연료전지스택(150)에 공급하고, 냉각수에 포함된 이온은 연료전지스택(150)의 수명을 단축시키기 때문에 냉각수에서 이온을 제거한다.The water tank/ion eliminator 144 supplies cooling water to the fuel cell stack 150 and removes ions from the cooling water since ions included in the cooling water shorten the lifespan of the fuel cell stack 150 .

냉각용 라디에이터(146)은 냉각수를 냉각시키는데, 냉각수의 온도가 일정온도 이하이면 냉각용 라디에이터(146)를 거치지 않고 3-way 밸브(미도시)와 물펌프(미도시)를 거쳐 다시 연료전지스택(150)에 공급된다.The cooling radiator 146 cools the cooling water. When the temperature of the cooling water is below a certain temperature, the fuel cell stack passes through a 3-way valve (not shown) and a water pump (not shown) without passing through the cooling radiator 146. (150).

수소개질장치(200)는 메탄올탱크(210)와 수소개질기(220)를 포함하고 메탄올로부터 수소를 추출하여 연료전지스택(150)에 공급한다.The hydrogen reforming device 200 includes a methanol tank 210 and a hydrogen reformer 220, extracts hydrogen from methanol, and supplies it to the fuel cell stack 150.

메탄올은 상온에서 액체상태로 존재하므로 메탄올탱크(210)에는 액체상태의 메탄올이 저장되고 따라서 단위부피당 에너지 저장량은 상온에서 기체상태인 수소보다 훨씬 많은 이점이 있다. 수소의 부피당 에너지 밀도는 700bar에서 5.6MJ/L인데 비해 메탄올은 15.6MJ/L로 약 3배의 단위부피당 에너지 저장량을 가진다. 따라서 상대적으로 소량의 액체상태의 메탄올을 저장함으로써 이를 수소로 개질하여 연료전지스택(150)에 공급하여 사용할 수 있다.Since methanol exists in a liquid state at room temperature, methanol in a liquid state is stored in the methanol tank 210, and thus energy storage per unit volume is much more advantageous than hydrogen in a gaseous state at room temperature. While the energy density per volume of hydrogen is 5.6 MJ/L at 700 bar, methanol has an energy storage per unit volume of about three times as much as 15.6 MJ/L. Therefore, by storing a relatively small amount of liquid methanol, it can be reformed into hydrogen and supplied to the fuel cell stack 150 for use.

수소개질기(220)가 메탄올을 수소로 개질하기 위해서는 귀금속의 한 종류인 루세늄(Rhthenium) 촉매를 사용하고, 액체상태의 메탄올과 물, 염(Base)을 사용하여 메탄올을 수소로 개질한다.In order for the hydrogen reformer 220 to reform methanol into hydrogen, a rhthenium catalyst, which is a kind of noble metal, is used, and methanol is reformed into hydrogen using liquid methanol, water, and a base.

수소개질기(220)는 루세늄 촉매를 사용하는 개질기 외에도 현존하는 다양한 방식의 수소 개질기가 사용될 수 있다.The hydrogen reformer 220 may use various existing hydrogen reformers other than a reformer using a ruthenium catalyst.

수소개질기(220)에서 촉매를 이용하여 메탄올 수소개질을 위해서는 70~100°C 의 온도가 필요하다.In order to reform methanol hydrogen using a catalyst in the hydrogen reformer 220, a temperature of 70 to 100 ° C is required.

필요한 열의 대부분은 연료전지스택(150)에서 발생하는 50~80°C의 열을 회수하여 사용하고, 부족한 열은 열관리장치(140)의 COD히터(142)로부터 공급받아 사용한다.Most of the required heat is recovered and used by heat of 50 to 80 ° C generated in the fuel cell stack 150, and insufficient heat is supplied from the COD heater 142 of the thermal management device 140 and used.

본 발명에 따른 연료전지의 수소공급 시스템은 주된 수소 공급원으로는 고압수소탱크를 사용하고, 연료전지스택(150)의 온도가 70°C 이상인 경우에만 이 열을 이용하고 부족한 열은 COD히터(142)로부터 공급받아 사용함으로써 추가적인 에너지 소모를 줄이고 보조적인 수소공급원으로 사용할 수 있다.The hydrogen supply system of the fuel cell according to the present invention uses a high-pressure hydrogen tank as the main hydrogen supply source, uses this heat only when the temperature of the fuel cell stack 150 is 70 ° C or higher, and uses the insufficient heat from the COD heater (142 ), it is possible to reduce additional energy consumption and use it as an auxiliary hydrogen supply source.

수소개질기(220)에서 필요한 물은 열관리장치(140)의 물탱크(144)에서 공급받는다.Water required by the hydrogen reformer 220 is supplied from the water tank 144 of the thermal management device 140 .

연료전지스택(150)은 수소탱크(110)와 수소개질기(220)로부터 수소를 공급받고 공기공급장치(130)로부터 공급받은 공기에 포함된 산소를 이용하여 전력을 생산한다.The fuel cell stack 150 receives hydrogen from the hydrogen tank 110 and the hydrogen reformer 220 and generates power using oxygen contained in air supplied from the air supply device 130 .

연료전지스택(150)의 음극(Anode)에 수소가 공급되고, 양극(Cathode)에 산소가 공급되면 음극에서 수소가 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 전자의 흐름에 의해 전기가 생산된다. 전자가 분리된 수소이온은 양극으로 이동하여 산소와 결합하며 물이 되어 비출된다.When hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell stack 150 and oxygen is supplied to the cathode, hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the cathode, and electricity is generated by the flow of the separated electrons. Hydrogen ions from which electrons are separated move to the anode, combine with oxygen, and are emitted as water.

이렇게 메탄올을 이용한 수소개질장치(200)와 이를 이용한 연료전지의 수소공급 시스템은 연료전지스택(150)의 열을 이용하고 액체상태의 메탄올을 이용하므로 추가적인 에너지 소모 없이 보조 에너지원을 공급할 수 있는 장점이 있다.The hydrogen reforming device 200 using methanol and the hydrogen supply system of the fuel cell using the same use the heat of the fuel cell stack 150 and use methanol in a liquid state, so an auxiliary energy source can be supplied without additional energy consumption. there is

도 3은 전술한 연료전지 수소공급 시스템의 수소공급방법을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a hydrogen supply method of the fuel cell hydrogen supply system described above.

메탄올을 이용한 보조적인 수소공급장치는 연료전지스택의 열을 이용하기 때문에 연료전지스택의 온도를 판단하여(S310) 온도가 기설정된 임계치 이하이면 수소탱크의 수소만으로 연료전지스택에 수소를 공급한다(S360).Since the auxiliary hydrogen supply device using methanol uses the heat of the fuel cell stack, it determines the temperature of the fuel cell stack (S310) and supplies hydrogen to the fuel cell stack only with the hydrogen in the hydrogen tank when the temperature is below a predetermined threshold value (S310). S360).

연료전지스택의 온도가 임계치보가 높으면 메탄올을 수소개질장치를 이용하여 수소로 변환한 후 연료전지스택에 수소를 공급한다.When the temperature of the fuel cell stack is higher than the critical value, methanol is converted into hydrogen using a hydrogen reformer and then hydrogen is supplied to the fuel cell stack.

수소개질기는 70~100°C의 온도에서 루세늄(Rhthenium) 촉매를 이용하여 메탄올을 수소로 변환시키므로, 연료전지스택에서 발생하는 열과 열관리장치의 COD히터에서 열을 공급받는다(S320).Since the hydrogen reformer converts methanol into hydrogen using a Rhthenium catalyst at a temperature of 70 to 100 ° C, heat generated from the fuel cell stack and heat from the COD heater of the thermal management device are supplied (S320).

수소개질기는 메탄올탱크로부터 메탄올을 공급받고, 열관리장치로부터 물을 공급받은 후(S330) 루세늄 촉매를 이용하여 수소를 생산해내고 연료전지스택에 공급한다(S340).The hydrogen reformer receives methanol from the methanol tank and water from the thermal management device (S330), produces hydrogen using a ruthenium catalyst, and supplies it to the fuel cell stack (S340).

수소개질장치에 의한 수소공급이 연료전지스택의 필요량보다 많은지 판단하고(S350) 필요량을 충족하는 경우, 즉, 충분한 수소가 공급되는 경우는 수소개질장치로부터 공급된 수소만으로 전력을 생산하고, 필요량에 미치지 못하는 경우에는 수소저장시스템이 있는 수소를 공급하여 부족량을 보충한다(S360).It is determined whether the hydrogen supply by the hydrogen reforming device is greater than the required amount of the fuel cell stack (S350), and when the required amount is met, that is, when sufficient hydrogen is supplied, power is produced only with the hydrogen supplied from the hydrogen reforming device, and electricity is generated according to the required amount. If it is not enough, supplying hydrogen with a hydrogen storage system makes up for the shortfall (S360).

이상과 같은 방법에 의해 적은 부피의 메탄올로 부족한 수소의 양을 보충할 수 있고, 메탄올을 수소로 개질하는데 필요한 에너지의 소모도 최소한으로 할 수 있어 수소연료전지 차량의 주행가능거리를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.By the above method, it is possible to supplement the amount of hydrogen that is insufficient with a small volume of methanol, and the consumption of energy required to reform methanol into hydrogen can be minimized, thereby increasing the driving distance of a hydrogen fuel cell vehicle. There are advantages.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이?가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.In the above, the configuration of the present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings, but this is only an example, and various modifications and changes within the scope of the technical idea of the present invention to those skilled in the art to which the present invention belongs Of course, this is possible. Therefore, the scope of protection of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be defined by the description of the claims below.

110: 수소탱크 120: 수소공급장치
130: 공기공급장치 132: 가습기
140: 열관리장치 142: COD히터
144: 물탱크/이온제거기 146: 냉각용 라디에이터
150: 연료전지스택
200: 수소개질장치
210: 메탄올 탱크 220: 수소개질기110: hydrogen tank 120: hydrogen supply device
130: air supply device 132: humidifier
140: thermal management device 142: COD heater
144: water tank/ion eliminator 146: radiator for cooling
150: fuel cell stack
200: hydrogen reformer
210: methanol tank 220: hydrogen reformer

Claims (6)

수소탱크를 포함하는 수소저장부;
상기 수소저장부와 하기 수소개질장치로부터 수소를 공급받아 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소공급장치;
가습기를 포함하는 공기공급장치;
물탱크와 수온 상승을 위한 히터를 포함하는 열관리장치;
상기 히터와 하기 연료전지스택으로부터 열을 공급받고 상기 열관리장치로부터 물을 공급받아 메탄올을 수소로 변환하여 하기 연료전지스택에 수소를 공급하는 수소개질기를 포함하되, 상기 수소개질기는 하기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치보다 높은 경우에만 동작하는 수소개질장치; 및
상기 연료전지스택의 온도가 루세늄 촉매를 이용하여 메탄올을 수소로 변환시키기 위해 필요한 온도 범위 중 최저값에 해당하는 임계치 이하이면 상기 수소저장부로부터 수소를 공급받고, 상기 연료전지스택의 온도가 상기 임계치보다 크면 상기 수소개질장치로부터 수소를 공급받되, 상기 수소개질장치에 의한 수소공급이 상기 연료전지스택의 수소 필요량보다 적은 경우, 상기 수소저장부로부터 수소를 공급받아 부족량을 보충하고, 상기 공기공급장치로부터 산소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지스택
을 포함하는 연료전지 수소공급 시스템.
a hydrogen storage unit including a hydrogen tank;
a hydrogen supply device receiving hydrogen from the hydrogen storage unit and the hydrogen reforming device and supplying hydrogen to the fuel cell stack;
An air supply device including a humidifier;
A thermal management device including a water tank and a heater for raising the water temperature;
A hydrogen reformer that receives heat from the heater and the fuel cell stack, receives water from the thermal management device, converts methanol into hydrogen, and supplies hydrogen to the fuel cell stack, wherein the hydrogen reformer is a hydrogen reformer that operates only when the temperature is higher than a preset threshold value; and
When the temperature of the fuel cell stack is below the threshold value corresponding to the lowest value in the temperature range required for converting methanol into hydrogen using a ruthenium catalyst, hydrogen is supplied from the hydrogen storage unit, and the temperature of the fuel cell stack is the threshold value If it is greater than the hydrogen reforming device, hydrogen is supplied from the hydrogen reforming device, and when the hydrogen supply by the hydrogen reforming device is less than the required amount of hydrogen of the fuel cell stack, hydrogen is supplied from the hydrogen storage unit to compensate for the insufficient amount, and the air supply device A fuel cell stack that generates electricity by receiving oxygen from
A fuel cell hydrogen supply system comprising a.
 삭제delete 삭제delete 연료전지스택의 온도를 측정하는 단계;
상기 연료전지스택의 온도를 루세늄 촉매를 이용하여 메탄올을 수소로 변환시키기 위해 필요한 온도 범위 중 최저값에 해당하는 기설정된 임계치와 비교하는 단계;
상기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치 이하이면 수소저장시스템으로부터 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하고, 상기 연료전지스택의 온도가 기설정된 임계치보다 크면 메탄올을 수소로 개질하는 수소개질장치로부터 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계; 및
상기 연료전지스택에 공급된 수소공급량이 기설정된 필요량보다 많은지 판단하고, 판단결과 상기 공급된 수소공급량이 상기 기설정된 필요량 이하이면 추가로 상기 수소저장시스템으로부터 상기 연료전지스택으로 수소를 공급하는 단계
를 포함하는 연료전지 수소공급 방법.measuring the temperature of the fuel cell stack;
comparing the temperature of the fuel cell stack with a predetermined threshold value corresponding to the lowest value in a temperature range required for converting methanol into hydrogen using a ruthenium catalyst;
When the temperature of the fuel cell stack is below a predetermined threshold value, hydrogen is supplied from a hydrogen storage system to the fuel cell stack, and when the temperature of the fuel cell stack is greater than a predetermined threshold value, the fuel from a hydrogen reforming device that reforms methanol into hydrogen. supplying hydrogen to the battery stack; and
Determining whether the hydrogen supply amount supplied to the fuel cell stack is greater than a predetermined required amount, and as a result of the determination, if the supplied hydrogen supply amount is less than the predetermined required amount, additionally supplying hydrogen from the hydrogen storage system to the fuel cell stack.
Fuel cell hydrogen supply method comprising a. 삭제delete 삭제delete
KR1020150177865A 2015-12-14 2015-12-14 Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof KR102485476B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150177865A KR102485476B1 (en) 2015-12-14 2015-12-14 Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150177865A KR102485476B1 (en) 2015-12-14 2015-12-14 Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170070403A KR20170070403A (en) 2017-06-22
KR102485476B1 true KR102485476B1 (en) 2023-01-05

Family

ID=59283198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150177865A KR102485476B1 (en) 2015-12-14 2015-12-14 Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102485476B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102649502B1 (en) * 2022-05-19 2024-03-22 한국항공우주연구원 A life support system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001118593A (en) * 1999-08-06 2001-04-27 Denso Corp Fuel cell system
JP2001155747A (en) * 1999-11-26 2001-06-08 Daikin Ind Ltd Fuel cell system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7659019B2 (en) * 2005-09-16 2010-02-09 Idatech, Llc Thermally primed hydrogen-producing fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001118593A (en) * 1999-08-06 2001-04-27 Denso Corp Fuel cell system
JP2001155747A (en) * 1999-11-26 2001-06-08 Daikin Ind Ltd Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170070403A (en) 2017-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101978330B1 (en) Fuel Supply System For Fuel Cell
JP5048814B2 (en) Operation method of hydrogen filling system
US20030207161A1 (en) Hydrogen production and water recovery system for a fuel cell
JP5496494B2 (en) Power generation system
JPWO2011077969A1 (en) Reaction vessel and fuel cell system using the same
JP2005145748A (en) Hydrogen production apparatus
JP6692394B2 (en) Carbon recovery fuel cell power generation system
US20090226776A1 (en) Hydrogen charging apparatus
KR102485476B1 (en) Hydrogen supply system for fuel cell and method thereof
KR101363504B1 (en) Fuel cell system and ship having the same
JP2004273164A (en) Fuel cell system
KR102316740B1 (en) Fuel cell system for a ship
KR101454290B1 (en) Complex power generating system connected to the LNG Receiving terminal
KR102316741B1 (en) Fuel cell system for a ship
JP5355135B2 (en) Fuel cell power generation equipment
JP2021103682A (en) Device equipped with storage unit for hydrogen storage alloy for operating heat-generating hydrogen consumer
JP2004281393A (en) Fuel cell power generation system
KR101358129B1 (en) Fuel cell exhausting gas condensing device
KR101408139B1 (en) Carbon dioxide collecting system using fuel cell
JPH11339820A (en) Hybrid fuel cell system
KR102506742B1 (en) Fuel cell generation system and vessel including the same
KR102453314B1 (en) Fuel cell generation system
JP5530374B2 (en) Fuel cell system
KR20180108013A (en) The fuel cell system for submarine and method of generating electric power using therof
JP2011103309A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant