KR20200064492A - 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템 - Google Patents

연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 수소저장합금의 수소 흡장효율 뿐만 아니라 수소 방출효율까지 증대시킬 수 있으며 연료전지스택의 폐열회수를 통해 에너지효율이 증대될 수 있도록 한 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템에 관한 것이다.
개시된 내용은 연료전지스택과 수소공급유닛에 각각 연결되고 내부에는 수소 흡장이 가능한 수소저장합금이 수용되는 수소충방전부와, 상기 수소충방전부 내에 구비되고 열매체의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 가열하는 제 1 열교환기와, 상기 연료전지스택 측에 설치되고 상기 연료전지스택과의 열교환을 통해 열매체를 생성하는 열매체생성부와, 상기 열매체생성부에 의해 생성된 열매체를 상기 제 1 열교환기로 순환시키는 열매체순환유닛과, 상기 수소충방전부의 둘레에 배치되고 냉매의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 냉각시키는 제 2 열교환기와, 상기 제 2 열교환기에 연결되고 상기 제 2 열교환기로 냉매를 순환시키는 냉매순환유닛과, 상기 열매체순환유닛 및 상기 냉매순환유닛의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템을 일 실시예로 제시한다.

Description

연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템{LOW PRESSURE METAL HYBRID TYPE HYDROGEN STORAGE AND EMITTING SYSTEM FOR FUEL CELL}
개시된 내용은 수소를 흡장한 후 방출함에 따라 연료전지스택으로 수소를 공급하는 연료전지용 수소 충방전 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로 연료전지시스템은 공급된 연료의 산화에 의해 발생하는 화학적에너지를 전원 공급을 위한 전기에너지로 직접 변환한다.
이러한 연료전지시스템은 예를 들어 디젤유, 가솔린 등과 같은 연료에 포함된 수소를 연료전지스택의 음극 쪽으로 공급하고 산화제인 산소를 연료전지의 양극 쪽으로 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기에너지를 발생시킨다. 여기서 연료전지스택의 양극과 음극은 전해질부재에 의해 서로 분리된다.
연료전지시스템의 발전원리는 다음와 같다.
우선, 음극활성물질로서 연료전지스택의 음극에 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(-)로 해리된다. 이 해리반응을 촉진시키기 위하여, 예를 들어 백금이 촉매로 사용된다. 수소로부터 해리된 수소이온(H+)는 연료전지스택의 전해질을 통과한 후 양극 활성물질로서 양극에 공급된 산소와 반응하여 수증기 형태의 물(H20)을 생성한다. 한편, 수소의 해리에 의해 발생된 전자(-)는 연료전지스택의 음극에서 양극으로 이동됨에 따라 양극과 음극 간에 기전력이 발생되면서 전기가 생성된다.
전술한 바와 같이 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 연료전지시스템의 발전방식은 화력발전 방식에 비해 높은 에너지효율을 나타냄에 따라, 예를 들어 전기자동차를 구동하는 모터의 전력원으로서 유효하게 활용 가능한 장점이 있다. 또한 연료전지시스템으로부터 배기되는 가스는 대부분이 수증기(H20)로, 화석연료를 이용하는 통상의 내연기관과 같이 일산화탄소 등의 유해가스를 배출하지도 않는 장점도 있다.
한편 연료전지시스템의 작동을 위해서는, 연료의 산화반응이 일어나는 연료전지스택 이외에 연료전지스택의 음극에 수소를 공급하기 위한 수소저장장치와 연료전지스택의 양극에 산소를 공급하기 위한 공기공급장치 등이 필요하다.
연료전지스택에 수소를 공급하는 수소저장장치로는 예를 들어 수소저장탱크 내에 고압충전된 수소를 압송하는 형태와, 연료를 기화시킨 수소함유가스를 개질하여 얻어지는 수소를 압송하는 형태와, 또는 수소저장합금을 이용하는 형태 등을 들 수 있다.
이 중에서 수소저장합금을 이용하는 형태의 연료전지용 수소저장장치의 경우에는 금속과 수소의 반응 시에 금속이 수소가스를 흡수하여 금속수소화물을 생성하는 형태로 저장하는 수소저장합금의 사용으로 인해, 통상적으로 기체수소 대비 1000배의 밀도로 수소를 저장할 수 있다. 공지된 수소저장합금으로는 티타늄-철 합금, 란타넘-니켈 합금, 마그네슘-니켈 합금 등을 들 수 있다.
따라서 수소저장합금을 이용하는연료전지용 수소저장장치는 고압의 수소저장탱크의 사용하지 않고도 금속과 수소가 결합된 상태로 수소를 안정적으로 저장할 수 있으며, 수소저장합금은 외부 충격에서도 수소 자체가 폭발하거나 압력 차로 인하여 용기가 폭발하는 일이 발생하지 않기 때문에 안전성이 매우 높은 장점이 있을 뿐만 아니라 수소압축을 위해 에너지를 소모할 필요가 적고 수소저장량이 매우 크다는 장점이 있다.
반면에 수소저장합금은 무게가 무거운 단점이 있으며, 수소를 방출할 때에는 흡열 반응이 일어나고 수소를 흡장할 때는 발열 반응이 일어나는 특성으로 인해 열 제어가 용이하기 않으며 수소의 흡장 및 방출 시에 압력이 변화되면 온도가 변화되는 특성으로 인하여 상용화에 어려움이 있다.
이러한 수소저장합금의 열 제어를 위해, 수소저장합금 내부에 냉각유로를 설치하거나, 수소저장합금의 보관용기의 내부 압력을 조절하는 방법 등이 사용되고 있다.
이러한 수소저장합금을 이용하는 연료전지시스템의 일 예로, 대한민국 특허공개 제10-2010-0112296호(2010.10.19. 공개)에는 수소의 화학적 에너지를 전기화학적 반응을 통하여 전력으로 변환시키는 연료전지와, 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치와, 연료전지가 발전한 직류전기를 부하가 필요로 하는 전력으로 변환하고 제어하는 전력제어장치와, 연료전지가 발전한 전력의 일부를 저장하여 연료전지시스템의 작동에 필요한 전력을 공급하고 부하의 급격한 변화에 대응하기 위한 축전지와, 연료전지시스템을 총체적으로 제어하는 시스템제어기를 포함하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 축전지 대신에 수퍼케패시터를 설치하고, 상기 연료공급장치로 수소저장합금용기를 2대 이상 병렬로 설치하고, 수소공급조절기를 추가로 설치함과 동시에, 상기 수소공급조절기를 상기 수소저장합금용기와 상기 시스템제어기에 연결하여, 상기 시스템제어기의 제어에 따라 상기 2대 이상의 수소저장합금용기 중 하나의 수소저장합금용기의 수소방출밸브만이 개방되고 그 이외의 수소저장합금용기의 수소방출밸브는 닫힌 상태로 제어되고, 방출중인 상기 수소저장합금용기의 수소잔량이 일정수준에 도달하면 그 다음 순서의 수소저장합금용기의 수소방출밸브가 열림과 동시에 지금까지 수소를 방출해 온 수소저장합금용기의 수소방출밸브는 닫히도록 제어되어 연속운전이 가능하도록 구성되는 수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템이 개시된다.
전술한 바와 같은 종래의 수소저장합금용기를 구비한 연료전지시스템의 경우에는 수소저장합금의 수소 흡장 반응시에 발생되는 열로 인해 수소의 흡장효율이 저하됨과 동시에 수소의 방출을 위해 별도의 열원을 사용해야 하므로 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한 종래의 연료전지용 수소저장장치의 경우에는 연료전지스택으로부터 발생되는 고온의 열기가 외부로 그대로 방출됨에 따라 전체적인 에너지효율이 저하되는 문제점이 있었다.
1. 대한민국 특허공개 제10-2010-0112296호(2010.10.19. 공개)
수소저장합금의 수소 흡장효율 뿐만 아니라 수소 방출효율까지 증대시킬 수 있으며 연료전지스택의 폐열회수를 통해 에너지효율이 증대될 수 있도록 한 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템을 제공하고자 한다.
또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용은 연료전지스택과 수소공급유닛에 각각 연결되고 내부에는 수소 흡장이 가능한 수소저장합금이 수용되는 수소충방전부와, 상기 수소충방전부 내에 구비되고 열매체의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 가열하는 제 1 열교환기와, 상기 연료전지스택 측에 설치되고 상기 연료전지스택과의 열교환을 통해 열매체를 생성하는 열매체생성부와, 상기 열매체생성부에 의해 생성된 열매체를 상기 제 1 열교환기로 순환시키는 열매체순환유닛과, 상기 수소충방전부의 둘레에 배치되고 냉매의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 냉각시키는 제 2 열교환기와, 상기 제 2 열교환기에 연결되고 상기 제 2 열교환기로 냉매를 순환시키는 냉매순환유닛과, 상기 열매체순환유닛 및 상기 냉매순환유닛의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템을 일 실시예로 제시한다.
개시된 내용의 특징에 따르면, 상기 수소충방전부는 다수개로 분리 형성되고, 열매체용 매니폴더를 통해 상기열매체순환유닛과 연결되고 냉매용 매니폴더를 통해 상기 냉매순환유닛과 연결된다.
개시된 내용에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템에 의하면, 수소의 방출시에는 수소충방전부의 수소저장합금 내에 설치되는 제 1 열교환기에 연료전지스택의 폐열 흡수에 의해 가열된 열매체가 관류하면서 수소저장합금이 가열됨에 따라 수소방출효율이 증대되고, 수소의 저장시에는 수소충방전부 둘레에 설치된 제 2 열교환기에 냉매가 관류되면서 수소저장합금에 저온환경이 조성됨에 따라 수소흡장효율이 증대될 수 있는 장점이 있다.
또한 개시된 내용에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템에 의하면, 연료전지스택으로부터 발생되는 고온의 열이 수소충방전부의 수소저장합금의 가열을 위한 열원으로 활용됨에 따라 전제적으로 에너지효율이 증대되는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 전체구조도.
도 2는 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 수소의 방출시의 작동도.
도 3은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 수소의 저장시의 작동도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 개시된 내용의 바람직한 실시예의 구성 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
도 1은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 전체구조도이다.
개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템은 도 1에 도시되는 바와 같이, 연료전지스택(3)에 연결되어 연료전지스택(3)에 수소를 공급하고 내부에는 수소 흡장이 가능한 수소저장합금(11)이 수용되는 수소충방전부(10)와, 수소충방전부(10) 내에 구비되고 열매체의 관류에 의해 수소저장합금(11)을 가열하는 제 1 열교환기(20)와, 연료전지스택(3) 측에 설치되고 연료전지스택(3)과의 열교환을 통해 열매체를 생성하는 열매체생성부(30)와, 열매체생성부(30)에 의해 생성된 열매체를 제 1 열교환기(20)로 순환시키는 열매체순환유닛(40)과, 수소충방전부(10)의 둘레에 배치되고 냉매의 관류에 의해 수소저장합금(11)을 냉각시키는 제 2 열교환기(50)와, 제 2 열교환기(50)에 연결되고 제 2 열교환기(50)로 냉매를 순환시키는 냉매순환유닛(60)과, 열매체순환유닛(40) 및 냉매순환유닛(60)의 작동을 제어하는 제어부(70)를 포함한다.
여기서, 연료전지스택(3)은 수소공급원인 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템으로부터 공급되는 수소와 공기공급원으로부터 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시킨다.
연료전지스택(3)은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템으로부터 수소가 공급되는 음극과, 별도의 공기공급원으로부터 산소가 공급되는 양극이 전해질부재를 사이에 두고 분리형성되는 구조를 가진다.
음극은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템으로부터 공급된 수소를 수소이온(H+)과 전자(-)로 해리하는 역할을 하며, 이 해리반응의 촉진을 위해 백금촉매를 포함한다. 양극은 별도의 공기공급원으로부터 산소와 음극에서 수소로부터 해리된 후 전해질부재를 통과한 수소이온(H+)을 반응시켜 수증기 형태의 물(H20)을 생성한다. 전해질부재는 음극과 양극 사이에 개재되어 음극과 양극을 분리시킴과 동시에 수소이온(H+)의 이동을 허용한다.
연료전지스택(3)에서는 수소의 해리에 의해 발생된 전자(-)가 음극에서 양극으로 이동됨에 따라 양극과 음극 간에 기전력이 발생되면서 전기가 발생된다. 이러한 연료전지스택(3)의 구성 및 작용은 이미 공지되어 있는 바, 여기서는 명세서의 간략화를 위해 더 이상의 상세설명은 생략하기로 한다.
수소충방전부(10)는 연료전지스택(3)에 연결되어 연료전지스택(3)에 수소를 공급함과 동시에 수소공급유닛(60')에 연결되어 수소공급유닛(60')으로부터 공급되는 수소를 저장하는 구성요소로, 내부에는 수소의 흡장(흡수저장)이 가능한 수소저장합금(11)이 수용된다.
수소저장합금(11)은 수소를 기체상태로 가역적으로 신속하게 흡장하는 일군의 합금으로, 수소흡장합금(水素吸藏合金, hydrogen absorbing alloy, hydrogen storing alloy)으로도 불려진다. 수소저장합금(11)은 통상적으로 실온에서 발열을 수반하여 수소를 흡장하고, 가열되면 흡장된 수소를 방출하는 특성을 가지는 것으로, LaNi5, LaNi4Al 등과 같은 란타넘-니켈 합금, TiFe 등와 같은 티타늄-철 합금, Mg2Ni 등과 같은 마그네슘-니켈 합금 등을 예로 들 수 있다.
수소충방전부(10)는 1개만 형성될 수도 있지만, 수소저장용량의 증대를 위해 다수개로 분리 형성되는 것이 바람직하다. 또한 수소충방전부(10)는 2개군으로 분할 형성되어 수소의 충전과 방전이 교호적으로 일어나도록 구성되는 것이 바람직하다.
전술한 수소충방전부(10) 내에는 제 1 열교환기(20)가 구비된다. 제 1 열교환기(20)는 열매체의 관류에 의해 수소저장합금(11)을 가열함에 따라 수소저장합금(11)에 흡장된 수소가 분리방출될 수 있도록 하는 일종의 히터에 해당하는 구성요소이다.
제 1 열교환기(20)는 전열면적의 증대를 위해 열매체가 관류 가능한 코일형 열교환기로 형성 가능하다.
전술한 연료전지스택(3) 측에는 열매체생성부(30)가 설치된다. 열매체생성부(30)는 연료전지스택(3)과의 열교환을 통해 연료전지스택(3)으로부터 발생되는 고온의 열을 흡수하여 열매체를 생성하는 역할을 하는 구성부재이다.
열매체생성부(30)는 연료전지스택(3)의 내부를 지그지그로 관류하는 관형 열교환기로 형성될 수도 있고, 연료전지스택(3) 자체 및 연료전지스택(3)의 배기관로 중 적어도 하나를 둘러싸고 내부에는 물이 충전되는 수냉식 재킷 형태로도 형성 가능하다.
열매체생성부(30)에 의해 생성된 열매체는 열매체순환유닛(40)에 의해 제 1 열교환기(20)로 순환된다. 여기서 열매체는 물인 것이 바람직하지만, 전열이 가능한 매체라면 물에 한정되는 것이 아니다.
열매체순환유닛(40)은 열매체생성부(30)의 일측과 제 1 열교환기(20)의 일단을 연결하는 열매체공급관로(41)와, 제 1 열교환기(20)의 타단과 열매체생성부(30)의 타측을 연결하는 열매체회수관로(43)와, 열매체공급관로(41) 또는 열매체회수관로(43) 상에 배열되어 열매체생성부(30) 내의 열매체를 열매체공급관로(41), 제 1 열교환기(20), 열매체회수관로(43)를 거쳐 다시 열매체생성부(30) 내로 강제순환시키는 제 1 펌프(45)와, 열매체회수관로(43) 상에 배열되어 열매체회수관로(43)를 관류하는 열매체를 냉각시키는 제 1 냉각기(47)를 포함한다.
또한 열매체순환유닛(40)은 열매체회수관로(43) 상에서 제 1 냉각기(47)의 하류에 배열되는 히터(49)를 더 포함할 수 있다. 히터(49)는 열매체회수관로(43) 상에서 제 1 냉각기(47)를 관류한 열매체가 제 1 냉각기(47)에 과도하게 냉각되어 연료전지스택(3)의 작동에 문제를 초래할 개연성이 있을 경우에 제 1 냉각기(47)를 관류한 열매체를 일정온도로 가열하여 열매체생성부(30)로 순환되도록 하는 것으로, 고주파가유도가열식 유체히터 등과 같이 공지된 다양한 유체히터로 형성 가능하다. 또한 제 1 냉각기(47)와 히터(49) 사이에는 열매체의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 구비되는 것이 바람직하다.
수소충방전부(10)가 다수개로 분리형성될 경우에 열매체공급관로(41) 및 열매체회수관로(43)는 열매체용 매니폴더(40a, 40b)를 통해 분기되어 다수의 제 1 열교환기(20)와 연결된다.
또한 전술한 수소충방전부(10)의 둘레에는 제 2 열교환기(50)가 배치된다. 제 2 열교환기(50)는 냉매의 관류에 의해 수소충방전부(10)를 냉각하여 수소저장합금(11)에 수소 흡장에 유리한 저온환경을 형성함에 따라 수소저장합금(11)에 수소가 보다 효율적으로 흡장될 수 있도록 하는 일종의 쿨러에 해당하는 구성요소이다.
제 2 열교환기(50)는 전열면적의 증대를 위해 냉매가 관류 가능한 코일형 열교환기로 형성 가능하다.
전술한 제 2 열교환기(50)에는 냉매순환유닛(60)이 연결된다. 냉매순환유닛(60)은 제 2 열교환기(50)로 예를 들어 냉각수와 같은 냉매를 순환시키는 구성부재이다.
냉매순환유닛(60)은 내부에 냉각수가 충전되는 냉매탱크(61)와, 냉매탱크(61)의 일측과 제 2 열교환기(50)의 일단을 연결하는 냉매공급관로(63)와, 제 2 열교환기(50)의 타단과 냉매탱크(61)의 타측을 연결하는 냉매회수관로(65)와, 냉매공급관로(63) 또는 냉매회수관로(65) 상에 배열되어 냉매의 강제순환력을 제공하는 제 2 펌프(67)와, 냉매탱크(61)에 부설되거나 또는 냉매회수관로(65) 상에 설치되는 제 2 냉각기(69)를 포함한다. 제 2 냉각기(69)는 통상의 칠러와 동일 또는 유사한 구조로 형성 가능하다.
수소충방전부(10)가 다수개로 분리형성될 경우에 냉매공급관로(63) 및 냉매회수관로(65)는 냉매용 매니폴더(60a, 60b)를 통해 분기되어 다수의 제 2 열교환기(50)와 연결된다.
전술한 열매체순환유닛(40) 및 냉매순환유닛(60)의 작동은 제어부(70)에 의해 제어된다. 제어부(70)는 수소의 방출 또는 저장 여부에 따라 열매체순환유닛(40) 및 냉매순환유닛(60) 중 하나만 선택적으로 작동되도록 한다.
냉매순환유닛(60)의 일측에는 수소충방전부(10)의 수소저장합금(11)으로 수소를 공급하는 수소공급유닛(60a)이 구비된다. 수소공급유닛(60a)은 수소가 고압 상태로 저장되는 수소저장탱크와 공급관로로 구성 가능하며, 냉매순환유닛(60)에 접하여 일종의 쿨러로 작용할 수도 있다. 수소공급유닛(60a)은 냉매순환유닛(60)과 동시에 작동됨에 따라 수소저장합금(11)에 대한 수소의 공급이 냉매의 공급과 동시에 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하다. 냉매순환유닛(60)과 수소공급유닛(60a)은 통합적인 수소냉매공급부를 형성할 수 있다.
도 2는 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 수소의 방출시의 작동도이다.
연료전지스택(3)으로 수소를 공급하고자 할 경우에 제어부(70)는 열매체순환유닛(40)을 구동시키고 냉매순환유닛(60)은 정지시킨다.
이 경우에 제 1 펌프(45)가 작동되면서 도 2에 도시되는 바와 같이, 연료전지스택(3)과의 열교환을 통해 고온으로 가열된 열매체생성부(30) 내의 열매체가 열매체공급관로(41)를 거쳐 수소저장합금(11) 내에 배열된 제 1 열교환기(20)를 관류하게 되고, 고온의 열매체가 관류하는 제 1 열교환기(20)에 의해 수소충방전부(10)의 수소저장합금(11)이 가열됨에 따라 수소방출효율이 증대된다.
또한 제 1 열교환기(20)를 관류한 열매체는 제 1 냉각기(47) 및 히터(49)를 거쳐 다시 열매체생성부(30) 내로 유입된다.
도 3은 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템의 수소의 저장시의 작동도이다.
수소충방전부(10) 내에 수소를 저장하고자 할 경우에 제어부(70)는 냉매순환유닛(60)을 구동시키고 열매체순환유닛(40)은 정지시킨다.
이 경우에 제 2 펌프(47)가 작동되면서 도 3에 도시되는 바와 같이, 냉매탱크(61) 내의 저온의 냉매가 냉매공급관로(63)를 거쳐 수소충방전부(10)의 둘레에 배열된 제 2 열교환기(50)를 관류하게 되고, 저온의 냉매가 관류하는 제 2 열교환기(50)에 의해 수소충방전부(10)가 냉각되면서 수소저장합금(11)에 저온환경이 조성됨에 따라 수소흡장효율이 증대된다.
또한 제 2 열교환기(50)를 관류한 냉매는 제 2 냉각기(69)를 거쳐 다시 냉매탱크(61) 내로 유입되거나 또는 냉매탱크(61) 내로 유입된 후 제 2 냉각기(69)에 의해 냉각된다.
도 2 및 도 3에는 다수의 수소충방전부(10)에서 수소 충전과 방전이 동시에 일어난 것으로 도시되어 있으나, 다수의 수소충방전부(10)는 2개군으로 분할 형성되어 수소의 충전과 방전이 교호적으로 일어나도록 구성되는 것이 바람직하다.
개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템은, 수소의 방출시에 수소충방전부(10)의 수소저장합금(11) 내에 설치되는 제 1 열교환기(20)에 연료전지스택(3)의 폐열 흡수에 의해 가열된 열매체가 관류하면서 수소저장합금(11)이 가열됨에 따라 수소방출효율이 증대되고, 수소의 저장시에 수소충방전부(10) 둘레에 설치된 제 2 열교환기(50)에 냉매가 관류되면서 수소저장합금(11)에 저온환경이 조성됨에 따라 수소흡장효율이 증대될 수 있다.
또한 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템은, 연료전지스택(3)으로부터 발생되는 고온의 열이 수소충방전부(10)의 수소저장합금(11)의 가열을 위한 열원으로 활용됨에 따라 전체적으로 에너지효율이 증대될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
3 : 연료전지스택
10 : 수소충방전부
11 : 수소저장합금
20 : 제 1 열교환기
30 : 열매체생성부
40 : 열매체순환유닛
40a, 40b : 열매체용 매니폴더
41 : 열매체공급관로
43 : 열매체회수관로
45 : 제 1 펌프
47 : 제 1 냉각기
49 : 히터
50 : 제 2 열교환기
60 : 냉매순환유닛
60' : 수소공급유닛
60a, 60b : 냉매용 매니폴더
61 : 냉매탱크
63 : 냉매공급관로
65 : 냉매회수관로
67 : 제 2 펌프
69 : 제 2 냉각기
70 : 제어부

Claims (6)

  1. 연료전지스택과 수소공급유닛에 각각 연결되고 내부에는 수소 흡장이 가능한 수소저장합금이 수용되는 수소충방전부;
    상기 수소충방전부 내에 구비되고 열매체의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 가열하는 제 1 열교환기;
    상기 연료전지스택 측에 설치되고 상기 연료전지스택과의 열교환을 통해 열매체를 생성하는 열매체생성부;
    상기 열매체생성부에 의해 생성된 열매체를 상기 제 1 열교환기로 순환시키는 열매체순환유닛;
    상기 수소충방전부의 둘레에 배치되고 냉매의 관류에 의해 상기 수소저장합금을 냉각시키는 제 2 열교환기;
    상기 제 2 열교환기에 연결되고 상기 제 2 열교환기로 냉매를 순환시키는 냉매순환유닛; 및
    상기 열매체순환유닛 및 상기 냉매순환유닛의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소충방전부는 다수개로 분리 형성되고, 열매체용 매니폴더를 통해 상기 열매체순환유닛과 연결되고 냉매용 매니폴더를 통해 상기 냉매순환유닛과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 열매체가 관류 가능한 코일형 열교환기로 형성되고, 상기 제 2 열교환기는 냉매가 관류 가능한 코일형 열교환기로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체생성부는 상기 연료전지스택 및 상기 연료전지스택의 배기관로중 적어도 하나를 둘러싸고 내부에는 물이 충전되는 수냉식 재킷 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열매체순환유닛은 상기 열매체생성부의 일측과 상기 제 1 열교환기의 일단을 연결하는 열매체공급관로와, 상기 제 1 열교환기의 타단과 상기 열매체생성부의 타측을 연결하는 열매체회수관로와, 상기 열매체공급관로 또는 상기 열매체회수관로 상에 배열되는 제 1 펌프와, 상기 열매체회수관로 상에 배열되는 제 1 냉각기와, 상기 열매체회수관로 상에서 상기 제 1 냉각기의 하류에 배열되는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매순환유닛은 내부에 냉각수가 충전되는 냉매탱크와, 상기 냉매탱크의 일측과 상기 제 2 열교환기의 일단을 연결하는 냉매공급관로와, 상기 제 2 열교환기의 타단과 상기 냉매탱크의 타측을 연결하는 냉매회수관로와, 상기 냉매공급관로 또는 상기 냉매회수관로 상에 배열되는 제 2 펌프와, 상기 냉매탱크 또는 상기 냉매회수관로 중 하나에 설치되는 제 2 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 저압 메탈하이브리드 수소 충방전 시스템.
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