KR20220050256A - 연료 전지 시스템을 구비하는 차량 - Google Patents

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KR20220050256A
KR20220050256A KR1020200133137A KR20200133137A KR20220050256A KR 20220050256 A KR20220050256 A KR 20220050256A KR 1020200133137 A KR1020200133137 A KR 1020200133137A KR 20200133137 A KR20200133137 A KR 20200133137A KR 20220050256 A KR20220050256 A KR 20220050256A
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KR
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hydrogen
fuel cell
exhaust
engine
cell system
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최도선
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 차량은, 수소를 이용하여 차량에 이용되는 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템과, 수소를 이용하여 차량의 동력을 발생시키는 엔진 시스템과, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 시스템, 및 상기 연료 전지 시스템, 엔진 시스템에 이용되는 수소 및 상기 배기 시스템에 이용되는 암모니아(NH3)를 공급하는 수소 공급 시스템을 포함한다.

Description

연료 전지 시스템을 구비하는 차량{VEHICLE INCLUDING FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템을 구비하는 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질소산화물 제거용 SCR 환원제인 암모니아(NH3)를 연료로 사용하는 연료 전지 시스템을 구비하는 하이브리드 차량에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
한편, 엔진의 배기 시스템은 배기가스 중에 함유된 공해 물질인 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 입자상물질(Particulate Matter, PM), 질소산화물(NOx) 등을 감소시키기 위해 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst, DOC) 장치, 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter, DPF), 및 선택적환원촉매 (Selective Catalyst Reduction, SCR) 장치 및 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치 등과 같은 배기가스 후처리 장치를 구비하고 있다.
SCR 장치 및 AOC 장치를 구비하는 이와 같은 엔진 시스템에서는 차기 NOx 배기 규제 강화로 암모니아 환원제를 이전보다 많은 양을 사용해야 하나 촉매 저장 용량 한계에 따른 암모니아(NH3) 슬립이 우려되어 AOC 장치 후단의 NOx 센서 또는 암모니아 센서를 통해 암모니아 량을 예측하여 암모니아 분사량을 제한한다. 이에 따라, 최대의 NOx 정화율을 얻지 못하고 암모니아 슬립 제거를 위한 AOC 장치의 귀금속량 증가로 인한 원가 상승의 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 SCR 시스템의 환원제로서 암모니아(NH3) 가스를 사용하고, 그 암모니아 가스를 수소 연료 전지 시스템의 연료 및 내연기관의 연료로 사용하는 수소 연료 전지 시스템을 구비하는 하이브리드 차량을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량은, 수소를 이용하여 차량에 이용되는 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템과, 수소를 이용하여 차량의 동력을 발생시키는 엔진 시스템과, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 시스템, 및 상기 연료 전지 시스템, 엔진 시스템에 이용되는 수소 및 상기 배기 시스템에 이용되는 암모니아(NH3)를 공급하는 수소 공급 시스템을 포함한다.
상기 수소 공급 시스템은, 고체상 NH3를 저장하는 NH3 저장용기와, 엔진 오일 회로와 연통하며 상기 NH3 저장용기 내부에 설치되어 상기 고체상 NH3를 가열하는 용매를 순환시키는 오일 순환 회로, 및 상기 고체상 NH3로부터 수소분리촉매를 이용하여 고순도의 수소를 생성하는 수소 생성 촉매 장치를 포함할 수 있다.
상기 수소 공급 시스템은, 상기 수소 생성 촉매 장치로부터 생성된 수소를 임시 저장하고 상기 연료 전지 시스템에 수소를 공급하는 수소 버퍼 용기를 더 포함할 수 있다.
상기 NH3 저장용기는 80℃ 이상의 온도로 유지되도록 조절될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 수소 공급 시스템으로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 고순도 수소를 다시 상기 수소 공급 시스템으로 재순환시키는 수소 재순환 블로워와, 상기 연료 전지 스택에서 발생되는 물을 포집하는 연료 전지 시스템 워터 트랩, 및 외부 공기와 상기 연료 전지 시스템 워터 트랩에서 포집된 물을 다시 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 가습기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량은 상기 연료 전지 스택의 애노드에서 남은 저순도 H2를 상기 가습기로 전달하는 퍼지 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 배기 시스템은, 엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치와, 상기 NH3 저장용기와 연결되며 상기 DOC 장치 후단에 위치하여, 상기 배기파이프 내부에 NH3를 공급하는 인젝터(Injector)와, 상기 DOC 장치 후단에 위치하며, 상기 인젝터를 통해 배기파이프를 경유하여 공급된 NH3를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF), 및 상기 DPF 후단에 위치하며, 상기 DPF를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치를 포함할 수 있다.
상기 배기 시스템은, 상기 SCR 장치 후단에 위치하며, 상기 SCR 장치를 통과한 배기가스의 NH3를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 배기 시스템은, 상기 AOC 장치로부터 배출되는 물을 포집하여 상기 가습기로 공급하는 배기 시스템 워터 트랩을 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 시스템은, 상기 수소 공급 시스템으로부터 전달되는 수소를 임시 저장하고 상기 엔진 시스템의 연료 분사기로 전달하는 연료 분배기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소 공급 시스템으로부터 발생되는 암모니아(NH3)를 엔진 시스템과 연료 전지 시스템에 공급하고, 질소산화물 제거용 SCR 환원제로 배기 시스템에 사용함으로써, 연료 전지 시스템에서 생성되는 전력을 효율적으로 사용 가능하고, SCR 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 연료 전지 시스템에서, 연료 전지 스택의 H2를 분리하는 원리를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며, 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 한 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 차량(1000)은, 연료 전지 시스템(200)과, 엔진 시스템(300)과, 배기 시스템(400), 및 수소 공급 시스템(100)을 포함한다.
연료 전지 시스템(200)은 수소를 이용하여 차량에 이용되는 전기에너지를 발생시키고, 엔진 시스템(300)은 수소를 이용하여 차량의 동력을 발생시키며, 배기 시스템(400)은 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화한다. 연료 전지 시스템(200), 엔진 시스템(300)에는 수소가 이용되고, 배기 시스템(400)에는 암모니아(NH3)가 이용되는데, 이에 필요한 수소 및 암모니아(NH3)는 수소 공급 시스템(100)에서 공급한다.
우선, 수소 공급 시스템(100)은 고체상 NH3를 저장하는 NH3 저장용기(110)를 포함한다. NH3 저장용기(110) 내부에는 고체상 NH3를 가열하는 용매(오일)를 순환시키기 위한 오일 순환 회로(114)가 구비된다. 오일 순환 회로(114)는 엔진에 설치되는 엔진 오일 회로(112)와 연통되어, 오일이 엔진 오일 회로(112)와 오일 순환 회로(114)를 흐르면서 고체상 NH3를 가열하여 고체상 NH3를 기화 및 액화시킨다. 이를 위해서, NH3 저장용기(110)는 약 80℃ 이상의 온도로 유지된다.
NH3는 기화되어 고순도 수소 생성 촉매(120)에 의해 고순도 수소(H2)가 되며, 이는 연료 전지 시스템(200)의 연료로 사용된다. 또한, 액화된 암모니아(NH3)는 배기 시스템(400)의 SCR 촉매의 환원제로 역할을 한다.
수소 공급 시스템(100)의 고순도 수소 생성 촉매 장치(120)는 고체상 NH3로부터 수소분리촉매를 이용하여 고순도의 수소를 생성한다. 생성된 고순도의 수소는 체크밸브(130)를 거쳐 수소 버퍼 용기(140)에 저장되고, 차단 밸브(150)의 개폐에 의해 수소 공급 밸브(230)로 전달되고, 수소 공급 밸브(230)를 통해, 고순도의 수소가 연료 전지 시스템(200) 또는 엔진 시스템(300)으로 전달된다.
엔진 시스템(300)에서, 엔진(310)은 연료를 연소하여 토크를 생성한다. 즉, 엔진(310)은 연료와 공기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다.
엔진(310)은 복수의 연소실, 점화장치, 및 인젝터를 포함한다. 연소실은 연료와 공기가 유입되며, 점화장치는 연소실 내로 유입된 연료와 공기를 점화시키고, 인젝터는 연소실 내부로 연료를 분사한다.
이러한 엔진(310)은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, LPI(liquefied petroleum injection) 엔진 등의 공지된 각종 엔진이 사용될 수 있다.
엔진 시스템(300)은, 수소 공급 시스템(100)으로부터 전달되는 수소를 임시 저장하고 엔진 시스템(300)의 연료 분사기로 전달하는 연료 분배기(320)를 더 포함할 수 있다. 수소 공급 시스템(100)으로부터 전달되는 수소는 엔진 시스템(300)의 수소 연료로 사용될 수 있다. 엔진(310)은 수소를 연료로 사용하는 내연기관으로서 수소 연료의 폭발 현상을 이용해 동력을 생성한다.
한편, NH3 저장용기(110)로부터 액화된 암모니아(우레아)는 배기 시스템(400)에 전달된다. 암모니아는 NH3 저장용기(110)로부터, 밸브를 제어하는 매니폴드(440), 도징(dosing) 유닛(450), 및 인젝터(460)를 통해 배기 시스템(400)의 촉매에 공급된다.
배기 시스템(400)은 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치(410)를 포함할 수 있다. 또한, 배기 시스템(400)은 SCR 장치(410) 후단에, SCR 장치(410)를 통과한 배기가스의 암모니아(NH3)를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치(420)를 더 포함할 수 있다.
SCR 장치(410)는 NH3가 배기가스의 열에 의해 암모니아로 전환되고, 선택적환원촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소가스와 물로 환원시키도록 기능한다.
AOC 장치(420)는 암모니아가 대기중으로 직접 방출되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 이는 높은 선택적환원촉매 효율을 확보하기 위해 환원제가 과다하게 분사되는 경우, 환원제가 반응에 참여하지 못하고 직접 대기중으로 배출되는 암모니아 슬립 현상에 의한 대기오염을 방지하기 위함이다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 배기 시스템(400)은 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치, 암모니아를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF)를 더 포함할 수 있다.
배기 시스템(400)은 암모니아산화촉매 장치로부터 배출되는 물(H2O)을 포집하여 가습기로 공급하는 배기 시스템 워터 트랩(430)을 더 포함할 수 있다. 배기 시스템(400)에 의해 배기 중 배출된 물은 배기 시스템 워터 트랩(430)에 포집되고, 이는 연료 전지 시스템(200)의 가습기(270)로 전달된다. 이에 의해 연료 전지 시스템(200)에 충분한 물 공급이 확보된다. 연료 전지 시스템(200)에서, H2의 이온화를 용이하게 하기 위해 습도는 약 80%로 유지되어야 하는데, 배기 시스템(400)으로부터 공급된 물에 의해 높은 습도가 확보될 수 있다.
한편, 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(210)과, 수소 재순환 블로어(220)와, 연료 전지 시스템 워터 트랩(260), 및 가습기(270)를 포함한다. 연료 전지 스택(210)은 수소 공급 시스템(100)으로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기에너지를 발생시킨다.
연료 전지 시스템(200)은 도시하지는 않았지만, 연료 전지 시스템과 연결된 (고전압) 배터리, 및 배터리와 전기적으로 연결되어 동력을 발전시키거나 발전할 수 있는 모터/제너레이터를 구비할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에 엔진/모터 구동에 의해 동력을 인가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 연료 전지 시스템에서, 연료 전지 스택의 H2를 분리하는 원리를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료 전지 스택(210)의 음극에 수소가 공급되면, 전극막을 통해 양극으로 전달된 수소는 양극에서 전달된 산소와 결합하여 H2O 분자가 되며, 과잉압으로 전달된 수소는 양극에서, H2O 포함, 산소와 함께 배출된다. 이 때의 수소는 또 다시 분리가 필요하므로 저순도 H2라고 한다. 연료 전지 스택(210)의 음극에서 수소 공급 후 전극막을 통과하지 않고 남은 잔여 수소를 고순도 수소라고 하며, 이는 재순환하여 다시 연료 전지 스택(210)의 음극에 재공급되게 된다.
연료 전지 스택(210)의 양극으로 전달된 저순도 수소는 퍼지 밸브(250)를 통해 가습기(270)로 전달되며, H2O는 연료 전지 시스템 워터 트랩(260)에 전달된 후, 가습기(270)로 전달된다. 가습기(270)로 전달된 저순도 수소와 H2O는 공기와 함께 연료 전지 스택(210)의 음극에 재공급된다.
연료 전지 스택(210)의 음극에 남은 잔여 미반응 고순도 수소는 수소 재순환 블로워(220)에 전달되고 수소 공급 시스템(100)의 수소 버퍼 용기(140)로 전달되며, 다시 수소 이젝터(240)에 의해 연료 전지 스택(210)의 음극에 재공급된다.
한편, 가습기(270)로 전달된 잉여 공기, 수증기 및 저순도 수소는 배기 덕트(510), 소음기(520), 및 배기 파이프(530)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량에 의하면, 수소 공급 시스템으로부터 발생되는 암모니아(NH3)를 엔진 시스템과 연료 전지 시스템에 공급하고, 질소산화물 제거용 SCR 환원제로 배기 시스템에 사용함으로써, 연료 전지 시스템에서 생성되는 전력을 효율적으로 사용 가능하고, SCR 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 수소 공급 시스템 200: 연료 전지 시스템
300: 엔진 시스템 400: 배기 시스템

Claims (10)

  1. 수소를 이용하여 차량에 이용되는 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템;
    수소를 이용하여 차량의 동력을 발생시키는 엔진 시스템;
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 시스템; 및
    상기 연료 전지 시스템, 엔진 시스템에 이용되는 수소 및 상기 배기 시스템에 이용되는 암모니아(NH3)를 공급하는 수소 공급 시스템을 포함하는 차량.
  2. 제 1 항에서,
    상기 수소 공급 시스템은,
    고체상 NH3를 저장하는 NH3 저장용기;
    엔진 오일 회로와 연통하며 상기 NH3 저장용기 내부에 설치되어 상기 고체상 NH3를 가열하는 용매를 순환시키는 오일 순환 회로; 및
    상기 고체상 NH3로부터 수소분리촉매를 이용하여 고순도의 수소를 생성하는 수소 생성 촉매 장치를 포함하는 차량.
  3. 제 2 항에서,
    상기 수소 공급 시스템은,
    상기 수소 생성 촉매 장치로부터 생성된 수소를 임시 저장하고 상기 연료 전지 시스템에 수소를 공급하는 수소 버퍼 용기를 더 포함하는 차량.
  4. 제 2 항에서,
    상기 NH3 저장용기는 80℃ 이상의 온도로 유지되도록 조절되는 차량.
  5. 제 1 항에서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    수소 공급 시스템으로부터 공급되는 수소를 이용하여 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택;
    상기 연료 전지 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 고순도 수소를 다시 상기 수소 공급 시스템으로 재순환시키는 수소 재순환 블로워;
    상기 연료 전지 스택에서 발생되는 물을 포집하는 연료 전지 시스템 워터 트랩; 및
    외부 공기와 상기 연료 전지 시스템 워터 트랩에서 포집된 물을 다시 상기 연료 전지 시스템에 공급하는 가습기를 포함하는 차량.
  6. 제 5 항에서,
    상기 연료 전지 스택의 애노드에서 남은 저순도 H2를 상기 가습기로 전달하는 퍼지 밸브를 더 포함하는 차량.
  7. 제 2 항에서,
    상기 배기 시스템은,
    엔진의 배기가스를 배출시키도록 형성된 배기파이프에 장착되고, 배기가스 중 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)를 정화시키는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC) 장치;
    상기 NH3 저장용기와 연결되며 상기 DOC 장치 후단에 위치하여, 상기 배기파이프 내부에 NH3를 공급하는 인젝터(Injector);
    상기 DOC 장치 후단에 위치하며, 상기 인젝터를 통해 배기파이프를 경유하여 공급된 NH3를 가수분해시키는 가수분해 촉매가 코팅되어 배기가스의 입자상물질을 저감시키는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate matter Filter; DPF); 및
    상기 DPF 후단에 위치하며, 상기 DPF를 통과한 배기가스의 질소산화물을 저감시키는 선택적환원촉매(Selective Catalyst Reduction; SCR) 장치를 포함하는 차량.
  8. 제 7 항에서,
    상기 배기 시스템은,
    상기 SCR 장치 후단에 위치하며,
    상기 SCR 장치를 통과한 배기가스의 NH3를 산화시키고 질소산화물을 저감시키는 암모니아산화촉매(Ammonia Oxidation Catalyst; AOC) 장치를 더 포함하는 차량.
  9. 제 8 항에서,
    상기 배기 시스템은,
    상기 AOC 장치로부터 배출되는 물을 포집하여 상기 가습기로 공급하는 배기 시스템 워터 트랩을 더 포함하는 차량.
  10. 제 2 항에서,
    상기 엔진 시스템은,
    상기 수소 공급 시스템으로부터 전달되는 수소를 임시 저장하고 상기 엔진 시스템의 연료 분사기로 전달하는 연료 분배기를 더 포함하는 차량.
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