KR100527958B1 - Fuel cell system having improved starting performance in low temperature and method for controlling the same - Google Patents

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KR100527958B1
KR100527958B1 KR20030061985A KR20030061985A KR100527958B1 KR 100527958 B1 KR100527958 B1 KR 100527958B1 KR 20030061985 A KR20030061985 A KR 20030061985A KR 20030061985 A KR20030061985 A KR 20030061985A KR 100527958 B1 KR100527958 B1 KR 100527958B1
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김수환
이기춘
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 냉각수 탱크의 냉각수를 해빙하는 전기식 히터와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로써 냉각수를 추가적으로 해빙하는 연소식 히터를 구비하여, 적용 차량의 냉시동성이 향상될 수 있도록 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system and a control method that improves the naengsi Bi, and an electric heater for applying the power generation from the fuel cell stack receives ice for cooling water in the cooling water tank, when supplied to a separate fuel cooling water by the heat of combustion for further provided with a combustion heater for melting, to a fuel cell system and a control method thereof to improve the dynamics of the naengsi applied vehicle can be improved.
본 발명에 의하면, 냉시동성 향상의 효과는 물론 냉각수 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 스택 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적 작동온도까지 상승시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, the effect of improving naengsi Bi, as well as an electric heater for thawing the cooling water for the purpose as well as consume power start-up initial stack there is an effect that can be raised to the optimum operating temperature within a short time than the stack temperature.

Description

냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법{Fuel cell system having improved starting performance in low temperature and method for controlling the same} The fuel cell system with improved naengsi Bi and a control method {Fuel cell system having improved starting performance in low temperature and method for controlling the same}

본 발명은 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 냉각수 탱크의 냉각수를 해빙하는 전기식 히터와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로써 냉각수를 추가적으로 해빙하는 연소식 히터를 구비하여, 적용 차량의 냉시동성이 향상될 수 있도록 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell system and a control method that improves the naengsi Bi, and an electric heater for applying the power generation from the fuel cell stack receives ice for cooling water in the cooling water tank, when supplied to a separate fuel cooling water by the heat of combustion for further provided with a combustion heater for melting, to a fuel cell system and a control method thereof to improve the dynamics of the naengsi applied vehicle can be improved.

일반적으로 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차나 레이저 전기기구 등의 동력원으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다. Typically, a unit change in the battery without changing the chemical energy as heat by the combustion, which fuel has a direct electrical energy electrochemically, a pollution-free power generation device that enables research attention as a power source for electric automobile or a laser apparatus.

특히, 고분자 전해질형 연료전지는 100℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하고 빠른 응답성 및 고출력 밀도를 가지는 바, 자동차용으로 적합한 전기화학적인 동력원으로 알려져 있다. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is known as a suitable electrochemical power source for the bar, car having a fast response and high power density and can operate at a low temperature not higher than 100 ℃.

이러한 고분자 전해질형 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지 스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다. In such a polymer electrolyte fuel cell it has received a unit cell that generates electricity stacked fuel cell stack is being supplied to the fuel gas of the hydrogen to the anode supplies the oxidizing agent is oxygen in the cathode is to produce electricity.

즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소이온이 양이온 교환막을 통해 캐소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다. That is, hydrogen and oxygen in the polymer electrolyte fuel cell was shown to, creating a water reacts electrochemically generating electrical energy, the supply of hydrogen is separated from the anode catalyst into hydrogen ions and electrons, where the hydrogen ions are receive a supply by moving the cathode through the cation exchange membrane and oxygen to produce water and electrons are thereby generating electrical energy.

그 반응식은 다음과 같다. The reaction scheme is as follows.

- 애노드(anode) : H 2 →2H + + 2e - an anode (anode): H 2 → 2H + + 2e

- 캐소드(cathode) : 1/2O 2 + 2H + + 2e →H 2 O - a cathode (cathode): 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

- 종합 : H 2 + 1/2O 2 →H 2 O - Overall: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

상기 반응의 이론 전압은 1.2V로 보통 0.6V 이상에서 작동되며, 자동차용 동력원으로 사용되기 위해서는 수십 kW의 출력과 자동차용 모터를 구동하기 위한 수백 V의 전압을 필요로 하는 바, 이를 위하여 연료전지 스택(fuel cell stack)은 전기를 생산하는 각 단위전지가 적층된 구조로 되어 있다. Theoretical voltage of the reaction is run in the normal 0.6V to 1.2V or higher, automotive power sources bar, which in order to be used as the need of several hundred V voltage for driving the output of several kW as automotive motors for fuel cells in order for this stack (fuel cell stack) is in the each unit cell to generate electricity laminated structure.

상기 각 단위전지는 전기전도성 및 내부식성이 우수한 흑연을 소재로 하여 제조되어 수소와 공기를 분리하여 공급할 수 있도록 된 유로 구조를 가지는 분리판과, 이 분리판의 공기 유로와 수소 유로 사이에 위치되는 전극막과, 이 전극막과 분리판의 유로 사이에 존재하여 가스확산 및 전기접촉을 용이하게 해주는 가스확산층 등으로 구성된다. Wherein each unit cell is positioned between the electrical conductivity and the corrosion resistance is manufactured by a high graphite as a material separation with a flow path structure to be capable of supplying and removing the hydrogen and air plate, the air flow path of the bipolar plate and the hydrogen flow path consists of the electrode film and the electrode film and the separating plate of the gas diffusion layer which exists between yuro facilitate gas diffusion and electrical contact or the like.

또한, 연료전지의 반응시 공기극에서는 생성수와 함께 열이 발생하므로 적절한 냉각이 필요하며, 일반적으로 분리판 내부에 냉각수 유로를 형성하여 냉각을 수행한다. In the reaction of the air electrode of the fuel cell heat is generated with a given generation as it is necessary a suitable cooling, and to generally form a cooling medium flow path inside the distribution plate performs cooling.

또한, 연료전지에서 전해질로 사용되는 고분자막은 적절한 수분을 함유해야 이온전도성을 가지므로 연료전지로 공급되는 수소와 공기는 적절하게 가습되어야 한다. In addition, since the polymer film is used as electrolyte in the fuel cell is of the ion conductivity to contain the proper moisture hydrogen and air supplied to the fuel cell must be properly humidified.

한편, 상기한 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 연료전지 스택과 그 주변장치로 구성되는 연료전지 시스템이 필요하다. On the other hand, when the fuel cell system comprising a fuel cell stack and the peripheral device is required to use as a power source for the fuel cell.

여기서, 주변장치는 수소 저장계, 수소 공급계 및 수소 재순환계, 공기 공급계, 냉각계, 물 관리계 및 연료전지 제어부 등으로 구성되며, 이러한 주변장치를 포함하는 통상의 연료전지 시스템 구성을 도시하면 첨부한 도 5와 같다. Here, the peripheral devices is shown a conventional fuel cell system configuration which is composed of the hydrogen storage system, the hydrogen supply system and the hydrogen recirculation system, air supply system, cooling system, Water Management Section and a fuel cell controller or the like, including such peripheral and also as an attachment 5.

이에 도시한 바와 같이, 연료인 수소는 수소 탱크(31)에서 350기압 이상으로 저장되고, 연료전지 스택(21)으로 공급되기 전 감압기(32)에서 수 기압 이하로 감압된 후 가습장치(34)에서 적절히 가습되며, 수소 이용율을 높이기 위해 수소를 재순환시키는 구조(35)가 구비되어 있다. This shows, as a fuel of hydrogen is stored in the hydrogen tank 31 to 350 atmospheres, then the pressure to be atmospheric pressure or less in the fuel cell stack prior to being fed to the 21 the pressure reducer (32), the humidifier (34 ) is suitably humidified by, it is provided with a structure (35) for recycling the hydrogen to increase the hydrogen utilization factor.

공기는 블로어(42)를 이용해 상압의 공기를 연료전지에서 필요한 압력으로 상승시킨 후 가습장치(41)에서 가습되어 연료전지 스택(21)으로 공급된다. Air is humidified by the humidifying device 41. After using the blower 42, the rising of the atmospheric air to a pressure required by the fuel cell is supplied to the fuel cell stack (21).

냉각계에서는 일반적으로 물을 이용하여 냉각하고 있고, 냉각계와 물 관리계는 냉각수 탱크(51), 냉각수 펌프(52), 라디에이터(53) 및 가습장치(34,41)로 구성되며, 가습에 필요한 물은 냉각계와 공용으로 사용한다. In the cooling system and cooled by typically using water, it consists of a cooling system and a water Management Section is water tank 51, cooling water pump 52, radiator 53, and the humidifying device (34,41), necessary for the humidification water is used as a cooling system and the public.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 연료전지 시스템에서는 다음과 같은 문제점들이 있었다. However, in the conventional fuel cell system, which as described above, there have been the following problems.

연료전지 스택의 냉각, 공기 및 수소의 적절한 가습을 위해서는 전술한 바와 같이 순수한 물(증류수)이 필요하며, 이러한 물을 공급하기 위해서는 물을 보관할 수 있는 물 탱크(이하 냉각수 탱크라 칭함) 및 공급 시스템(냉각수 펌프)이 필요하다. In order to cool the fuel cell stack, the air and adequate humidification of the hydrogen required pure water (distilled water), as described above, and to supply this water tank that can hold the water (the water tank quot;) and supply system a (cooling water pump) is needed.

이와 같이 물을 연료전지의 냉각수 및 가습수로 사용함에 있어서, 대기의 온도가 영하 이하의 온도로 내려갈 경우에는 냉각수 탱크 안의 물이 얼게 되므로 시동이 불가능해진다. In the use of water as cooling water and can humidification of the fuel cell in this manner, when the temperature of the air down to a temperature below freezing is because the water in the cooling water tank freezes it becomes impossible to start.

이와 같은 연료전지 차량의 냉시동성 문제는 아직 해결되지 않고 있는 문제이며, 연료전지 차량이 실용화 되기 위해서는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다. In naengsi gay issues like fuel cell vehicles is a problem that is not solved yet, it is also a problem that must be solved in order to be a fuel cell vehicle commercialization.

예를 들어, 영하 20℃에서 연료전지 차량이 1분 이내에 출발 가능한 상태가 되기 위해서는 연료전지 스택의 온도가 1분 이내에 상온 이상의 온도로 상승되어야 하며, 상온 이상에서 균일한 온도 유지 및 가습을 위해 1분 이내에 냉각수의 해빙이 필요하다. For example, in order to become available from within the fuel cell vehicle 1 min at minus 20 ℃ and the temperature of the fuel cell stack must be raised to a temperature at room temperature or more in less than one minute, one for uniform temperature holding and humidified at room temperature over the thawing of water is needed within minutes.

영하 20℃의 10ℓ얼음을 1분 이내에 해빙하기 위해서는 800kcal의 에너지가 필요하며, 이 경우 56kW 정도의 에너지가 필요하다. In order to melt the ice 10ℓ of minus 20 ℃ in less than one minute, and need 800kcal of energy, in which case the need of energy about 56kW.

그러나, 연료전지는 80kW급의 경우 영하 이하의 온도에서 5 ∼ 10kW의 전기를 발생시킬 수 있으며, 따라서 800kcal의 에너지를 얻기 위해서는 10분 정도가 소요된다. However, the fuel cell can generate electricity of 5 ~ 10kW at a temperature not higher than the case of 80kW class below zero, so that about 10 minutes is required in order to obtain the energy of 800kcal.

연료전지 스택은 영하 이하의 온도에서 가습 및 냉각수가 없는 상태로 운전이 가능하지만, 스택 온도가 20℃ 이상으로 상승한 상태에서 냉각수가 없을 경우에는 전극막에서 핫 스폿(hot spot)이 생성될 수 있기 때문에 성능 및 수명이 저하될 수 있다. Since the fuel cell stack is capable of operation with no humidification and cooling water at a temperature below freezing, however, if the stack temperature no cooling water in the state, up to more than 20 ℃ is hot spot in the electrode film (hot spot) may be generated the performance and service life may be reduced due.

따라서, 냉각수 없이 10kW로 스택을 운전할 때에는 스택이 4분 정도 운전하면 20℃ 이상으로 상승하므로 물을 4분 이내에 해빙하여 스택에 공급해야 하는데, 종래의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크 안의 물을 해빙할 수 있는 어떠한 기구도 구비되어 있지 않다. Therefore, when driving the stack with 10kW without cooling the stack when driving four minutes it rises above 20 ℃ to have to supply water to the stack to ice within four minutes, in the conventional fuel cell system to thaw the water in the cooling water tank any mechanism is not provided in FIG.

한편, 연료전지는 낮은 온도에서 출력이 낮고 낮은 온도에서 고출력으로 작동될 때 연료전지 스택의 수명 저하가 발생될 가능성이 크므로 최적의 작동온도(대략 60 ∼ 80℃임)에 가능한 한 빨리 도달해야 한다. On the other hand, fuel cells have been reached as soon as possible to the optimal operating temperature (which is about 60 ~ 80 ℃) to the large possibility of a reduced service life of the fuel cell stack occurs when a low output to high output operation at a lower temperature at a lower temperature do.

연료전지 스택의 온도를 빨리 올리기 위해서는 차량의 구동모터 외에 시동 직후 최적의 작동온도까지 스택 전력을 소모할 수 있는 별도의 기구가 필요하나, 종래의 연료전지 시스템에는 이러한 기구가 구비되어 있지 않다. In order to raise the temperature of the fuel cell stack as soon as a need for a separate mechanism in addition to the drive motor of the vehicle to consume a power stack to the optimum operating temperature immediately after the start-up, the conventional fuel cell system has not been provided with such a mechanism.

또한, 연료전지가 적용되는 승용차의 경우 80kW급 정도의 연료전지가 요구되는데, 이때 연료전지 스택 내의 냉각수는 최소 6ℓ이상, 특히 냉각시스템을 고려할 때 최소 10ℓ이상의 냉각수가 필요하다. In the case of passenger cars where the fuel cell is applied are required are fuel cell of about 80kW class, wherein the cooling water in the fuel cell stack is at least 10ℓ water is required when considering the least 6ℓ, in particular cooling system.

그러나, 혹한 지역에서 차량이 영하 이하에서 방치될 때 연료전지 스택 내부에서 결빙된 물에 의해 연료전지 스택이 쉽게 파손되는 문제가 있으며, 이에 대한 대처방안 또한 절실히 요구되고 있다. However, when the vehicle is in a cold area will be allowed to stand at below zero there is a problem that the fuel cell stack easily broken by the freezing of water inside the fuel cell stack, it is also urgently required for countermeasures thereto.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 냉각수 탱크의 냉각수를 해빙하는 전기식 히터와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수를 해빙하는 연소식 히터를 설치하여 구성한 연료전지 시스템과 그 제어방법을 제공함으로써, 보다 빠른 시간 내 냉각수가 해빙, 공급될 수 있도록 하고, 이를 통해 차량 냉시동성을 향상시키는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is invented to solve the above problems, and an electric heater for applying the power generation from the fuel cell stack receives ice for cooling water in the cooling water tank, when supplied to a separate fuel ice cooling water to the heat of combustion by providing a fuel cell system and a control method is configured by installing a combustion type heater, and so that the cooling water within a short time than can be supplied to melt, and improve vehicle naengsi Bi through which to sikineunde it is an object.

또한, 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하기 위해 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 제어되는 냉각수 제거수단을 구비함으로써, 영하 이하의 온도에서 차량 방치시 스택이 내부에 결빙된 물에 의해 파손되는 문제를 예방하도록 하는데 그 목적이 있다. In addition, the stack by the in the by providing a residual force the cooling water intake, the coolant removal means which is controlled on the basis of the outside temperature or environmental conditions at the time of vehicle operation to exhaust stack when the vehicle is left standing at a temperature not higher than minus freezing inside the water which it aims to to prevent the problem of breakage.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. More specifically the following, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings as follows.

본 발명은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 수소 저장계 및 공급계, 공기 공급계, 냉각계, 연료전지 제어부 등의 주변장치로 이루어진 연료전지 시스템에 있어서, The present invention relates to a fuel cell system consisting of peripheral devices such as the fuel cell stack to produce electricity, the hydrogen storage system and the feed system, air supply system, cooling system, the fuel cell controller,

상기 연료전지 스택(21)으로부터 발생되는 전원을 인가받아 냉각수 탱크(51) 내에서 냉각수를 해빙하는 전기식 히터(61)와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수 탱크(51)를 가열하여 냉각수를 해빙하는 연소식 히터(70)가 설치되고, 상기 제어부(10)가 차량의 시동키 조작신호와 냉각수 온도센서(56) 및 스택 내부 온도센서(23)로부터 입력되는 신호에 따라 상기 각 히터(61,70)의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 한다. And an electric heater 61 for thawing the cooling water in the cooling water tank 51 receives the power generated from the fuel cell stack 21 is applied, when supplied to a separate fuel to heat the cooling water tank 51 to the combustion heat the cooling water according to the signal inputted from the melt combustion type heater 70 is installed, the control unit 10, a vehicle ignition key operation signal and a cooling water temperature sensor 56 and the stack of the internal temperature sensor 23 of which the respective heater ( that the to control the operation of 61,70) is characterized.

이러한 본 발명의 제어방법은, 운전자가 시동키를 온 조작하면, 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와; This control method of the present invention comprises the steps in which the driver by operating the ignition key is turned on, supplying hydrogen and air to the fuel cell stack (21) and;

냉각수 탱크(51) 내 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 결빙된 상태인가를 판단하는 단계와; Determining whether the cooling water tank 51 is a cooling water from the cooling water temperature detected icing condition by the temperature sensor 56 and the;

냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원을 냉각수 탱크 내 전기식 히터(61)에 인가하여 작동시키고 이와 함께 냉각수 탱크(51)를 가열하는 연소식 히터(70)를 작동시켜 냉각수를 해빙하는 단계와; If it is determined that the cooling water is frozen state, the combustion type heater 70 to heat the fuel cell stack 21, a power operation is to be applied to within the electric heater 61, the cooling water tank and the cooling water tank 51 with it occurs in the step of melting and cooling water by operating;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 해빙된 상태인가를 판단하는 단계와; Determining the applied cooling water from the thawing state cooling water temperature detected by the temperature sensor 56 and;

냉각수가 해빙상태인 것으로 판단되면, 상기 연소식 히터(70)를 오프시키는 동시에 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와; The step of cooling water if it is determined that the thawing state, by driving the cooling water pump 52 at the same time turning off the combustion type heater 70, supplies a coolant to the fuel cell stack (21) and;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 상온까지 상승한 것으로 판단되면, 상기 전기식 히터(61)를 오프시키는 단계; If it is determined step of the cooling water from the cooling water temperature detected by the temperature sensor 56 to have risen to the room temperature, turning off the electric heater 61;

를 포함하는 것을 특징으로 한다. In that it comprises the features.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. When described in more detail in the following, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings as follows.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 장치구성도로서, 도면부호 55는 냉각수 펌프(52)의 배출구쪽 냉각수 라인(50)에 구성된 바이패스 라인을 나타내며, 도면부호 54는 라디에이터(53)가 설치된 냉각수 라인(50)과 상기 바이패스 라인(55)의 분기점에 위치된 바이패스 밸브를 나타낸다. FIG accompanying 1 is a block diagram device configuration schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to the present invention, reference numeral 55 denotes a by-pass line is configured on the outlet side of the cooling water line 50 of the cooling water pump 52, Reference numeral 54 denotes a bypass valve located in the branch point of the radiator 53, the cooling water line 50 is provided with the bypass line 55.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 탱크(51) 내부에는 결빙된 상태의 냉각수를 해빙하기 위한 열원으로서 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원에 의해 작동되는 전기식 히터(61)가 삽입 설치된다. First, the electric heater 61 which is inside the cooling water tank 51 of the fuel cell system has a heat source for melting the frozen state cooling operation by the power generated in the fuel cell stack 21 is inserted in the installation according to the invention do.

상기 전기식 히터(61)는 냉각수 탱크(51) 내부에서 전원 인가시 발열하여 결빙된 냉각수를 녹일 수 있게 된 열선(도시하지 않음)을 포함하는 것으로 실시 가능하며, 이 전기식 히터(61)로의 전원을 단속하기 위한 히터 스위치(63)가 연료전지 스택(21)과 전기식 히터(61) 사이의 전원공급라인(62) 상에 설치된다. The electric heater 61 is the power conducted from,, to the electric heater 61 as including a cooling water tank 51, a heat ray able to melt the frozen cooling water to heat upon application of power from an internal (not shown) a heater switch (63) for contact-breaker is provided on the power supply line 62 between the fuel cell stack 21 and the electric heater (61).

상기 전기식 히터(61)의 작동은 제어부(10)로부터 출력되는 제어신호에 따라 상기 히터 스위치(63)가 온 또는 오프 동작되면서 개시되거나 중단된다. The operation of the electric heater 61 and the heater switch 63 is turned on or off as the start or stop operating according to the control signal outputted from the controller 10.

연료전지 차량에서 차량 아이들(idle) 상태인 경우에는 보통 2 ∼ 3kW의 전력을 스택에서 발생시켜 차량의 전장 부하 및 연료전지 시스템의 구동 전력으로 사용하게 된다. If the fuel cell state (idle), the children's vehicle in the vehicle to be used as driving electric power of the total length of the vehicle load and a fuel cell system usually occurs in the 2 ~ 3kW power from the stack.

또한, 영하 20℃에서 80kW급 연료전지 스택이 10kW 정도의 전력을 생산할 수 있으며, 이를 차량의 구동용으로 사용하기에는 부적합하다. In addition, there is a 80kW class fuel cell stack at minus 20 ℃ to produce a power of about 10kW, it is not suitable for use for the driving of the vehicle.

따라서, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 차량의 구동용으로 사용하기에 부적합한 전력을 전기식 히터(61)의 전원으로 사용하여 냉각수를 해빙하게 된다. Therefore, in the fuel cell system of the present invention is using improper power for use in driving the vehicle as a power source of the electric heater 61, the ice water.

상기 전기식 히터(61)는 이와 같이 냉각수 탱크(51) 내에 저장된 냉각수를 해빙하기 위한 열원으로서의 역할을 수행하는 동시에, 시동키 온(on) 후 연료전지 스택(21)의 온도가 빠른 시간 내에 상승할 수 있도록 연료전지 스택(21)에서 발생되는 전력을 소모하는 부하로서의 역할을 수행한다. The electric heater 61 is thus at the same time of performing the heat source serving as for thawing the cooling water stored in the cooling water tank 51, to rise in a short period of time the temperature of the ignition key is turned on (on) after the fuel cell stack (21) to make it act as a load to consume electric power generated by the fuel cell stack (21).

즉, 연료전지의 성능 및 수명을 확보하기 위해서는 시동키 온(on) 후 연료전지 스택의 온도를 빠른 시간 내에 상승시켜야 하고, 이를 위해서는 차량의 구동모터 외에 연료전지 스택에서 발생되는 전력을 차량의 출발 운행이 가능한 시점까지 소모할 수 있는 별도의 부하가 필요한 바, 이러한 부하로서의 역할을 상기 전기식 히터가 수행하도록 되어 있는 것이다. That is, in order to secure the performance and life span of the fuel cell need to rise as soon as the temperature of the fuel cell stack after the ignition key is turned on (on), and the start of the electric power generated by the fuel cell stack in addition to the drive motor of the vehicle the vehicle For this It requires a separate load that can be consumed to the point that can operate the bar, which will act as a load such that said electric heater is to be performed.

한편, 10kW의 열로 10ℓ의 얼음을 녹이는데는 대략 7분 정도가 소요되며, 이러한 시간 동안 스택 내부(냉각수가 공급되지 않는 상태임)는 전기 생산시의 발열에 의해 평균 55℃까지 온도가 상승하게 되며, 특히 스택 내부의 온도가 20℃ 이상으로 상승한 상태에서 냉각수가 없을 경우에는 전극막 내부에 핫 스폿(hot spot)이 발생하여 전극막이 손상될 가능성이 있다. On the other hand, will There melt the ice in the heat of 10kW 10ℓ takes approximately 7 minutes (this is the state the cooling water is not supplied), this time the stack inside while is the temperature to rise to an average 55 ℃ by heating at the time of electricity generation , in particular when the temperature in the stack, there is no water in the state, up to more than 20 ℃ has the possibility of damage to the electrode film to the hot spot (hot spot) generated in the electrode film.

따라서, 전극막의 이러한 손상을 없애기 위해서는 스택 온도가 핫 스폿 발생 온도에 도달하기 이전에 냉각수를 스택에 공급해야 하는 바, 이를 위해서는 스택의 전력 외에 별도의 에너지로 냉각수를 해빙하여 보다 빠른 시간 내에 냉각수를 해빙해야 한다. Thus, to the bar, it that in order to eliminate the electrode film such damage to supply the cooling water prior to the stack temperature reaches a hot spot occurs the temperature in the stack to thaw the water in a separate energy besides the power of the stack, the cooling water in a faster time It should thaw.

즉, 스택에서 발생되는 전력에 의해 냉각수를 해빙하는 상기 전기식 히터 외에 별도 에너지를 사용하여 냉각수를 해빙하는 또 다른 히터가 설치되어야 하는 것이다. That is, in addition to the electric heater for thawing the cooling water by the electric power generated in the stack and another heater for thawing the cooling water by using extra energy must be installed.

이에, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크(51) 내 냉각수를 보다 빠른 시간 내에 해빙할 수 있도록 상기 전기식 히터(61)가 설치되는 것과 함께 별도의 연소식 히터(70)가 냉각수 탱크(51)에 설치된다. Thus, in the fuel cell system of the present invention, the cooling water tank 51, a cooling water tank 51, a separate combustion type heater 70, along with which the electric heater 61 is installed to thaw in a faster time within the cooling water It is installed.

이 연소식 히터(70)는 연료 연소시 발생되는 연소열로써 냉각수 탱크(51) 내의 냉각수를 가열하는 것으로, 첨부한 도 2는 수소를 연료로 사용하는 연소식 히터의 예를 도시한 것이다. The combustion type heater 70 is heated by the cooling water in the cooling water tank 51 by the combustion heat generated during the fuel combustion, accompanying Figure 2 illustrates an example of the combustion type heater that uses hydrogen as fuel.

예시한 바의 연소식 히터(70)는 냉각수 탱크(51)의 외부에 설치되는 촉매 버너로, 반응 장소의 최대화를 위해 내부 연소가 이루어지는 히터 본체(71)가 관상형 구조로 되어 있고, 이 히터 본체(71)의 내부에는 발화를 위한 점화장치(73)가 구비되는 바, 이 점화장치는 다수개가 설치될 수 있다. Combustion type heater 70 of the illustrated bar with a catalyst burner which is installed on the outside of the cooling water tank 51, a heater unit 71, an internal combustion formed in order to maximize the reaction place and become a tubular structure, the heater the main body 71 has a bar which is provided with an ignition device 73 for ignition, the ignition device can be installed plurality dog.

또한, 혼합기의 연소가 이루어지는 히터 본체(71)의 내면에는 연소 촉매(72)가 코팅되어 있으며, 연료인 수소는 도 1에 도시한 바와 같이 연료전지 시스템에 포함된 기존의 수소 공급계로부터 공급받도록 되어 있는 바, MFC(Mass Flow Controller)(도 1에서 도면부호 83)를 통해 유량이 조절된 후 분사구(74)를 통해 히터 본체(71) 내부로 공급되도록 되어 있고, 이 수소가 공급되는 것과 동시에 별도의 블로어(도 1에서 도면부호 84)가 작동하여 공기가 공급되도록 되어 있다. In addition, and the inner surface of the mixer combustion comprising a heater body 71, the combustion catalyst 72 is coated, to receive as shown in the fuel of hydrogen is 1 also supplied from the system existing hydrogen supply included in the fuel cell system which is a bar, MFC, and is supplied into the heater body 71 through the ejection port 74 after the flow rate is controlled through (reference numeral 83 in FIG. 1) (Mass flow Controller), at the same time as the hydrogen is supplied a separate blower (also reference numeral 84 in Fig. 1) it is such that the work in air is supplied.

또한, 연소 효율을 제어하기 위해 본체(71) 출구측에는 산소센서(76) 및 수소센서(77)를 장착하여 공기와 수소의 비를 제어하고, 본체(71) 입구측 및 출구측의 온도를 측정하는 온도센서(78a,78b)에 의해 점화장치(73)의 점화시기를 결정한다. Further, by mounting the main body 71, the outlet side of the oxygen sensor 76 and the hydrogen sensor 77 to control the combustion efficiency of controlling the ratio of air and hydrogen, and the main body (71) measuring the temperature of the inlet side and the outlet side It determines the ignition timing of the ignition device, a temperature sensor (73) by (78a, 78b) for.

또한, 냉각수 탱크(51)와의 열교환을 최대화 하기 위해 히터 본체(71)의 외부면에는 방열핀(71a)을 가지는 구조로 되어 있으며, 히터 본체(71)의 출구측에 연결된 배기통로(80)에는 내부 유체의 흐름을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(81)가 설치된다. In addition, the outer surface of the heater body 71 to maximize the heat exchange with the cooling water tank 51 has a structure having a radiating fin (71a), has the exhaust passage 80 is connected to the outlet side of the heater main body 71, the inner the solenoid valve 81 for intermittent flow of fluid is provided.

상기한 구성의 연소식 히터(70)에서, 연료전지 제어부(10)는 상기 각 센서로부터 입력되는 신호에 따라 MFC(83) 및 블로어(84), 점화장치(73), 솔레노이드 밸브(81) 등을 제어하게 된다. In the combustion type heater 70 of the above-described configuration, the fuel cell controller 10 MFC (83) and blower (84) in accordance with a signal inputted from the angle sensor, the ignition device 73, the solenoid valve 81, etc. to be controlled.

상기한 구성의 연소식 히터(70)와 10kW의 전기식 히터(61)를 함께 이용할 때, 수소의 연소 에너지는 1g당 120kJ이므로 4분 이내에 물을 녹이기 위해서는 15g의 수소가 필요하며, 1분 이내에 해빙을 위해서는 30g의 수소 연소가 필요하다. When used with the combustion type heater 70 and the electric heater 61 of the 10kW of the above arrangement, the hydrogen combustion energy is required of hydrogen to melt the water in less than four minutes, so 120kJ per 1g 15g, thawed in less than one minute the combustion of hydrogen is required for 30g.

따라서, 통상의 연료전지 시스템에서 수소 탱크 내 수소의 저장량은 통상 3kg 정도 요구되는 점을 고려할 때, 냉시동시 1% 정도의 수소 연소를 통해서 1분 이내에 시동이 가능하게 된다. Thus, in conventional fuel cell systems the hydrogen storage amount of the hydrogen tank is possible to start within one minute via the normal 3kg degree given the required points, the degree of hydrogen combustion naengsi same time 1%.

한편, 첨부한 도 3은 연료로서 수소를 사용하는 대신 액체 연료를 사용하는 연소식 히터의 예를 개략적으로 도시한 구성도이다. On the other hand, the attached Fig. 3 is a configuration showing an example of the combustion type heater that uses the liquid fuel instead of using hydrogen as a fuel to the schematic Fig.

예시한 바의 연소식 히터(70)는 냉각수 탱크(51)의 외부에 설치되는 촉매 버너로, 반응 장소의 최대화를 위해서 내부 연소가 이루어지는 히터 본체(71)가 관상형 구조로 되어 있으며, 이 히터 본체(71)의 내부에는 발화를 위한 점화장치(73)가 구비되는 바, 이 점화장치(73)는 다수개가 설치될 수 있다. A catalytic burner which is installed on the outside of the combustion type heater 70 is the cooling water tank 51 of the illustrated bar, the heater main body 71, an internal combustion formed in order to maximize the reaction place and become a tubular structure, the heater inside the bar, an ignition device 73 is provided with an ignition device 73 for ignition of the body 71 may be installed a plurality dog.

또한, 액체 연료의 연소가 이루어지는 히터 본체(71)의 내면에는 연소 촉매(72)가 코팅되어 있으며, 이러한 히터 본체(71)에 액체 연료를 공급하기 위해 액체 연료가 저장되는 연료 탱크(85)와, 이 연료 탱크(85)에 저장된 연료를 펌핑하는 인젝션 펌프(86)가 구비된다. Further, the inner surface of the heater main body 71, the combustion of the liquid fuel formed has a combustion catalyst (72) is coated, and the fuel tank 85 in which liquid fuel is stored for supplying the liquid fuel to this heater body 71 , it is provided with the injection pump 86 for pumping the fuel stored in the fuel tank (85).

연료 탱크(85)에 저장된 연료는 인젝션 펌프(86)의 구동에 의해 분사장치(75)에서 히터 본체(71) 내부로 분사되어지며, 이 액체 연료가 분사되는 것과 동시에 MFM(Mass Flow Meter)(87)을 포함하는 공기 공급부가 연료량에 적합한 비로 공기를 공급한다. Becomes the fuel stored in the fuel tank 85 is injected from the injector 75 by the drive of the injection pump 86 into the heater body 71, at the same time (Mass Flow Meter) MFM as it is the liquid fuel is injected ( 87) the air ratio suitable for the air supply unit supplies the amount of fuel containing.

또한, 연소 효율을 최적으로 제어하기 위해 본체(71) 출구측에는 산소센서(76) 및 연료센서(79)를 장착하여 공기와 연료의 비를 제어하고, 본체(71) 내부의 온도를 측정하는 온도센서(78a,78b)에 의해 점화장치(73)의 점화시기를 결정한다. Further, by mounting the main body 71, the outlet side of the oxygen sensor 76 and fuel sensor 79 in order to optimally control the combustion efficiency and the temperature that controls the ratio of air and fuel, measuring the temperature inside body 71 determines the ignition timing of the ignition device (73) by a sensor (78a, 78b).

또한, 히터 본체(71)의 출구측에 연결된 배기통로(80)에는 캐니스터(82)를 설치하여 연료의 이용율을 증가시킨다. Furthermore, the installation includes a canister 82, the exhaust passage 80 is connected to the outlet side of the heater body 71 to increase the utilization factor of the fuel.

상기한 구성의 연소식 히터(70)에서, 연료전지 제어부(10)는 상기 각 센서 및 MFM(87)으로부터 입력되는 신호에 따라 인젝션 펌프(86), 분사장치(75), 공기 공급부, 점화장치(73) 등을 제어하게 된다. In the combustion type heater 70 of the above-described configuration, the fuel cell control unit 10, the angle sensor and the injection pump 86, the injector 75 in accordance with the signal input from MFM (87), an air supply, the ignition device, 73 is the control and the like.

한편, 전술한 바의 전기식 히터(61)와 연소식 히터(70)를 구비한 본 발명의 연료전지 시스템은 스택(21) 내부의 온도를 검출하는 스택 온도센서(23)와 냉각수 탱크(51) 내 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도센서(56)를 포함하며, 제어부(10)는 상기 스택 온도센서(23) 및 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 온도신호와 시동키 조작신호에 따라 상기 전기식 히터(61) 및 연소식 히터(70)의 작동을 제어하도록 구성된다. On the other hand, the electric heater 61 and the combustion type heater 70, the fuel cell system stack 21, the stack temperature sensor 23 for detecting the temperature in the cooling water tank 51 of the present invention having the foregoing and including in the coolant water temperature sensor 56 for detecting the temperature of, the control unit 10 is the electric type with the temperature signal and the ignition key operation signal inputted from the stack temperature sensor 23 and coolant temperature sensor 56 It is configured to control the operation of the heater 61 and the combustion type heater 70.

다음으로, 본 발명의 연료전지 시스템은 전체 시스템 작동 종료 후 연료전지 스택(21) 내부에 잔존하는 냉각수를 강제 흡입하여 제거하는 냉각수 제거수단(90)을 포함한다. Next, the fuel cell system of the present invention includes the overall system is shut down after the fuel cell stack cooling water removal means 90 for removing by suction force of the cooling water remaining in the interior (21).

이는 냉각수 탱크(51)의 유입구쪽 냉각수 라인(50)에서 분기된 후 냉각수 탱크(51)에 별도 연결되는 냉각수 흡입라인(91)에 설치되어 이 냉각수 흡입라인(91)을 통해 연료전지 스택(21) 내부의 냉각수를 강제 흡입하는 냉각수 제거용 펌프(92)와, 이 냉각수 제거용 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인(91)에 설치된 제1컨트롤 밸브(93)를 포함한다. It then branched from the inlet side of the cooling water line 50 of the cooling water tank 51 is installed on the cooling water inlet line 91 that is a separate connection to the cooling water tank 51 through the cooling water intake line 91. The fuel cell stack (21 ) comprises a first control valve 93 installed in the inlet-side cooling water inlet line 91 of the pump for the coolant removal to force the cooling water intake of the internal (92) and remove the cooling water pump (92) for.

상기 제1컨트롤 밸브(93)의 작동은 제어부(10)에 의해 제어되며, 정상적인 시스템 작동상태에서는 상기 제어부(10)가 제1컨트롤 밸브(93)를 폐작동시켜 냉각수 흡입라인(91)으로 냉각수가 유입되는 것을 차단하도록 되어 있다. Said first control operation of the valve 93 is controlled by a control unit 10, the normal system operating conditions and the cooling water, the controller 10 has a cooling water inlet line 91 to waste operate the first control valve 93 It is to block the flowing.

또한, 상기 냉각수 제거수단(90)이 연료전지 스택(21) 내부의 냉각수를 강제 흡입하는 과정에서 보다 용이한 흡입이 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 냉각수 제거에 따른 스택(21) 내부의 부압을 해소하는 것이 바람직하다. Further, to the coolant removal means 90, the fuel cell stack (21) address the stack (21) a negative pressure inside of the water removed in order to be able to be made inhalation a more easily in the course of forced suction of cooling water of the internal desirable.

이는 스택(21) 및 냉각수 라인(50) 내부에 존재하는 냉각수의 양을 최소화 하여 동결시 스택 및 타 부품의 손상을 최소화 하게 된다. This will minimize damage to the stack and the other components during freezing to minimize the amount of water present inside the stack 21 and the cooling water line 50.

따라서, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인(이는 냉각수 펌프, 바이패스 밸브, 라디에이터를 통해 스택으로 연결됨)(50)을 통해 연료전지 스택(21) 내부에 대기가 유입되도록 한다. Therefore, in the fuel cell system of the present invention the air therein through the outlet side of the cooling water line 50 (which is fixed to the stack via the coolant pump, the bypass valve, the radiator) of the cooling water tank 51, the fuel cell stack (21) so that the inlet.

이를 위하여, 상기 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인(50)에는 제2컨트롤 밸브(94)를 설치하고, 이 제2컨트롤 밸브(94)의 출구쪽 냉각수 라인(50)에는 대기유입라인(95)을 분기시켜 구성하되 이 대기유입라인(95)에 제3컨트롤 밸브(96)를 설치하는 것이 바람직하다. To this end, the outlet side of the cooling water line 50 of the cooling water tank 51 is installed to the second control valve 94, and the second control, the air supply line outlet-side cooling water line 50 of the valve 94 ( shall be composed by a branch 95), it is preferable to provide a third control valve 96 in the air inlet line (95).

상기 제2컨트롤 밸브(94)와 제3컨트롤 밸브(96)의 작동 역시 제어부(10)에 의해 제어되는데, 냉각수 제거용 펌프(92)가 구동되는 상태에서는 제어부(10)의 제어에 의해 상기 제1컨트롤 밸브(93)가 개방됨과 동시에 제2컨트롤 밸브(94)는 폐작동되고 제3컨트롤 밸브(96)는 개방되어서 대기유입라인(95)으로 유입되는 대기가 연료전지 스택(21)의 입구쪽 냉각수 라인(50)을 통해 연료전지 스택(21) 내부로 유입되도록 되어 있다. The second control valve 94 and the third control is controlled by the operation also the control section 10 of the valve 96, wherein the under the control of the state in which the cooling water removal pump (92) for driving the control unit 10 1, the inlet of the control valve 93 is opened as soon at the same time the second control valve 94 is closed-operation and the third control valve 96 is opened be waiting a fuel cell stack (21) flowing into the air supply line 95 through the side cooling water line (50) adapted to be introduced into the fuel cell stack (21).

여기서, 상기 제어부(10)는 연료전지 차량의 효율을 최대화 하기 위하여 시동키 오프 후 냉각수 제거수단(90)의 작동여부를 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 결정한다. Here, the control unit 10 determines the operations of the ignition key coolant removal means 90 and then off in order to maximize the efficiency of the fuel cell vehicle based on the outside temperature or environmental conditions at the time of vehicle operation.

즉, 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서(도시하지 않음)로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 토대로 시동키 오프 후 냉각수 제거수단(90)의 작동여부를 결정하게 되는 것이다. That is, the operation of the external temperature sensor with the input of the vehicle operation from the (not shown) outside temperature data or the year the temperature of outside air statistical data stored in read only memory (ROM) after the ignition key is turned off based on the data coolant removal means (90) mounted on a fuel cell vehicle which will decide whether or not.

예를 들면, 상기 제어부(10)는 현재가 동절기이거나 또는 운행 중 차량 외부의 온도, 즉 외기온의 최저 값이 스택 내 냉각수 결빙 가능성이 있는 소정 온도 이하일 때 냉각수 제거수단(90)을 구동시키며, 그렇지 않을 경우 냉각수 제거수단(90)을 구동시키지 않는다. For example, the control unit 10 sikimyeo current driving the winter season or the temperature or the outside of the vehicle during use, that is, when a predetermined temperature with a minimum value of the stack potential within the cooling water freezing of the outside temperature is less than the coolant removal means (90), otherwise case does not drive the coolant removal means (90).

이하, 첨부한 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동상태를 설명하면 다음과 같다. Turning to the operating conditions of a fuel cell system in accordance with the following, present invention will be described with reference to the accompanying 4 as follows.

먼저, 운전자가 차량을 운행하기 위하여 시동키를 온(on) 조작하면, 시동키 온(on) 조작신호를 받은 제어부(10)가 수소 공급계의 솔레노이드 밸브(33)를 열고 공기 공급계의 블로어(42)를 구동시켜 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급한다. First, one (on) the ignition key to the driver to operate the vehicle when operated, to open the solenoid valve 33 of the system ignition key turned on (on) a hydrogen supply control unit 10 receives an operation signal in the blower of the system air supply It drives the 42 supplies hydrogen and air to the fuel cell stack (21).

이와 같이 수소와 공기를 공급받은 연료전지 스택(21)은 시동키 온(on) 후 적은 양(80kW급 연료전지 스택의 경우 영하 20℃에서 가습 없이 약 10kW 정도)의 전기를 생산하게 되며, 이러한 상태에서 제어부(10)는 냉각수 탱크(51) 내 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 온도신호를 통해 냉각수가 결빙된 상태인지를 판단하게 된다. Thus, the fuel cell stack (21) receiving the supply of hydrogen and air is to produce electricity in the ignition key is turned on (on) and then a small amount (no more than about 10kW for 80kW class fuel cell stack at minus 20 ℃ without humidification), such control unit 10 in the state it is determined whether the cooling water is frozen state over the temperature signal input from the cooling water tank 51 in the cooling water temperature sensor 56.

여기서, 냉각수 탱크(51) 내 냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 스택 전압 모니터링(SVM:Stack Voltage Monitoring) 장치(22)로부터 정상적인 전기 생산이 이루어지고 있음을 확인한 후, 냉각수 해빙을 위해 히터 스위치(63)를 온(on)시켜 전기식 히터(61)를 작동시키고, 또한 냉각수의 보다 빠른 해빙을 위해 연소식 히터(70)를 함께 작동시키게 된다. Here, the cooling water tank 51 in the cooling water when it is determined that the frozen state, the control section 10 of a stack voltage monitor: After confirming that there is a normal electricity generation made from (SVM Stack Voltage Monitoring) device 22, the cooling water turning on the heater switch (63) for melting (on) operates the electric heater (61), thus also work with a combustion heater 70 for a more rapid melting of the coolant.

이때, 수소를 연료로 사용하는 연소식 히터(70)의 경우를 예를 들면, 상기 제어부(10)는 MFC(83) 및 연소식 히터용 공기 블로어(84)를 제어하여 수소 공급계의 감압기(32)를 거친 수소의 일부와 공기를 히터 본체(71)로 공급하며, 이러한 상태에서 점화장치(73)를 작동시켜 연소식 히터(70)를 작동시킨다. At this time, in the case of the combustion type heater 70, which uses hydrogen as a fuel, for example, the control unit 10, MFC (83) and a combustion heater for an air blower 84 by controlling the total hydrogen supply pressure reducer and supplying the hydrogen passed through 32 with some air into the heater body 71, in this state by operating the ignition device 73 operates the combustion heater 70.

이와 같이 전기식 히터(61)와 연소식 히터(70)가 작동되는 상황에서 스택(21)이 전기를 계속해서 생산하는 경우 발열에 의해 스택(21) 내부의 온도는 올라가게 되는데, 스택(21) 내부의 온도가 20℃ 이상으로 올라갈 경우 핫 스폿 발생으로 인한 전극막 손상의 우려가 있으므로, 상기 제어부(10)는 스택 온도센서(23)를 통해 입력되는 스택 내부의 온도를 모니터링 하여 전기식 히터(61)의 작동 중 스택 내부의 온도가 20℃ 미만의 온도를 유지하도록 스택의 출력을 제어한다. In this way the temperature inside the electric heater 61 and the combustion type heater by heating the stack (21) When (70) continues to generate electricity, the stack 21 in the situation in which work is there is go up, the stack (21) when the internal temperature of the rises above 20 ℃ it may cause the electrode membrane damage caused by the hot spot occurs, the controller 10 is an electric heater (61 monitors the temperature of the stack inside the input through the stack temperature sensor 23 ) controls the output of the stack to a temperature within the stack maintain the temperature below 20 ℃ during operation.

이후, 상기 제어부(10)는 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 냉각수 온도가 소정 온도 이상으로 상승한 경우 냉각수가 어느 정도 해빙된 것으로 판단하고, 이어 연소식 히터(70)의 작동을 중단시킴과 동시에 제2컨트롤 밸브(94)를 개방하고 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)으로 공급한다. Thereafter, the control unit 10 and simultaneously it is determined that the cooling water temperature input from the water temperature sensor 56, the cooling water is somewhat thawed when raised above a predetermined temperature, followed by termination of the combustion type heater 70, 2 and opens the control valve 94 drives the cooling water pump 52 by supplying cooling water to the fuel cell stack (21).

이와 같이 스택(21)으로 공급되는 과정에서 냉각수는 아직 낮은 온도상태이기 때문에 상기 제어부(10)는 냉각수가 라디에이터(53)를 거치지 않고 바이패스 라인(55)을 통해 공급되도록 바이패스 밸브(54)를 제어하게 되며, 연료전지 스택(21) 내부로 공급된 냉각수는 정상적으로 냉각수 라인(50)을 따라 각 가습장치(34,41)를 거친 후 냉각수 탱크(51)로 복귀된다. Because this way the cooling water in the process of being supplied to the stack 21 is still low temperature state, the controller 10 includes a bypass valve 54 so that the cooling water without passing the radiator 53, supplied through the by-pass line 55 and the control is returned to the fuel cell stack 21 after the cooling water is normally supplied to the each humidification according to the cooling water line (50) device (34,41), the cooling water tank 51.

이후, 상기 제어부(10)는 공기 공급계의 블로어(42)를 제어하여 공기의 공급량을 증가시키는 바, 이를 통해 스택(21)의 출력을 증가시키게 된다. Thereafter, the control unit 10 thereby controls via the bar to the blower 42 of the air supply system to increase the supply amount of air, thereby increasing the output of the stack (21).

이후, 상기 제어부(10)는 냉각수가 정상적으로 공급되는 상태에서 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 냉각수의 온도가 상온에 해당하는 소정 온도까지 상승한 상태(예, 냉각수 온도 > 20℃)에서 히터 스위치(63)를 오프시켜 전기식 히터(61)의 작동을 중단시키게 된다. Then, the heater switch in the control unit 10 status, up to a predetermined temperature to the cooling water temperature of the cooling water received from the cooling water temperature sensor 56 in a state of being properly supplied corresponding to the normal temperature (for example, cooling water temperature> 20 ℃) ​​( turning off the 63), to thereby stop the operation of the electric heater (61).

이후, 운전자가 차량을 출발시키게 되면 냉각수의 온도는 스택(21)으로부터 받은 열로 인해 더욱 상승하게 되며, 차량 운행 동안 냉각수를 적절한 온도상태로 유지하기 위해 상기 제어부(10)는 냉각수가 소정 온도까지 상승한 상태(예, 냉각수 온도 > 50℃)에서 이 냉각수가 라디에이터(53)를 거쳐 스택(21)으로 공급될 수 있게 바이패스 밸브(54)를 제어하게 된다. Then, when the driver is thereby starting the vehicle the cooling water temperature is more elevated due to the heat received from the stack 21, in order to maintain the cooling water to the appropriate temperature conditions during vehicle operation the control unit 10 the cooling water rises to a predetermined temperature state (for example, cooling water temperature> 50 ℃) is the cooling water control a bypass valve (54) able to be through the radiator 53 to the supply stack 21 in.

이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 영하 이하의 대기 온도에서 전기식 히터 및 연소식 히터가 작동하여 냉각수 탱크 내에서 결빙된 상태인 냉각수를 빠른 시간 내에 해빙시켜 줌으로써, 연료전지 차량의 냉시동성이 향상될 수 있게 된다. In this way, the fuel cell system of the present invention is naengsi dynamics of electric heaters and open by giving to the post heater is operating thawing the state of water freezing in the water tank in a short time, a fuel cell vehicle at ambient temperature of less than minus it is possible to be improved.

또한, 상기와 같이 냉각수의 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기의 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 연료전지 스택의 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적의 작동온도까지 상승시킬 수 있는 효과도 기대된다. Further, as the electric heater for the purpose of melting of water as described above to properly stack the power consumption of the initial start-up it is expected effects that can be raised to the optimum working temperature of the temperature of the fuel cell stack in a faster time.

한편, 운전자가 시동키를 오프하게 되면, 전기 생산을 위한 연료전지 시스템의 작동이 중단되며, 이때 제어부(10)는 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서(도시하지 않음)로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 토대로 시동키 오프 후 냉각수 제거수단의 작동여부를 결정하게 된다. On the other hand, the When the driver turns off the ignition key, and stops the fuel cell system for electricity production operation, where the control unit 10 is an input of the vehicle operation from an external temperature sensor (not shown) mounted on a fuel cell vehicle after the ignition key is turned off based on the ambient temperature data or read only memory (ROM) data are stored in the year the temperature of outside air statistics will determine the operations of the water removing means.

예를 들어, 롬 자료에서 현재가 동절기이거나 또는 차량 운행 중 외기온의 최저 값이 스택 내 냉각수 결빙 가능성이 있는 소정 온도 이하였을 때 냉각수 제거수단(90)을 구동시키며, 그렇지 않은 경우 냉각수 제거수단(90)을 구동시키지 않는다. For example, it sikimyeo current driving the winter season or the vehicle or removing the cooling water when the minimum value of the outside temperature were a predetermined temperature or lower in the stack potential within the water ice of the driving means 90 from the ROM data, or water removing means if it is 90 the drive does not.

상기 냉각수 제거수단(90)의 작동과정을 살펴보면, 제어부(10)는 냉각수 펌프(52)의 구동 오프 후 제1컨트롤 밸브(93)와 제3컨트롤 밸브(96)를 개방하고, 제2컨트롤 밸브(94)를 폐작동시키며, 냉각수 제거용 펌프(92)를 구동시킨다. Looking at the operation of the above cooling water removal unit 90, control unit 10 after driving-off of the cooling water pump 52 and opens the first control valve 93 and the third control valve 96, the second control valve sikimyeo lung work 94, and drives the cooling water removal pump (92) for.

이와 같이 냉각수 제거용 펌프(92)가 구동되면, 스택(21) 내부의 냉각수가 냉각수 흡입라인(91)을 통해 흡입되어 냉각수 탱크(51)로 복귀되며, 이와 동시에 대기유입라인(95)으로 유입된 대기가 냉각수 펌프(52)를 통과하여 스택(21) 입구쪽 냉각수 라인(50)을 통해 스택 내부로 유입되면서 스택 내부의 부압이 해소된다. Once this way the cooling water removal pump (92) for driving a stack (21) inside the cooling water is drawn through a cooling water inlet line 91 and returned to the cooling water tank 51, and at the same time flows into the air supply line 95 the stack of the internal negative pressure is eliminated as the atmosphere through the stack 21 side cooling water inlet line 50 is introduced into the stack through the cooling water pump 52.

소정 시간 이후, 상기 제어부(10)는 냉각수 제거용 펌프(92)를 구동 오프시키고, 제1컨트롤 밸브(93)와 제3컨트롤 밸브(96)를 폐작동시킨다. After a predetermined time, the control unit 10, thereby operating the waste pump 92 for removing the cooling water were driven off, the first control valve 93 and the third control valve 96.

이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하도록 구성된 냉각수 제거수단을 시동키 오프 후 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 적절히 선택 구동시킴으로써, 특히 차량이 영하 이하의 온도에서 방치될 때 내부에 결빙된 물에 의해 스택이 파손되는 문제를 예방할 수 있는 장점이 있게 된다. In this manner, by properly driving select the cooling water remaining within the stack in the fuel cell system of the present invention based on the forced inhalation, the outside temperature at the time of a cooling water removing unit after the ignition key off vehicle operation that is configured to discharge or the environment, in particular vehicle sub-zero it is possible the advantage of preventing the problem that the stack is damaged by the freezing of water inside when allowed to stand at a temperature below.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템과 그 제어방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다. As described above, according to the fuel cell system and a control method according to the invention, it has the following advantages.

1) 영하 이하의 대기 온도에서 냉각수 탱크에 결빙된 냉각수를 스택에서 발생된 전원으로 전기식 히터가 해빙하는 것과 함께 별도의 연료 연소식 히터가 추가적으로 냉각수를 해빙하므로 보다 빠른 시간 내에 냉각수를 해빙, 공급할 수 있고, 이에 냉시동성이 크게 향상되는 효과가 있다. 1) to supply melt, the cooling water in a faster time because a separate fuel combustion type heater Along with the electric heater thaw the water frozen in the water tank at an ambient temperature of below zero to the power generated in the stack ice for further cooling water and, there is an effect that naengsi Bi significantly improve this.

2) 냉각수 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 스택 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적 작동온도까지 상승시키는 효과가 있다. 2) there is an effect that the electric heater for the purpose of cooling water ice that increases to the optimum operating temperature within a short time than the stack temperature as well as consume power start-up the initial stack.

3) 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하기 위해 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 제어되는 냉각수 제거수단이 구비됨으로써, 영하 이하의 온도에서 차량 방치시 스택이 내부에 결빙된 물에 의해 파손되는 문제를 예방할 수 있다. 3) being provided to force the cooling water remaining within stack inhalation, coolant removal means which is controlled on the basis of the outside temperature or environmental conditions at the time of vehicle operation to discharge the, the stack when the vehicle is left standing at a temperature below freezing by the water freezing within the It can prevent the problem of breakage.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체 구성을 도시한 장치구성도이고, 1 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to the invention the device is also configured,

도 2는 본 발명에서 연소식 히터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이며, 2 is a block diagram schematically showing one embodiment of a combustion heater in the present invention,

도 3은 본 발명에서 연소식 히터의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이고, 3 is a diagram showing another embodiment of the post heater opened by the present invention in a schematic diagram,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동과정을 도시한 블럭도이고, 4 is a diagram showing the operation of the fuel cell system in accordance with the present invention,

도 5는 통상의 연료전지 시스템 구성을 도시한 장치구성도이다. Figure 5 is a block diagram showing a conventional device of a fuel cell system configuration.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Description of the Related Art>

10 : 제어부 21 : 연료전지 스택 10: control unit 21: Fuel cell stack

23 : 스택 온도센서 31 : 수소 탱크 23: a stack temperature sensor 31: a hydrogen tank

32 : 감압기 34 : 가습장치 32: the pressure reducer 34: humidifier

41 : 가습장치 42 : 블로어 41: humidifying unit 42: Blower

51 : 냉각수 탱크 52 : 냉각수 펌프 51: water tank 52: water pump

56 : 냉각수 온도센서 61 : 전기식 히터 56: cooling water temperature sensor 61: electrical heater

70 : 연소식 히터 90 : 냉각수 제거수단 70: the combustion type heater 90: Cooling water removal means

91 : 냉각수 흡입라인 92 : 냉각수 제거용 펌프 91: cooling water inlet line 92: Pump for water removal

93 : 제1컨트롤 밸브 94 : 제2컨트롤 밸브 93: first control valve 94: a second control valve

95 : 대기유입라인 96 : 제3컨트롤 밸브 95: air supply line 96: third control valve

Claims (10)

  1. 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 수소 저장계 및 공급계, 공기 공급계, 냉각계, 연료전지 제어부 등의 주변장치로 이루어진 연료전지 시스템에 있어서, In the fuel cell system of peripheral devices such as a fuel cell stack and a hydrogen-based storage and supply system, air supply system, cooling system, the fuel cell control unit which generates electricity,
    상기 연료전지 스택(21)으로부터 발생되는 전원을 인가받아 냉각수 탱크(51) 내에서 냉각수를 해빙하는 전기식 히터(61)와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수 탱크(51)를 가열하여 냉각수를 해빙하는 연소식 히터(70)가 설치되고, 상기 제어부(10)가 차량의 시동키 조작신호와 냉각수 온도센서(56) 및 스택 내부 온도센서(23)로부터 입력되는 신호에 따라 상기 각 히터(61,70)의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. And an electric heater 61 for thawing the cooling water in the cooling water tank 51 receives the power generated from the fuel cell stack 21 is applied, when supplied to a separate fuel to heat the cooling water tank 51 to the combustion heat the cooling water according to the signal inputted from the melt combustion type heater 70 is installed, the control unit 10, a vehicle ignition key operation signal and a cooling water temperature sensor 56 and the stack of the internal temperature sensor 23 of which the respective heater ( 61,70), the fuel cell system with improved naengsi Bi, characterized in that the to control the operation of.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연소식 히터(70)가 상기 연료전지용 수소 저장계로부터 공급되는 수소를 연료로 하여 이를 공기와 함께 연소 촉매(72)가 코팅된 히터 본체(71) 내부에서 연소시키는 촉매 버너인 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. The method according to claim 1, the catalytic burner for the combustion type heater 70, the combustion inside the heater body 71 is the combustion catalyst 72 is coated with this air and hydrogen supplied from the fuel cell-hydrogen storage system as a fuel the fuel cell system improves naengsi Bi, characterized in that.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 연소식 히터(70)가 별도의 연료 탱크(85)로부터 공급되는 액체 연료를 연료로 하여 이를 공기와 함께 연소 촉매(72)가 코팅된 히터 본체(71) 내부에서 연소시키는 촉매 버너인 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. The method according to claim 1, to the combustion type heater 70, the combustion inside the heater body 71 is the combustion catalyst 72 is coated with this, and the air to the liquid fuel supplied from a separate fuel tank 85 as a fuel the fuel cell system with improved naengsi Bi, characterized in that the catalytic burner.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 히터 본체(71)는 내면 상에 연소 촉매(72)가 코팅된 관상형 구조로 되어, 그 내부에 점화장치(73)와, 점화시기 결정을 위한 온도센서(78a,78b)와, 연료 및 공기의 비를 결정하기 위한 산소 및 연료센서(76,77,79)를 가지는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. The method according to claim 2 or 3, the heater body 71 is in the inner surfaces of the combustion catalyst 72, the tubular structure coated on, and in its interior the igniter (73), a temperature sensor (78a for the ignition timing determined , 78b), and a fuel cell system with improved naengsi Bi, characterized in that with the oxygen and the fuel sensor (76,77,79) for determining the ratio of fuel and air.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각계가 시동 오프 후 연료전지 스택(21) 내부에 잔존하는 냉각수를 강제 흡입 제거하는 냉각수 제거수단(90)을 가지되, 이 냉각수 제거수단(90)이 냉각수 탱크(51)의 유입구쪽 냉각수 라인(50)에서 분기된 냉각수 흡입라인(91)에 설치되어 흡입력을 제공하는 냉각수 제거용 펌프(92)와, 이 냉각수 제거용 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인에 설치되는 제1컨트롤 밸브(93)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. The method according to claim 1, wherein the cooling boundaries after starting off the fuel cell stack (21) being of the forced suction removal coolant removal means (90) for the cooling water remaining in the inside, the water removing means (90) the cooling water tank 51 the inlet port side is installed in the cooling water line 50, a cooling water inlet line 91 is branched from and remove cooling water to provide a suction pump 92 for, which is installed on the inlet side coolant inlet line of the cooling water removal pump (92) for the fuel cell system with improved naengsi Bi comprises a first control valve 93.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 냉각수 제거수단(90)은 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인에 설치된 제2컨트롤 밸브(94)와, 이 제2컨트롤 밸브(94)의 출구쪽 냉각수 라인에서 분기된 대기유입라인(95)과, 이 대기유입라인(95)에 설치된 제3컨트롤 밸브(96)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템. The method according to claim 5, branched from the outlet side cooling water line of the water removal unit 90 is the cooling water tank 51, the outlet side of the second control installed in the water line valve 94 and the second control valve 94 of the air supply line 95 and the air supply line 95. the third control the fuel cell system with improved naengsi Bi, characterized in that it further comprises a valve 96 installed on.
  7. 운전자가 시동키를 온 조작하면, 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와; Step in which the driver by operating the ignition key is turned on, supplying hydrogen and air to the fuel cell stack (21) and;
    냉각수 탱크(51) 내 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 결빙된 상태인가를 판단하는 단계와; Determining whether the cooling water tank 51 is a cooling water from the cooling water temperature detected icing condition by the temperature sensor 56 and the;
    냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원을 냉각수 탱크 내 전기식 히터(61)에 인가하여 작동시키고 이와 함께 냉각수 탱크(51)를 가열하는 연소식 히터(70)를 작동시켜 냉각수를 해빙하는 단계와; If it is determined that the cooling water is frozen state, the combustion type heater 70 to heat the fuel cell stack 21, a power operation is to be applied to within the electric heater 61, the cooling water tank and the cooling water tank 51 with it occurs in the step of melting and cooling water by operating;
    상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 해빙된 상태인가를 판단하는 단계와; Determining the applied cooling water from the thawing state cooling water temperature detected by the temperature sensor 56 and;
    냉각수가 해빙상태인 것으로 판단되면, 상기 연소식 히터(70)를 오프시키는 동시에 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와; The step of cooling water if it is determined that the thawing state, by driving the cooling water pump 52 at the same time turning off the combustion type heater 70, supplies a coolant to the fuel cell stack (21) and;
    상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 상온까지 상승한 것으로 판단되면, 상기 전기식 히터(61)를 오프시키는 단계; If it is determined step of the cooling water from the cooling water temperature detected by the temperature sensor 56 to have risen to the room temperature, turning off the electric heater 61;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법. A control method of a fuel cell system improves naengsi Bi comprises a.
  8. 청구항 7에 있어서, 운전자가 시동키를 오프시키면, 연료전지 스택(21) 내의 냉각수 결빙 가능성 유무를 판단하는 단계와; The system according to claim 7, when the driver turns off the ignition key, the step of determining whether or not the cooling water freezing potential in the fuel cell stack (21) and;
    연료전지 스택(21) 내의 냉각수 결빙 가능성이 있다고 판단되면, 냉각수 흡입라인(91)의 펌프(92)를 구동시키고 이 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인(91)의 제1컨트롤 밸브(93)를 개방하여 연료전지 스택(21) 내부로부터 냉각수를 강제 흡입, 제거하는 단계; If it is determined that the water freezing potential in the fuel cell stack 21, a first control valve (93 of the inlet-side cooling water inlet line 91 of the cooling water inlet line 91, pump drive 92 and the pump 92 of the ) for opening and further comprising: suction force, remove the cooling water from the fuel cell stack 21;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법. A method of controlling a fuel cell system improves naengsi Bi, characterized in that it further comprises.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 결빙 가능성 유무 판단 단계는 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 통해 판단하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법. The method according to claim 8, wherein the freezing potential presence judgment step naengsi characterized in that the determination by the read-only memory (ROM) material is the outside temperature data or round the outside temperature statistical data input of the vehicle operation from an external temperature sensor mounted on the fuel cell vehicle is stored a control method of a fuel cell system with improved Bi.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 냉각수 제거 단계에서 추가적으로 대기유입라인(95)의 제3컨트롤 밸브(96)를 개방하고 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인의 제2컨트롤 밸브(94)를 닫아주는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법. The method according to claim 8, to give close the third control valve second control valve 94 in the opening 96 and the outlet side coolant line of the cooling water tank 51 of the additional air supply line 95 from the cooling water removal step a control method of a fuel cell system improves naengsi Same as claimed.
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