KR100643472B1

KR100643472B1 - 연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템

Info

Publication number: KR100643472B1
Application number: KR1020050094776A
Authority: KR
Inventors: 노용규; 박민영
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2006-11-10

Abstract

본 발명은 연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템에 관한 것으로, 외부 기온이 영하 상태에서 냉 시동을 하는 경우에 얼어 있는 냉각수(초순수물) 중 스택 운전에 필요한 최소한의 양만을 신속히 해동해 공급 되도록 하여 시스템을 안정화를 신속히 함과 더불어, 안정화된 상태에서 해동에 필요한 전력을 공급하여 냉 시동 시 초기 과도한 전력 소모를 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉각수가 얼어붙은 연료전지차량을 냉 시동할 때, 냉각수를 급속히 해동해 스택으로 공급하도록 RTA(6)와 스택(1)사이에 냉각수가 순환하는 공급라인루프(Loop)를 형성하되,

상기 공급라인루프는 스택(1)으로 냉각수를 유입시켜주는 냉각수순환라인(10)에서 분기되어 히터(7)를 통해 녹은 냉각수를 RTA(6)로부터 배출해 스택(1)쪽으로 공급(Refill)하는 연결라인(20)과, 상기 RTA(6)로부터 스택(1)으로 공급된 냉각수가 스택(1)을 통과한 후 RTA(6)내로 재 유입시켜 주는 순환라인(50)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템{Rapid thaw accumulator system on fuel cell car}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지차량의 급속해동장치 시스템의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 연료전지차량의 냉 시동 시 급속해동장치 시스템을 이용한 작동도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스택 2 : 디이오나이저

3 : 라디에이터 4 : 펌프

5 : 블로우워 6 : RTA

6a : 어퍼포션 6b : 로어포션

7 : 히터 8 : 분리판

8a : 개구홀 10 : 냉각수순환라인

11,41 : 벤트밸브 20 : 연결라인

21,31,51 : 제어밸브 30 : 블로우라인

40 : 벤트라인 50 : 순환라인

A : 동결상태 B : 해동상태

본 발명은 연료전지차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉 시동 시 빠른 시간 내에 스택으로 냉각수를 공급해 불안정한 조건 하에서의 스택 운전을 최대한 단축시킬 수 있도록 된 연료전지차량의 급속해동장치 시스템에 관한 것이다.

최근에는 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 음극에는 연료(수소가스나 탄화수소)를 양극에는 산소를 외부로부터 공급하여 발전하는 전지계 즉, 전해질을 사이에 두고 애노드(음극, anode)과 캐소드(양극, cathode)로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기 화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 연료전지시스템이 개발되고 있다.

이러한, 연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법으로서, 화석 연료와 같이 NOx와 SOx이 발생되지 않으며 소음과 진동이 없으면서도 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80%이상인 친환경 발전 시스템임은 물론이다.

이러한, 연료전지 자동차의 운전장치(BOP, Balance of Plant)는 통상적으로, 공기를 강제로 불어넣어 주는 공기공급장치와, 수소·물 공급장치, 연료전지스택 및 작동시 시스템 내의 습도와 온도, 압력 및 유량 등의 정보를 측정하는 센서류의 신호를 받아서 부품들을 제어하는 제어장치등으로 구성된다.

이때, 연료전지스택으로 유입되는 공기와 수소 유량 및 압력은 연료전지 스택 전·후단에 위치한 복수의 센서에 의해 검출되어 압력조절기나 콘트롤 밸브에 의해 연료전지 스택의 요구 조건에 맞도록 제어된다.

또한, 이러한 연료전지 시스템은 연료전지스택의 운전중 전기화학반응에 의해 발생하는 가스소모와 발열 및 물 생성 등의 현상 즉, 공기극에서는 연료전지의 전기화학반응에서 물이 생성되므로 습도가 높아지는 반면, 연료극에서는 수소이온이 물분자와 결합되어 전해질막을 통과해 공기극으로 이동하기 때문에 연료극은 더욱 건조해지게 된다.

이로 인해, 연료전지스택의 전기화학반응 중에 발생하는 물을 회수하여 연료인 수소와 공기가스에 재 공급함으로써 일정한 습도를 유지하기 위한 물 관리 제어를 수행해 야 만 하고, 이를 위해 연료전지차량에는 반응 후 생성되는 물을 회수·제어하기 위한 워터회수장치인 응축계시스템이 반드시 장착됨은 물론이다.

즉, 이러한 응축계시스템은 전기와 열을 발생시키는 스택에 공급되는 공기와 수소를 충분한 가습 상태로 유지하도록 하면서, 막전극접합체(MEA)의 성능이 저하되거나 심한 경우 완전 건조(dry-out) 현상이 발생하여 막전극접합체가 손상될 수 있는 스택의 과열 현상을 방지하여야 함은 물론이다.

이때, 열을 냉각하고 가습상태를 유지하는 냉각수는 부동액을 쓰는 경우도 있지만 스택 내부의 오염 문제나 전기적 단락(short) 문제에 대한 해결책이 선행되어야 하는 어려움이 있고, 이로 인해 냉각수로 부동액 대신 초순수물(Deionized Water, DIW)을 사용하게 된다.

이와 같이, 냉각수로 초순수물을 사용하는 경우에는 영하의 조건에서 얼어 버리는 현상이 있으므로, 통상 초순수물이 부품 또는 배관에서 어는 것을 방지하기 위하여 시동을 끌 때마다 모든 냉각수(초순수물)를 급속해동장치로 모은 후 시동 시 녹인 냉각수를 스택으로 공급하는데, 이는 냉각수가 모이는 워터 탱크내에 설치되어져 일반적으로 이를 RTA(Rapid Thaw Accumulator)라 칭하게 된다.

그러나, 통상 연료전지 차량의 냉 시동의 경우는 외부 기온이 약 -10℃이하인 불안정한 조건에서 시동이 되는 것으로, 이와 같은 냉 시동 조건이 오래 유지되는 경우 스택의 수명을 감소할 뿐 아니라, 통상 약 10~15리터의 냉각수를 사용하므로 이를 100% 해동을 위해서는 약 4~6분 이상 필요해 출발 지연이 발생되고 또한, 약 10~15리터의 냉각수를 4~6분 안에 모두 해동하기 위해서는 약 40kW이상의 용량을 갖는 히터가 필요해 RTA의 용량을 크게 할 수밖에 없는데 이는 여러 설계 제약을 가져오게 됨은 물론이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 외부 기온이 영하 상태에서 냉 시동을 하는 경우에 얼어 있는 냉각수(초순수물) 중 스택 운전에 필요한 최소한의 양만을 신속히 해동해 공급 되도록 하여 시스템을 안정화를 신속히 함과 더불어, 안정화된 상태에서 해동에 필요한 전력을 공급하여 냉 시동 시 초기 과도한 전력 소모를 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기를 생산하는 스택을 냉각 하기 위해 냉각수로 사용된 초순수물이 얼어버리는 빙점 이하의 온도 하에서 냉 시동을 할 때 상기 냉각수를 신속하게 녹여주는 급속해동장치 시스템을 구비한 연료전지차량에서,

상기 급속해동장치 시스템이 디이오나이저를 통해 초순수물로 변환된 냉각수가 펌프의 펌핑에 의해 전기와 열을 발생하는 스택을 통과한 후 열을 방출하는 라디에이터쪽으로 순환되도록 순환라인을 형성하는 냉각수순환라인과,

상기 스택으로 냉각수를 유입시켜주는 냉각수순환라인에서 분기되어 냉각수순환라인의 냉각수를 RTA쪽으로 드레인하거나 냉 시동시 상기 RTA의 내부에 구비된 히터를 통해 녹은 냉각수를 RTA로부터 배출해 스택쪽으로 공급(Refill)하는 연결라인,

상기 RTA의 내부 저면 부위까지 블로우워로부터 에어를 유입시켜 RTA내부를 가압하는 블로우라인 및,

상기 RTA에서 녹여 연결라인과 냉각수순환라인을 통해 스택으로 공급된 냉각수가 스택을 통과한 후 배출되는 냉각수순환라인에서 분기되어 RTA내로 재 유입시켜 주는 순환라인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지차량의 급속해동장치의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명은 전기를 생산하는 스택을 냉각하기 위해 냉각수로 사용된 초순수물 이 얼어버리는 빙점 이하의 온도하에서 냉시동을 할 때 상기 냉각수로 신속하게 녹여주는 급속해동장치 시스템를 구비한 연료전지차량에서,

상기 급속해동장치 시스템이 RTA(6)와 스택(1)사이에 냉각수가 순환하는 공급라인루프(Loop)를 형성하도록 디이오나이저(2)를 통해 초순수물로 변환된 냉각수가 펌프(4)의 펌핑(Pumping)에 의해 전기와 열을 발생하는 스택(1)을 통과한 후 열을 방출하는 라디에이터(3)쪽으로 순환되도록 순환라인을 형성하는 냉각수순환라인(10)과,

상기 스택(1)으로 냉각수를 유입시켜주는 냉각수순환라인(10)에서 분기되어 냉각수순환라인(10)의 냉각수를 RTA(6)쪽으로 드레인(Drain)하거나 냉 시동시 상기 RTA(6)의 내부에 구비된 히터(7)를 통해 녹은 냉각수를 RTA(6)로부터 배출해 스택(1)쪽으로 공급(Refill)하는 연결라인(20),

상기 RTA(6)의 내부 저면 부위까지 블로우워(5)로부터 에어를 유입시켜 RTA(6)내부를 가압하는 블로우라인(30) 및,

상기 RTA(6)에서 녹여 연결라인(20)과 냉각수순환라인(10)을 통해 스택으로 공급된 냉각수가 스택(1)을 통과한 후 배출되는 냉각수순환라인(10)에서 분기되어 RTA(6)내로 재 유입시켜 주는 순환라인(50)으로 이루어진다.

그리고, 상기 RTA(6)는 냉각수가 충진되는 내부 공간에 내장되어 냉 시동시 전원이 공급되어 가열되어 얼어붙은 냉각수를 해빙시켜 주는 히터(7)와, 상기 히터(7)의 전력선 분포를 희박영역인 어퍼포션(6a)과 밀집영역인 로어포션(6b)으로 양분하면서 서로 간에 연통되도록 다수의 개구홀(8a)을 형성한 분리판(8)으로 구성되 어진다.

이때, 상기 RTA(6)의 내부 공간으로는 연결라인(20)과 블로우라인(30), 벤트라인(40) 및 순환라인(50)이 모두 연결되며, 이중 상기 연결라인(20)은 RTA(6)의 내부 저면 부에까지 이어지고, 또한 상기 블로우라인(30)도 연장라인(32)이 연결되어 RTA(6)의 내부 저면 부에까지 위치되어진다.

그리고, 상기 연결라인(20)과 블로우라인(30) 및 순환라인(50)상에는 각각 컨트롤러에 의해 제어되는 제어밸브(21,31,51)가 구비되어, 냉 시동 시 컨트롤러를 통해 제어되어 개·폐됨은 물론이다.

또한, 상기 냉각수순환라인(10)과 RTA(6)에는 에어의 배출을 위해 컨트롤러에 의해 제어되는 벤트밸브(11,41)를 각각 구비한 벤트라인(11',40)이 구비되어진다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명의 연료전지차량을 외부 기온이 영하로 떨어진 상황에서 시동을 걸 때, 급속해동장치인 RTA(6)의 냉각수를 히터(7)를 이용하여 부분적으로 녹여 스택으로 공급되어야 만 하는 냉각수 중 최소한의 유량을 우선적으로 공급해 시스템을 안정화시킨 후, 스택에서 발생되는 열을 이용하여 RTA(6)내 결빙된 냉각수를 녹여 주도록 해 냉 시동시 히터(7)의 과도한 사용으로 인한 전력소모를 줄임과 더불어 출발지연과 불안정한 조건 하에서 스택을 운전 할 때 발생되는 불리함 들을 해소할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 구비된 급속해동장치 시스템은 이부 기온이 영하로 떨어진 상황에서 차량이 정지된 후 다시 시동을 걸 때, 시동 상황을 감지한 컨트롤러는 RTA(6)내 결빙된 냉각수를 녹여 주도록 배터리 전원을 연결해 히터(7)로 공급하게 된다.

이와 더불어, 상기 컨트롤러는 블로우워(5)를 구동해 RTA(6)내부로 에어를 공급해 가압하게 되는데 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 블로우워(5)에 의해 공급되는 에어가 흐르도록 열려진 제어밸브(31)가 블로우워(5)와 RTA(6)간을 연결하는 블로우라인(30)을 연통시켜 주면, 상기 블로우라인(30)을 통해 RTA(6)로 유입된 에어가 연장라인(32)을 타고 RTA(6)의 저면 부위까지 유입되어진다.

이와 같이, 상기 RTA(6)내부로 에어가 유입되면서 동시에 히터(7)가 작동되어 발열되면, 상기 RTA(6)내부에서 동결상태(A)로 얼어붙은 냉각수가 녹게되는데 이때, 상기 히터(7)의 전력선 분포가 RTA(6)의 로어포션(6b)으로 집중되어 있어 어퍼포션(6a)에 비해 상기 로어포션(6b)에 얼어 있는 냉각수가 상대적으로 더 빨리 녹게 된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 RTA(6)의 어퍼포션(6a)부위 냉각수는 동결상태(A)에 있지만 해동상태(B)로 된 로어포션(6b)의 냉각수가 연결라인(20)을 통해 냉각수순환라인(10)쪽으로 흘러 스택(1)으로 유입되고, 이와 같이 스택(1)으로 유입된 냉각수는 스택(1)을 냉각하도록 순환된 후 다시 배출되어진다.

이와 같이, 상기 스택(1)으로부터 배출된 냉각수는 냉각수순환라인(10)에서 분기된 순환라인(50)을 따라 다시 RTA(6)로 재 유입되는 순환 과정을 반복하고, 초 기 시동 후 상기 스택(1)이 정상적으로 작동되어 전기를 생산하게 되면 배터리에 의해 히터(7)에 공급되던 전원이 스택(1)에서 발전된 전기를 충전하는 즉, 스택(1)과 배터리 및 히터(7)간에 전기 회로가 형성되어 더 이상의 배터리 전원의 소모가 필요 없게 된다.

이어. 상기 히터(7)에 스택(1)으로부터 전기가 공급됨에 따라 RTA(6)의 로어포션(6b)과 마찬가지로 어퍼포션(6a)의 동결상태(A)인 냉각수도 함께 녹아 해동상태(B)로 전환되고, 상기 RTA(6)와 스택(1)사이에서 냉각수가 순환된 후 스택(1)과 라디에이터(3)사이를 냉각수가 순환하면서 정상적인 냉각수 순환 구조가 형성되어진다.

이때, 상기 RTA(6)의 내부 공간을 양분하는 분리판(8)은 RTA(6)내부의 어퍼포션(6a)에서 녹은 냉각수가, 상기 RTA(6)의 로어포션(6b)으로 유입되어 연결라인(20)을 통해 냉각수순환라인(10)쪽으로 흘러가도록 하는 즉, 상기 분리판(8)에 형성된 다수의 개구홀(8a)을 통해 상기 RTA(6)의 어퍼포션(6a)과 로어포션(6b)간을 연통시켜 준다.

이와 같이, 연료전지 차량의 냉 시동 시 얼어붙은 냉각수의 해동이 RTA(6)전체에서 이루어지지 않고, 상기 RTA(6)의 일부 영역인 히터(7) 밀집분포 영역에서 먼저 이루어지게 되므로, 냉 시동 초기에 스택(1)으로 일부 해동된 냉각수가 신속하게 공급되어 냉각수 해동에 따른 지연이 거의 없이 빠른 운전이 이루어지면서 또한, 상기 RTA(6)내 얼어붙은 냉각수를 모두 녹여 주지 않아도 되어 히터(7)의 과도한 사용(약 4내지 6분 정도)에 따른 큰 전력소모(약 40KW 이상)도 방지할 수 있게 됨은 물론이다.

그리고, 이러한 제어 과정은 전체적인 물 관리 시스템을 제어하는 컨트롤러에 의해 운전 상태에 따라 제어되며, 이는 연료전지 차량의 물 관리 시스템의 기본적인 사항임은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 냉 시동 시 RTA내 얼어붙은 냉각수 중 일부를 배터리를 통해 먼저 해동시켜 운전중인 스택으로 우선적으로 공급해, 상기 RTA내 전체 냉각수의 해동에 따른 운전 지연을 방지하면서 전체 냉각수의 해동에 따른 과도한 배터리 전력소모를 방지할 수 있는효과가 있다.

또한, 본 발명은 RTA내 얼어붙은 냉각수를 해동하기 위한 히터를 밀집 구역과 비 밀집 구역으로 양분시켜 냉 시동 시 히터 밀집 구역을 통해 우선적으로 냉각수를 해동해 스택으로 공급하게 되므로, RTA내 냉각수의 해동을 위한 히터의 용량을 작게 하고서도 냉 시동 시 안정적인 조건으로 운전될 수 있어 상기 RTA의 전체적인 크기를 줄여 줄 수 있는 효과가 있음은 물론이다.

또한, 본 발명은 냉 시동 시 냉각수가 신속하게 스택으로 공급되므로 스택이 불안정한 조건 하에서 운전되는 것을 방지하므로, 스택의 수명을 저하하는 불안정한 조건을 만들지 않는 효과가 있음은 물론이다.

Claims

전기를 생산하는 스택을 냉각하기 위해 냉각수로 사용된 초순수물이 얼어버리는 빙점 이하의 온도 하에서 냉시동을 할 때 상기 냉각수를 신속하게 녹여주는 급속해동장치 시스템을 구비한 연료전지차량에서,

상기 급속해동장치 시스템이 디이오나이저(2)를 통해 초순수물로 변환된 냉각수가 펌프(4)의 펌핑에 의해 전기와 열을 발생하는 스택(1)을 통과한 후 열을 방출하는 라디에이터(3)쪽으로 순환되도록 순환라인을 형성하는 냉각수순환라인(10)과,

상기 스택(1)으로 냉각수를 유입시켜주는 냉각수순환라인(10)에서 분기되어 냉각수순환라인(10)의 냉각수를 RTA(6)쪽으로 드레인하거나 냉 시동시 상기 RTA(6)의 내부에 구비된 히터(7)를 통해 녹은 냉각수를 RTA(6)로부터 배출해 스택(1)쪽으로 공급(Refill)하는 연결라인(20),

상기 RTA(6)의 내부 저면 부위까지 블로우워(5)로부터 에어를 유입시켜 RTA(6)내부를 가압하는 블로우라인(30) 및,

상기 RTA(6)에서 녹여 연결라인(20)과 냉각수순환라인(10)을 통해 스택으로 공급된 냉각수가 스택(1)을 통과한 후 배출되는 냉각수순환라인(10)에서 분기되어 RTA(6)내로 재 유입시켜 주는 순환라인(50)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 RTA(6)는 냉각수가 충진되는 내부 공간에 내장되어 냉 시동시 전원이 공급되어 가열되어 얼어붙은 냉각수를 해빙시켜 주는 히터(7)와, 상기 히터(7)의 전력선 분포가 희박한 영역인 어퍼포션(6a)과 상대적으로 밀집된 영역인 로어포션(6b)으로 양분하면서 서로 간에 연통되도록 다수의 개구홀(8a)을 형성한 분리판(8) 및 상기 연결라인(20)과 벤트라인(40) 및 순환라인(50)과 함께 RTA(6)의 내부 공간으로는 연결된 블로우라인(30)에 이어져 RTA(6)의 내부 저면 부에까지 위치되는 연장라인(32)으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 연결라인(20)과 블로우라인(30) 및 순환라인(50)상에는 운전 조건에 따라 개·폐되는 제어밸브(21,31,51)가 각각 구비되어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급속 해동 장치 시스템.