KR100709435B1

KR100709435B1 - 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치 및 퍼징 방법

Info

Publication number: KR100709435B1
Application number: KR1020050050707A
Authority: KR
Inventors: 전의식
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2007-04-18
Also published as: KR20060130957A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치 및 퍼징 방법에 관한 것으로, 정지시 4℃ 이하의 외기 온도에서 공기압축기와 연료 전지 스택간의 흐름 통로를 조절해, 스택 내부 압력을 대기압보다 낮춘 상태에서 공기의 공급을 통한 잔존 수분을 완전히 제거하여 수분의 빙점이하 응결에 의한 저온 시동성 저하를 방지함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수소 유동계와 냉각수 유동계와 함께 연료전지 시스템을 이루는 공기 유동계가 연료전지스택(4)으로 공기를 공급하거나 연료전지스택(4)으로부터 공기를 흡입하는 통로를 형성하는 다수의 배관라인과, 상기 배관라인상에 설치된 각 장치들쪽으로 공기의 흐름 통로를 형성하도록 설치된 다수의 제어밸브, 차량(V)이 작동 상태를 측정하면서 외부 온도를 측정하는 다수의 센서 및 상기 연료전지 스택(4)으로 공기를 공급하기 위해 상기 장치(1,2,3,5,6)들과 각 제어밸브를 제어하여 퍼징(Fuzzing)을 수행하는 ECU로 구성되어진다.

Description

연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치 및 퍼징 방법{condensation water fuzzing system inside stack of fuel cell car and fuzzing method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치의 구성도

도 2 (가),(나)는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 응축수 퍼징 상태도

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 일시 정지 모드 상태도

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 흡입 모드 상태도

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법에 따른 순서도

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 운전 모드 상태도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 필터 2 : 압축기

3 : 가습기 4 : 연료전지스택

5 : 기액분리기 6 : 워터탱크

7 : 습온센서 8 : 외기온도센서

10 : 스택연결라인 11 : 가습기연결라인

12 : 스택배출라인 13 : 응축수회수라인

14 : 압축기연결라인 15 : 스택보조연결라인

a,b,c,d,e,f,g : 제어밸브 V : 차량

본 발명은 연료전지 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정지시 4℃ 이하의 외기 온도에서 스택 내부를 대기압보다 낮게 형성시켜 연료전지 스택 내부 응축수 제거하도록 한 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치 및 퍼징 방법에 관한 것이다.

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

이러한, 연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 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·물공급장치, 연료전지스택 및 작동시 시스템 내의 습도와 온도, 압력 및 유량 등의 정보를 측정하는 센서류의 신호를 받아서 부품들을 제어하는 제어장치로 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 수행하여야 함은 물론이며 특히, 운전 정지시에 연료전지스택내에 잔존하는 물을 제거하기 위해 공기 공급장치를 이용하여 상기 스택 내부로 가압 공기를 불어넣어 강제로 배출시켜 주는 제어를 수행하게 된다.

그러나, 이와 같이 연료전지 스택 내부로 가압 공기를 불어넣어 강제로 배출시켜 주는 경우라도, 연료전지 공기극이나 연료극의 전극 내부에(특히, 촉매층과 가스확산층사이등) 응축되어있는 물은 효과적으로 제거하기가 매우 어렵고, 또한 연료전지 스택이 어는점 이하로 냉각되었을 때 잔존한 응축된 물이 응결되면 부피가 팽창하면서 촉매층에 물리적 스트레스(Stress)를 가하는 현상이 있게 된다.

또한, 이와 같이 연료전지 스택내부에서 응축된 물이 응결된 상태에서는 재시동 시 응결된 물이 전극 내부로의 가스 확산을 막아 초기시동이 어렵게 하는 불 편이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 정지시 4℃ 이하의 외기 온도에서 공기압축기와 연료 전지 스택간의 흐름 통로를 조절해, 스택 내부 압력을 대기압보다 낮춘 상태에서 공기의 공급을 통한 잔존 수분을 완전히 제거하여 수분의 빙점이하 응결에 의한 저온 시동성 저하를 방지함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지 스택으로 수소를 공급하면서 배출되는 수소를 응축하는 수소 유동계와, 공급되는 냉각수내 이온을 제거한 후 공급하는 냉각수 유동계 및 외부에서 공기를 공급하는 공기 유동계로 이루어진 연료전지 차량에 있어서,

상기 공기 유동계는 압축기를 통해 흡입되는 외부 공기를 에어 클리너를 이용하여 정화한 다음 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열한 후, 가습기를 통과시켜 연료전지스택으로 유입되는 공기 통로를 형성하는 스택연결라인과, 상기 가습기와 물 저장고인 워터탱크사이를 연결하는 가습기연결라인, 상기 연료전지스택으로부터 배출되는 가스로부터 물을 분리하는 기액분리기와 배출 가스내 습도를 측정하는 습온센서가 설치된 스택배출라인, 상기 기액분리기를 통과하면서 분리된 응축수가 워터탱크쪽으로 회수시키도록 기액분리기와 워터탱크사이를 연결하는 응축수회수라인, 상기 스택배출라인에 설치된 기액분리기의 뒤쪽에서 압축기의 앞쪽으로 위치되도록 스택연결라인에 연결되는 압축기연결라인 및 상기 연료전지스택으로 이어진 스택연결라인의 경로를 바이패스시키도록, 스택연결라인의 직경보다 작은 직경을 갖는 가느다란 세관으로 이루어져 에어클리너 뒤쪽에서 가습기뒤쪽으로 분기되어진 스택보조연결라인으로 이루어진 배관라인과;

상기 스택연결라인상에서 에어클리너와 압축기사이에 위치된 제1제어밸브와, 상기 압축기와 가습기사이에 설치된 제2제어밸브, 상기 스택연결라인상에서 가습기와 연료전지스택사이에 설치된 제3제어밸브, 상기 가습기연결라인에 위치된 제4제어밸브, 상기 응축수회수라인에 위치된 제5제어밸브, 상기 압축기연결라인에 위치된 제6제어밸브 및 상기 스택보조연결라인에 위치된 제7제어밸브로 이루어진 제어밸브;

차량 외부 온도를 측정하는 외기온도센서 및;

외기온도센서와 차량에 설치된 각종 센서의 신호를 통해 차량을 구동하기 전, 결빙에 따른 저온 시동성 저하를 유발하는 온도에서는 상기 제어밸브들을 제어하면서 퍼징을 수행하는 ECU; 로 구성되어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 응축수 퍼징 방법은 차량외부에 설치된 외기온도센서를 통해 측정된 외부 온도가 물의 결빙을 이룰 수 있을 정도로 낮은 온도이면서 구동 정지 상태임을 판단하는 초기조건판단단계;

상기 초기조건판단단계를 만족하는 상태에서 다시 시동을 걸 때 연료전지스택의 앞쪽으로 만 공기를 순환시켜 연료전지스택의 앞쪽 부위에 잔존하는 물을 제거하기 위한 공기 블로우잉 모드를 실행하는 예비퍼징단계;

상기 제1퍼징단계 후 연료전지스택으로 공기를 통과시켜 연료전지스택을 중 심으로 전·후 부위에 대한 잔존하는 물을 제거하도록 공기를 불어넣은 후 다시 흡입하는 공기 블로우잉·흡입 모드를 실행하는 메인퍼징단계;

상기 메인퍼징단계 후 차량 구동에 따른 각 제어밸브의 개폐 작동에 의한 급격한 압력 변동으로 압축 공기를 공급하는 압축기의 손상을 방지하기 위해 압축기를 구동하지 않고 연료전지스택으로 공기를 공급하는 일시정지모드단계;

상기 일시정지모드단계 후 적은 부하를 갖도록 구동되는 압축기의 흡입력에 의해 연료전지스택이 저압으로 형성되면서 연료전지스택내부를 통과하는 외부 공기가 잔존하는 물을 다시 제거하는 운전모드준비단계;

상기 운전 모드 준비 단계 후 연료전지스택으로 수소와 냉각수 및 공기를 공급하여 상기 스택에서 발생된 전기 에너지 부하로 전기모터를 구동해 차량을 주행하는 운행단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 연료전지 시스템은 연료전지 스택으로 수소를 공급하면서 배출되는 수소를 응축하는 수소 유동계와, 공급되는 냉각수내 이온을 제거한 후 공급하는 냉각수 유동계 및 외부에서 공기를 공급하는 공기 유동계로 이루어지되,

상기 공기 유동계는 공급되는 공기의 이물질을 제거하는 에어 클리너(1)와, 상기 에어 클리너(1)로부터 공급되는 공기를 소정 압력으로 가압하는 압축기(2), 상기 압축기(2)를 통해 공급되는 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열하는 가습기(3), 공기와 함께 수소와 냉각수를 공급받아 공기와 수소의 화학반응에 의해 생성된 전기를 모터로 공급하는 연료전지스택(4), 상기 연료전지스택(4)으로부터 배출되는 가스로부터 물을 분리하는 기액분리기(5), 상기 기액분리기(5)로부터 분리된 응축수를 저장하는 워터탱크(6), 상기 연료전지스택(4)으로부터 배출되는 가스내 습도를 측정하고 차량(V) 외부 온도를 측정하는 센서, 상기 연료전지 스택(4)으로 공기를 공급하기 위해 상기 장치(1,2,3,5,6)들간을 연결하는 배관라인 및 상기 배관라인에 설치되어 차량을 제어하는 ECU를 통해 개·폐되어져 공기와 응축수의 흐름 통로를 제어하는 다수의 제어밸브들로 구성되어진다.

여기서, 상기 센서는 상기 기액분리기(5)의 후단부위로 배출되는 가스내 습기를 감지하는 습온센서(7)와, 차량(V)외부 온도를 측정하는 외기온도센서(8)로 이루어지며, 또한 도시되어 있지 않지만 유입되는 공기와 수소의 유량 및 압력은 연료전지 스택 전/후단에 위치해 유량과 압력을 이용하여 ECU가 연료전지 스택의 요구 조건에 맞도록 전체를 제어하게 됨은 물론이다.

그리고, 상기 배관라인은 에어클리너(1)로부터 유입되는 외부 공기가 압축기(2)와 가습기(3)를 거쳐 연료전지스택(4)으로 유입되도록 연결되는 스택연결라인(10)과, 상기 연료전지스택(4)으로 공급되는 공기를 가열해 습기를 제거하도록 가습기(3)와 워터탱크(6)사이를 연결하는 가습기연결라인(11), 상기 연료전지스택(4)에서 배출되는 가스를 외부로 배출하도록 기액분리기(5)를 관통하는 스택배출라인(12), 상기 기액분리기(5)를 통과하면서 분리된 응축수를 워터탱크(6)쪽으로 회수 시키도록 기액분리기(5)와 워터탱크(6)사이를 연결하는 응축수회수라인(13), 상기 스택배출라인(12)에 설치된 기액분리기(5)의 뒤쪽에서 압축기(2)의 앞쪽으로 연결되는 압축기연결라인(14) 및 상기 스택연결라인(10)이 연결되는 에어클리너(1) 뒤쪽에서 가습기(3)뒤쪽으로 분기되어 연료전지스택(4)으로 소량의 공기를 공급하는 세관(작은 직경 관)인 스택보조연결라인(15)으로 이루어진다.

여기서, 상기 스택보조연결라인(15)은 소량의 공기가 연료전지스택(4)을 통과한 후 압축기연결라인(14)을 통해 압축기(2)로 유입되어, 상기 압축기(2)의 부하를 줄여 줌과 더불어 스택(4)의 감압과 더불어 스택(4)내 응축수를 증발시켜 주는 보조적인 기능을 하게 된다.

또한, 상기 ECU에 의해 개·폐 제어되는 제어밸브 중 스택연결라인(10)상에 설치된 제어밸브(a,b,c)는 에어클리너(1)와 압축기(2)사이에서 압축기연결라인(14)의 앞쪽으로 설치된 제1제어밸브(a)와, 상기 압축기(2)와 가습기(3)사이에 설치된 제2제어밸브(b) 및 상기 가습기(3)와 연료전지스택(4)사이에 설치된 제3제어밸브(c)로 이루어진다.

그리고, 상기 가습기연결라인(11)의 제어밸브는 제4제어밸브(d)로서 가습기(3)와 워터탱크(6)사이에 설치된다.

또한, 상기 응축수회수라인(13)의 제어밸브는 제5제어밸브(e)로서 기액분리기(5)와 워터탱크(6)사이에 설치된다.

그리고, 상기 압축기연결라인(14)의 제어밸브는 제6제어밸브(f)로서, 기액분리기(5)의 뒤쪽에서 스택배출라인(12)과 압축기(2)로 이어지는 스택연결라인(10)상 에 설치된 제1제어밸브(a)의 뒤쪽에서 상기 스택연결라인(10)에 연결되어진다.

또한, 상기 스택보조연결라인(15)의 제어밸브는 제7제어밸브(g)로서, 스택연결라인(10)에 설치된 제1제어밸브(a)의 앞쪽에서 제3제어밸브(c)의 뒤쪽에서 상기 스택연결라인(10)에 연결되어진다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 차량 운행 후 정지시 4℃ 이하의 외기 온도에서 연료전지스택(4)내부로 압축 공기를 블로우잉(Blowing) 해, 가습기(3)와 연료전지스택(4)내부에 잔존하는 응축수나 물을 제거하여 수분의 빙점이하 응결에 의한 저온 시동성 저하를 방지하게 된다.

즉, 본원 발명은 도 5에 도시된 바와 같이 차량(V)외부에 설치된 외기온도센서(8)를 통해 측정된 외부 온도가 4℃ 이하이면서 정지 상태임을 ECU가 판단하게 되면, 연료전지스택(4)으로 외부 공기를 공급하는 통로인 스택연결라인(10)에 구비된 가습기(3)내 습기나 응축수를 제거하기 위한 가습기 블로우잉 모드를 실행하게 된다.

이와 같은 블로우잉 모드는 도 2(가)에 도시된 바와 같이 스택연결라인(10)과 가습기연결라인(11)사이로 공기를 불어넣어 가습기(3)내 습기나 응축수를 제거하는데, 이를 위해 ECU는 공기 공급 통로를 확보하도록 스택연결라인(10)에 구비된 제1·2제어밸브(a,b)와 가습기연결라인(11)에 구비된 제4제어밸브(d)를 열면서 다른 제3·6·7제어밸브(c,f,g)를 닫아 주게 된다.

이어, 상기 ECU는 압축기(2)를 구동해 압축 공기가 스택연결라인(10)을 통해 가습기(3)로 유입된 후, 상기 가습기(3)내 습기나 응축수를 공기 압으로 배출시켜 가습기연결라인(11)을 통해 워터탱크(6)로 유입시켜 주게 되고, 이때 상기 가습기연결라인(11)내 잔존하는 물은 공급된 압축 공기가 통과하면서 워터탱크(6)로 복귀되면서 압축 공기는 워터탱크(6)를 통해 외부로 배출되어진다.

이때, 응축수회수라인(13)에 구비된 제5제어밸브(e)도 열어 기액분리기(5)내 습기나 응축수를 응축수회수라인(13)을 통해 워터탱크(6)로 배출시켜 주게 되는데 이는, 제3제어밸브(c)의 닫힘에 의해 연료전지스택(4)내 내부 압력이 저하되면서 스택배출라인(12)에 저압이 생성되고 이로 인해, 상기 기액분리기(5)내 습기나 응축수가 워터탱크(6)쪽으로 배출되어진다.

이와 같이, 상기 가습기(3)내 습기나 응축수가 제거된 후에는 도 5에 도시된 바와 같이, 다시 연료전지스택(4)내 습기나 응축수를 제거하기 위한 블로우잉 모드를 수행하게 된다.

이는, 도 2(나)에 도시된 바와 같이 스택연결라인(10)으로 압축 공기를 불어넣어 연료전지스택(4)을 통과한 다음 스택배출라인(12)으로 배출시켜 상기 스택(4)내 습기나 응축수를 제거하는데, 이를 위해 ECU는 공기 공급 통로를 확보하도록 스택연결라인(10)에 구비된 제1·2·3제어밸브(a,b,c)와 응축수회수라인(13)에 구비된 제5제어밸브(e)를 열면서 다른 제4·6·7제어밸브(d,f,g)를 닫아 주게 된다.

이때, 상기 ECU는 공기를 불어넣어 준 다음 다시 공기를 흡입하면서 가습기(3)와 연료전지스택(4) 및 냉각수라인내 습기나 응축수를 제거하게 되는 과정을 수 행하게 된다.

즉, 상기 ECU가 압축기(2)를 구동해 압축 공기를 불어 넣어주면, 압축 공기가 스택연결라인(10)을 통해 가습기(3)를 거쳐 연료전지스택(4)을 관통한 다음 스택배출라인(12)을 통해 배출되는데 이때, 상기 스택연결라인(10)에 구비된 가습기(3)와 연료전지스택(4)내부를 구획하는 공기극 영역 및 냉각수라인쪽으로 압축 공기를 유입시켜 주게 된다.

이와 같이 공급되는 압축 공기는 가습기(3)와 이에 연결된 가습기연결라인(11)이 물을 재차 배출하게 됨과 더불어, 상기 연료전지스택(4)의 공기극 영역을 지나면서 습기나 응축수를 외부로 배출시켜 주게 된다.

이어, 상기 ECU가 압축기(2)를 구동해 진공 부압을 형성시켜 연료전지스택(4)내부를 저압으로 만들게 되고, 이와 같이 형성된 진공 부압으로 인해 상기 연료전지스택(4)내부를 구획하는 연료극 영역내 잔존하는 습기나 응축수가 빨려 나오게 되며, 이에 따라 상기 연료전지스택(4)내부를 구획하는 공기극과 연료극내 잔존하는 습기나 응축수를 모두 제거해주게 된다.

이후, 이와 같이 가습기(3)부위와 연료전지스택(4)부위에 대한 퍼징(Fuzzing)작업 후에는 도 5에 도시된 바와 같이, 각 제어밸브의 개폐에 따른 급격한 압력 변동으로 인한 압축기(2)의 손상을 방지하기 위해 일시정지모드(Temporary Stop Mode)를 수행하게 된다.

이는, 도 3에 도시된 바와 같이 압축기 일시정지 모드 또는 저속구동모드라고 불리며, 이를 위해 ECU는 스택연결라인(10)에 구비된 제1·2·3제어밸브(a,b,c) 를 닫으면서 압축기(2)도 구동시키지 않는 반면, 제7제어밸브(g)를 열어 에어클리너(1)로부터 유입된 공기가 스택보조연결라인(15)을 통해 연료전지스택(4)으로 공급된 후, 상기 연료전지스택(4)을 통과하여 스택배출라인(12)을 통해 외부로 배출하게 된다.

이때, 상기 스택보조연결라인(15)은 연료전지스택(4)으로 소량의 공기를 공급하는 세관(작은 직경 관)이므로, 상기 연료전지스택(4)내부 압력 변화가 크게 발생하지 않게 됨은 물론이다.

그리고, 상기 ECU는 제6제어밸브(f)를 열어 주지만 압축기(2)가 작동하지 않으므로 압축기연결라인(14)을 통한 공기 흐름은 발생하지 않게 되고, 또한 열린 제5제어밸브(e)는 기액분리기(5)에서 습기나 응축수를 응축수회수라인(13)을 통해 워터탱크(6)로 배출시켜 주게 됨은 물론이다.

이어, 도 5에 도시된 바와 같이 흡입(Suction)모드를 수행해 연료전지스택(4)내부를 감압하면서 적은 압축기(2)부하를 통해 재차 습기나 응축수를 제거하여, 정상적인 운전 모드를 준비하게 된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 스택연결라인(10)을 통하지 않고 소량의 공기가 스택보조연결라인(15)을 통해 연료전지스택(4)으로 공급된 후, 다시 스택배출라인(12)과 스택연결라인(10)사이를 연결하는 압축기연결라인(14)을 통해 압축기(2)쪽으로 유입되어 가습기연결라인(11)을 통해 워터탱크(6)를 매개로 외부 배출되도록 제어하게 된다.

이를 위해, 상기 ECU는 스택연결라인(10)과 가습기연결라인(11)이 서로 연통 되도록 제1·3제어밸브(a,c)를 닫으면서 제2·4제어밸브(b,d)를 열어주고, 스택보조연결라인(15)을 통해 소량의 공기가 공급된 후 다시 압축기(2)쪽으로 복귀되도록 6·7제어밸브(f,g)를 열어주게 된다.

이때, 기액분리기(5)와 워터탱크(6)사이를 잇는 응축수회수라인(13)에 구비된 제5제어밸브(e)도 열린 상태로 유지해주게 된다.

이와 같이, 공기 흐름 통로가 형성됨에 따라 ECU가 압축기(2)를 구동해 공기를 빨아들이게 되면, 상기 압축기(2)의 흡입력에 의해 압축기연결라인(14)과 스택배출라인(12) 및 연료전지스택(4)과 스택보조연결라인(15)에 진공 부압이 형성되고, 이로 인해 에어클리너(1)를 거친 공기가 상기 스택보조연결라인(15)을 통해 연료전지스택(4)을 통과한 후 스택배출라인(12)과 압축기연결라인(14)을 거쳐 압축기(2)쪽으로 유입되어진다.

이어, 상기 압축기(2)쪽으로 유입되는 공기는 스택배출라인(10)을 거쳐 가습기(3)로 유입된 후, 상기 가습기(3)에 연결된 가습기연결라인(11)을 통해 워터탱크(6)에서 외부로 배출되는 경로를 갖게 된다.

이때, 상기 연료전지스택(4)내부는 압축기(2)의 흡입력과 스택보조연결라인(15)을 통해 유입되는 소량의 공기에 의해 감압이 일어나게 되고, 이와 같은 상기 연료전지스택(4)내부의 감압은 습기나 응축수를 제거해주는 작용을 하게 된다.

또한, 상기 스택보조연결라인(15)을 통해 흐르는 공기 유량이 적으므로 압축기(2)쪽으로 유입되는 공기 유량도 적어지고, 이는 상기 압축기(2)의 부하를 줄여 주는 작용을 하게 된다.

또한, 상기 압축기(2)를 통해 배출되는 공기가 가습기(3)를 거쳐 가습기연결라인(11)으로 배출되므로, 이로 인해 스택연결라인(10)과 가습기(3) 및 가습기연결라인(11)내 습기나 응축수가 다시 배출되어지게 된다.

이와 같이, 퍼징 모드가 모두 수행된 후에는 운전모드를 수행하게 되는데 이는, 연료전지스택(4)으로 수소와 냉각수를 공급하면서 동시에 공기를 공급하여 상기 스택(4)에서 발생된 전기 에너지 부하로 전기모터를 구동해 차량(V)을 주행하게 된다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 ECU는 제1·2·3제어밸브(a,b,c)를 열어 스택연결라인(10)을 통해 압축기(2)구동에 따른 공기가 에어클리너(1)를통해 압축기(2)와 가습기(3)거쳐 연료전지스택(4)으로 공급하게 되며, 이때 상기 스택연결라인(10)을 바이패스(Bypass)하는 스택보조연결라인(15)으로 공기가 유입되지 않도록 제7제어밸브(g)를 닫아주게 됨은 물론이다.

또한, 상기 ECU는 제6제어밸브(f)를 닫어 스택배출라인(12)을 통해 배출되는 가스가 압축기(2)쪽으로 유입되지 않도록 함은 물론이다.

그리고, 상기 ECU는 제5제어밸브(e)를 열어 응축수회수라인(13)을 통해 배출되는 가스내 습기나 응축수가 기액분리기(5)에서 분리되어 응축수회수라인(13)을 통해 워터탱크(6)로 배출되도록 함은 물론이다.

또한, 상기 가습기(3)는 유입되는 공기내 수분을 제거하도록 공기를 적정 온도로 가열하게 된다.

한편, 이와 같이 퍼징 수행은 차량(V)의 정지 후 다시 주행하는 경우 외부 온도가 4℃ 이하일 때, 차량 시동 전 반드시 수행해 연료전지스택(4)과 이에 관련된 부위내 잔존하는 습기나 응축수를 제거하게 된다.

그리고, 외부 온도가 4℃ 이상일 경우에는 이와 같은 퍼징 과정을 수행하지 않고 바로 구동하지만, 만약 일시적인 정지시 외부 온도가 4℃ 이하일 경우에는 반드시 퍼징 과정을 수행해주게 됨은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 연료전지 운전 정지 시 연료전지스택의 가스유로와 전극에 잔존하는 응축된 물을 효과적으로 제거해 낮은 외부 온도(빙점이하)하에서 장기간 방치 시에도 물의 응결에 의한 유로의 폐색을 방지해 연료전지 스택의 저온 시동성을 향상함은 물론 촉매층과 가스 확산층이 받을 수 있는 스트레스를 없애 내구성도 높일 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

연료전지 스택으로 수소를 공급하면서 배출되는 수소를 응축하는 수소 유동계와, 공급되는 냉각수내 이온을 제거한 후 공급하는 냉각수 유동계 및 외부에서 공기를 공급하는 공기 유동계로 이루어진 연료전지 차량에 있어서,

상기 공기 유동계는

압축기(2)를 통해 흡입되는 외부 공기를 에어 클리너(1)를 이용하여 정화한 다음 공기 내 습기를 제거하기 위해 가열한 후, 가습기(3)를 통과시켜 연료전지스택(4)으로 유입되는 공기 통로를 형성하는 스택연결라인(10)과, 상기 가습기(3)와 물 저장고인 워터탱크(6)사이를 연결하는 가습기연결라인(11), 상기 연료전지스택(4)으로부터 배출되는 가스로부터 물을 분리하는 기액분리기(5)와 배출 가스내 습도를 측정하는 습온센서(7)가 설치된 스택배출라인(12), 상기 기액분리기(5)를 통과하면서 분리된 응축수가 워터탱크(6)쪽으로 회수시키도록 기액분리기(5)와 워터탱크(6)사이를 연결하는 응축수회수라인(13), 상기 스택배출라인(12)에 설치된 기액분리기(5)의 뒤쪽에서 압축기(2)의 앞쪽으로 위치되도록 스택연결라인(10)에 연결되는 압축기연결라인(14) 및 상기 연료전지스택(4)으로 이어진 스택연결라인(10)의 경로를 바이패스시키도록, 스택연결라인(10)의 직경보다 작은 직경을 갖는 가느다란 세관으로 이루어져 에어클리너(1) 뒤쪽에서 가습기(3)뒤쪽으로 분기되어진 스택보조연결라인(15)으로 이루어진 배관라인과;

상기 스택연결라인(10)상에서 에어클리너(1)와 압축기(2)사이에 위치된 제1제어밸브(a)와, 상기 압축기(2)와 가습기(3)사이에 설치된 제2제어밸브(b), 상기 스택연결라인(10)상에서 가습기(3)와 연료전지스택(4)사이에 설치된 제3제어밸브(c), 상기 가습기연결라인(11)에 위치된 제4제어밸브(d), 상기 응축수회수라인(13)에 위치된 제5제어밸브(e), 상기 압축기연결라인(14)에 위치된 제6제어밸브(f) 및 상기 스택보조연결라인(15)에 위치된 제7제어밸브(g)로 이루어진 제어밸브;

차량(V) 외부 온도를 측정하는 외기온도센서(8) 및;

외기온도센서(8)와 차량(V)에 설치된 각종 센서의 신호를 통해 차량을 구동하기 전, 결빙에 따른 저온 시동성 저하를 유발하는 온도에서는 상기 제어밸브들을 제어하면서 퍼징을 수행하는 ECU;

로 구성되어진 연료전지 차량의 응축수 퍼징 장치.
삭제
차량(V)외부에 설치된 외기온도센서(8)를 통해 측정된 외부 온도가 물의 결빙을 이룰 수 있을 정도로 낮은 온도이면서 구동 정지 상태임을 판단하는 초기조건판단단계;

상기 초기조건판단단계를 만족하는 상태에서 다시 시동을 걸 때 연료전지스 택(4)의 앞쪽으로 만 공기를 순환시켜 연료전지스택(4)의 앞쪽 부위에 잔존하는 물을 제거하기 위한 공기 블로우잉 모드를 실행하는 예비퍼징단계;

상기 제1퍼징단계 후 연료전지스택(4)으로 공기를 통과시켜 연료전지스택(4)을 중심으로 전·후 부위에 대한 잔존하는 물을 제거하도록 공기를 불어넣은 후 다시 흡입하는 공기 블로우잉·흡입 모드를 실행하는 메인퍼징단계;

상기 메인퍼징단계 후 차량 구동에 따른 각 제어밸브의 개폐 작동에 의한 급격한 압력 변동으로 압축 공기를 공급하는 압축기(2)의 손상을 방지하기 위해 압축기(2)를 구동하지 않고 연료전지스택(4)으로 공기를 공급하는 일시정지모드단계;

상기 일시정지모드단계 후 적은 부하를 갖도록 구동되는 압축기(2)의 흡입력에 의해 연료전지스택(4)이 저압으로 형성되면서 연료전지스택(4)내부를 통과하는 외부 공기가 잔존하는 물을 다시 제거하는 운전모드준비단계;

상기 운전 모드 준비 단계 후 연료전지스택(4)으로 수소와 냉각수 및 공기를 공급하여 상기 스택(4)에서 발생된 전기 에너지 부하로 전기모터를 구동해 차량(V)을 주행하는 운행단계;

로 수행되는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 초기조건판단단계에서 차량 구동 시 퍼징 과정을 수행하지 않고 바로 구동하는 조건은 외부온도 4℃를 기준으로 이보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 예비퍼징단계에서는 스택연결라인(10)과 가습기연결라인(11)사이를 통과한 공기가 워터탱크(6)를 거쳐 외부로 배출되도록 상기 스택연결라인(10)과 가습기연결라인(11)에 구비된 제1·2·4제어밸브(a,b,d)만 을 열어 주는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 메인퍼징단계는 스택연결라인(10)으로 공급된 공기가 연료전지스택(4)을 통과한 후 스택배출라인(12)으로 배출되고, 상기 스택연결라인(10)으로부터 흡입된 공기가 스택배출라인(12)을 거쳐 연료전지스택(4)을 통과하면서 연료전지스택(4)내부를 감압하도록, 상기 스택연결라인(10)에 구비된 제1·2·3제어밸브(a,b,c)와 응축수회수라인(13)에 구비된 제5제어밸브(e) 만을 열어 주는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 4항에 있어서, 상기 메인퍼징단계에서 연료전지스택(4)으로 공급되는 공기는 연료전지스택(4)내부를 구획하는 공기극 영역으로 통과 되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 메인퍼징단계에서 연료전지스택(4)에 연결되어 연료전지스택(4)을 냉각시키는 냉각수를 공급하는 냉각수 라인 쪽으로도 압축 공기를 불어넣어 주는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 6항에 있어서, 상기 메인퍼징단계에서 수행되는 흡입 모드에서는 상기 연료전지스택(4)내부에 형성된 공기극과 구획된 연료극 영역을 저압으로 형성시켜 주도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 일시정지모드단계는 스택연결라인(10)의 최 전단에 구비된 에어클리너(1)로부터 유입된 공기가 상기 스택연결라인(10)을 바이패스하여 연료전지스택(4)의 공기 유입구부위로 연결된 스택보조연결라인(15)으로 흘러 연료전지스택(4)을 거쳐 스택배출라인(12)을 통해 외부로 배출되도록, 상기 스택보조연결라인(15)에 구비된 제7제어밸브(g)를 열고 상기 스택연결라인(10)에 구비된 제1·3제어밸브(a,c)를 닫아 주는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 운전모드준비단계는 에어클리너(1)를 거친 외부 공기가 스택보조연결라인(15)을 통해 연료전지스택(4)으로 공급된 후,

다시 스택배출라인(12)과 스택연결라인(10)사이를 연결하는 압축기연결라인(14)을 통해 압축기(2)쪽으로 유입된 다음,

상기 스택연결라인(10)상에 설치된 가습기(3)와 워터탱크(6)사이를 연결하는 가습기연결라인(11)을 통해 외부 배출되도록,

제1·3제어밸브(a,c)를 닫고 제2·4제어밸브(b,d)를 열어 스택연결라인(10)과 가습기연결라인(11)이 서로 연통시키고, 상기 연료전지스택(4)과 압축기(2)사이를 압축기연결라인(14)을 매개로 서로 연통시키도록 6·7제어밸브(f,g)를 열어주는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.
제 3항에 있어서, 상기 예비퍼징단계와 메인퍼징단계 및 일시정지모드단계와 운전모드준비단계에서는, 연료전지스택(4)에서 배출되는 배기가스통로인 스택배출라인(12)에 구비된 기액분리기(5)와 워터탱크(6)사이를 연결하는 응축수회수라인(13)의 제5제어밸브(e)를 열어 두는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 퍼징 방법.