KR101394732B1 - 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템 - Google Patents

스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 시스템의 운전 중 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택 입구측의 냉각수 온도와 연료전지 스택 출구측의 냉각수 온도, 연료전지 스택 출구측의 공기 온도를 기초로 하여 냉각수 펌프 및 써모스탯, 다기능 열관리장치의 구동을 제어하여 스택 운전온도를 최적의 온도로 조절함으로써, 연료전지 스택의 드라이 아웃이나 플러딩 현상을 효과적으로 방지 혹은 완화할 수 있고, 출력성능 확보 및 내구성 향상이 가능해지는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.
Figure R1020080119018
연료전지, 냉각수 펌프, 써모스탯, 열관리장치, 저항발열체, 스택, 열교환기, 바이패스, 열 및 물 관리 시스템, TMS

Description

스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템{Controlled thermal management system in fuel cell application}
본 발명은 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 운전 중에 스택 운전온도를 조절하여 연료전지 스택의 드라이 아웃이나 플러딩 현상을 효과적으로 방지 혹은 완화할 수 있고, 출력성능 확보 및 내구성 향상을 도모할 수 있는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 출력밀 도가 높고 다른 연료전지들에 비해 상대적으로 저온에서 작동하여 그 제어가 비교적 용이하다는 특징을 가지는 바, 자동차와 같은 수송용 분야 및 분산발전 분야에서 많이 사용되고 있다.
이와 같이 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
첨부한 도 1은 연료전지의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 막전극접합체에는 전해질(polymer electrolyte(Nafion))을 사이에 두고 한 쌍의 전극(anode(Pt/C), cathode(Pt/C))이 배치되는데, 연료전지에서 연료인 수소(또는 수소가 다량 함유된 혼합가스)는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산화제인 산소(또는 산소가 함유된 공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 외부 도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 이동된 수소이온과 외부 도선을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 일으킨다.
이와 같은 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
[애노드에서의 반응] H2 → 2H+ + 2e-
[캐소드에서의 반응] 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
[전체반응] H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) + 전기에너지 + 열에너지
상기 반응식에 나타낸 바와 같이, 애노드에서 발생한 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.
한편, 이러한 연료전지 시스템을 구성하는 구성부품들은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과; 상기 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(FPS:Fuel Processing System), 상기 연료전지 스택에 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치(APS:Air Processing System), 및 상기 연료전지 스택의 전기화학반응 부산물인 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된 운전주변장치(BOP:Balance Of Plant)와; 연료인 수소를 저장하는 수소저장시스템(HSS:Hydrogen Storage System)과; 연료전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 연료전지 시스템 제어기를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 수소와 공기 중 산소에 의한 전기화학반응으로 전기를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기와 같은 에너지 변환장치로서 연료전지를 사용하는 시스템에서 연료전지의 전기에너지 출력은 작동압력, 작동온도, 공급기체들의 가습 정도 및 가스이용률 등의 다양한 구동조건에 의해 변화하고, 이때 전기발생의 근원인 수소이온의 이동에는 전해질막 내부에 존재하는 수분이 출력에 영향을 미친다는 것이 널리 알려져 있다.
첨부한 도 2는 전해질막 내부의 수분 존재 형태를 보여주는 도면으로서, 전해질막 내부의 수분 존재 형태는 λ(= 물(H20)의 몰량/SO3 - 기의 몰량)의 상태에 따라 3가지로 표현될 수 있으며, 통상의 연료전지 셀 혹은 스택에서 전기화학반응에 의한 전력 발생을 위해서는 전해질막 내부에 존재하는 수분의 양이 λ가 14 이상이 되어 전해질막 내부의 수소이온이 전달되는 통로를 충분히 확보하는 것이 바람직하다고 알려져 있다.
이러한 수분은 연료전지의 운전 중에 연료전지반응의 부산물로 캐소드에서 생성된 반응생성수뿐만 아니라 반응기체들과 함께 공급된 가습수가 부하상태(발생 전력량), 작동온도 및 작동압력 등의 운전조건에 따라 첨부한 도 3에서 설명하는 바와 같이 막전극접합체(MEA)를 통과하여 이동하는 현상(Electro-osmotic drag, Water generation, Back diffusion)을 보인다.
이렇게 이동한 수분은 연료전지의 작동온도가 상승하여 셀 내부의 포화수증기압이 지수함수적으로 증가함에 따라 통상 기상의 형태로 존재하게 되나, 지나친 작동온도의 상승은 전해질막 내부의 과도한 수분 증발을 유도하여 상기한 λ가 14 미만이 되도록 하고 결국 연료전지의 출력성능을 저하시키게 된다.
또한 연료전지 셀 혹은 스택으로 공급되는 반응기체들은 연료전지 셀 혹은 스택 내부의 반응면에서 반응이 진행됨에 따라 증발된 수분을 함유할 수 있는 기체의 부피가 줄어들게 되어 액상의 물로 응축되는 현상을 일으키기도 하는데, 이때 상대적으로 낮은 연료전지의 작동온도는 기상의 수분에 대해 포화수증기압을 지수함수적으로 감소시켜 수분의 응축현상을 가속화하고 액상의 물이 반응기체들의 이동통로인 분리판의 채널 내부에 쌓이게 되는 플러딩(flooding) 현상을 일으키는 원인이 된다.
이러한 전해질막의 건조 혹은 셀 내부에서의 플러딩 현상은 연료전지의 출력성능 저하뿐만 아니라 내구성에 큰 영향을 미친다.
이를 좀더 상세히 살펴보면, 전해질막의 과도한 건조 현상은 연료전지의 반응상태에 따라 전해질막에 대한 건조(dry)/젖음(wet) 현상의 반복을 유발시켜 막전극접합체(MEA)를 구성하는 전해질막/전극 계면간의 접착력을 저하시키고, 계면저항을 증가시킨다.
이는 출력성능을 저하시킬 뿐만 아니라 막 자체의 과도한 수축/팽창의 반복에 따른 전해질막의 핀-홀(pin-hole)을 형성하여 국부적인 손상을 가속화하는 것으로 잘 알려져 있다.
그리고, 플러딩 현상이 MEA로의 반응기체를 차단하여 출력성능을 저하시키는 것뿐만 아니라, 애노드에서의 플러딩 현상이 일어난 부위는 캐소드로부터 전해질막을 투과하여 넘어온 산소의 크로스오버(crossover) 양이 증가하여, 크로스오버된 산소가 애노드에 존재하게 됨에 따라 캐소드에 국부적인 전압 상승을 유발시켜 캐소드의 촉매를 담지하고 있는 탄소담지체의 부식을 촉진시킴과 동시에, 애노드의 촉매상에 존재하는 수분과 반응하여 H2O2를 생성하는 과정에서 발생하는 활성 라디칼에 의해 전극 내의 이온 전달 매체인 이오노머와 전해질막의 분해를 가속화시키는 것이 알려져 있다.
종래에는 이러한 연료전지의 수분 이동 및 존재 형태(고상, 액상, 기상)를 조절하기 위해 연료전지 스택에 열 및 물 관리 시스템을 연결하여 발생열을 제거하는 기술을 사용하였다.
이러한 연료전지의 열 및 물 관리 시스템은 연료전지 스택을 통과한 냉각제가 함유한 열을 외부로 발산시키도록 구성되는 라디에이터(혹은 열교환기); 냉각제가 상기 연료전지 스택과 상기 라디에이터를 순환하도록 상기 연료전지 스택과 상기 라디에이터를 연결하는 냉각제 순환통로; 및 상기 냉각제 순환통로에 설치되어 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각제가 상기 연료전지 스택으로 공급되고 상기 연료 전지 스택으로부터 열을 흡수한 냉각제가 상기 라디에이터로 공급되도록 냉각제를 펌핑하는 냉각제 펌프를 포함하고 있다.
종래의 열 및 물 관리 기술을 설명하기 위한 연료전지 냉각시스템을 포함한 연료전지 시스템의 전체 개략도는 도 4와 같다.
이러한 연료전지 시스템에서 전기에너지의 출력은 가스압력, 작동온도, 가스이용율 등의 각종 구동조건에 의해 변화하는 것이 널리 알려져 있으며, 특히 작동온도와 관련하여 최적의 성능으로 작동하기 위해 운전조건에 따라 공급된 수분과 반응생성수를 모두 고려하여 가습의 정도를 조정하는 것이 필요하다는 것이 등록특허 제534698호에 공지되어 있다.
이러한 연료전지 시스템 중 차량의 주행을 위한 주동력으로 사용되는 수송용 연료전지는, 그 사용환경이 차량의 주행 혹은 정지 상태이므로, 연료전지 시스템을 구성하는 구성부품들의 작동온도가 차량의 주행속도 혹은 등판조건 등에 의해 결정되는 연료전지의 부하변동상태에 따른 발열량의 영향뿐만 아니라 주행풍과 외기온 및 각 구성부품의 단열특성에 의해 큰 영향을 받는다는 특징을 가지고 있다.
이하, 종래기술의 문제점에 대해 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 연료전지 시스템은 전기화학반응에 의해 전력을 발생시키는데 따른 부산물인 열을 발생시키는 발열체로서의 연료전지 스택(10), 이 연료전지 스택(10)에서 발생한 열을 활용하여 적정한 수준으로 연료전지 시스템의 작동온도를 조절하기 위한 열 및 물 관리 시스템(TMS), 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치(FPS), 및 공기를 공급하는 공기공급장치(APS)로 구성된다(도 4 참조). 여기 서, 열 및 물 관리 시스템에는 크게 냉각수의 열을 제거하는 기능을 수행하는 열교환기(차량의 경우 라디에이터)(40), 냉각수의 이동에 사용되는 냉각수 펌프(20), 및 냉각수의 이동경로를 온도에 따라 결정하는 써모스탯(30)으로 구성되며, 또한 시스템의 온도상태를 파악하기 위한 센서(1,2,3)들이 부착되어 있다.
이러한 연료전지 시스템에서 적정 수준의 작동온도 유지를 위한 온도 조절은 도 4에 나타낸 바와 같이 연료전지 스택(10)을 중심으로 한 스택 입구측 냉각수 온도(입구측 냉각수 온도의 측정은 도면부호 2의 온도센서가 수행)와 스택 출구측 냉각수 온도(출구측 냉각수 온도의 측정은 도면부호 1의 온도센서가 수행)의 측정값, 및 입구측과 출구측의 냉각수 온도 차이를 이용하여 실시하였다.
이를 수송용 연료전지 시스템의 예를 이용하여 좀 더 상세히 설명하면, 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 시스템에서 차량이 시동된 상태는 연료전지 스택이 전기화학반응에 의해 차량의 주행 및 운전주변장치(BOP)의 지속적인 가동에 필요한 전력을 생산하고 있을 뿐만 아니라 이러한 전력 생산에 따른 발열반응을 하고 있는 상태로 정의될 수 있다.
이때 스택 냉각수 입구의 온도가 연료전지 시스템의 적정 운전온도까지 상승하기 전에는 열교환기(40) 전단에 부착된 써모스탯(30)을 이용해 냉각수가 열교환기를 지나지 않고 바이패스(by-pass)되어 순환되도록 하며, 적정 온도 이상으로 냉각수의 온도가 상승하게 되면 써모스탯(30)을 이용해 냉각수가 열교환기(40)를 경유하도록 함으로써 열교환기(40)와 온도가 높아진 냉각수 간의 열교환을 통해 연료전지 스택(10)의 온도가 조절되도록 하였다.
그러나, 이러한 경우 다음과 같은 문제점이 발견되었다.
1) 연료전지 시스템의 운전 중 연료전지 스택(10)의 냉각수 온도가 연료전지 스택 내부의 드라이 아웃(dry Out)이나 플러딩(flooding)을 유발시키지 않도록 설정된 정상 작동온도에 도달하기 전까지는 냉각수가 써모스탯(30)에 의해 열교환기(40)를 지나지 않고 바이패스되어 순환되다가, 정상 작동온도 인근에서는 써모스탯(30)이 열교환기(40) 방향으로 냉각수가 흐르도록 연결하는 구간에서 냉각수가 바이패스 경로를 따르지 않고 열교환기 방향으로 흐르기 때문에, 특히 연료전지 차량과 같은 주행풍의 영향을 받는 경우 열교환기(40) 내부에 정체된 상태로 과냉되어 있는 냉각수가 연료전지 스택(10)으로 공급되어 순간적으로 연료전지 스택의 온도를 떨어뜨릴 수 있고, 연료전지 스택의 입구측 및 출구측의 냉각수 온도 차이가 증가될 수 있다.
또한 열교환기(40)에서 과냉된 찬 냉각수의 온도에 의해 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀 내부의 온도가 급격히 떨어질 수 있고, 이는 연료전지 스택으로 공급되는 가습된 반응기체들에 포함된 기상의 수분을 액상의 물로 변화시켜 플러딩 현상을 유발하게 된다. 이러한 현상은 전술한 바와 같이 연료전지 스택의 내구성 및 출력성능을 감소시키는 원인이 된다.
2) 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(10)의 온도를 조절하는 것은, 연료전지 스택의 냉각수 입/출구측에 설치된 온도센서(1,2)에 의해 측정된 온도를 통해 냉각수 입/출구측의 온도 편차가 증가하면, 냉각수 펌프(20)의 RPM을 증가시켜 냉각수 유량을 증가시킴으로써 온도 편차를 감소시키는 로직을 적용하였으나, 1) 항 의 경우와 같이 냉각수 순환 경로가 열교환기(40)를 통과하도록 써모스탯(30)이 연결되는 구간에서, 열교환기(40)에 정체되어 과냉된 상태의 냉각수가 연료전지 스택(10)의 냉각수 입구측으로 유입되는 순간, 연료전지 스택(10)의 냉각수 입/출구측의 온도 편차가 순간적으로 증가하게 되고, 결국 냉각수 펌프(20)의 RPM을 급격히 증가시키는 동작을 반복하게 되어 냉각수 펌프의 내구수명을 감소시킨다.
또한 냉각수 펌프(20)가 고장을 일으킨 상황에서는 열 및 물 관리 시스템(TMS)에서 냉각수 펌프에 의한 냉각수의 흐름이 없는 상황이 발생하여도 연료전지 스택(10)의 냉각수 입/출구측 온도센서(1,2)들이 정체되어 있는 냉각수의 온도만을 측정하게 된다. 이로 인해 연료전지 스택(10)의 온도가 증가하여 드라이 아웃(dry out)을 일으킬 수 있고, 온도가 좀 더 높아져 전해질막이 손상을 입는 고온 영역까지 상승하여도 이를 감지하지 못하는 문제가 있게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 시스템의 운전 중에 스택 운전온도를 조절하여 연료전지 스택의 드라이 아웃이나 플러딩 현상을 방지 혹은 완화할 수 있고, 출력성능 확보 및 내구성 향상이 가능해지는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 스택에 연결된 냉각수 순환 경로를 따라 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 펌프, 상기 냉각수 순환 경로에 설치되어 열교환을 통해 냉각수를 냉각시키는 열교환기, 냉각수가 열교환기를 통과하여 순환되거나 열교환기를 바이패스하여 순환되도록 냉각수 순환 경로를 선택하는 써모스탯, 및 상기 냉각수 펌프와 써모스탯의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 있어서,
상기 써모스탯이 열교환기의 출구측 배관에 설치되는 동시에 열교환기의 입구측 배관과는 바이패스 배관으로 연결되어 열교환기를 통과한 냉각수와 바이패스 배관을 통과한 냉각수가 써모스탯 내 유로의 개도상태에 따라 써모스탯을 통과한 뒤 연료전지 스택으로 공급되고,
상기 냉각수 순환 경로 상의 써모스탯 후단 및 연료전지 스택 입구측으로는 써모스탯으로부터 나온 냉각수가 통과하도록 되어 있으면서 냉각수 가열을 위한 저항발열체가 내장된 다기능 열관리장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 다기능 열관리장치는, 상기 열교환기를 통과한 냉각수와 상기 바이패스 배관을 통과한 냉각수가 써모스탯 통과 후 유입되어 합류되는 하우징과; 연료전지 스택의 전기에너지를 인가받아 작동하고 상기 하우징 내부에 삽입되어 냉각수 흐름상에서 난류를 형성하는 동시에 냉각수를 가열해주는 복수개의 저항발열체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택 입구측의 냉각수 온도와 연료전지 스택 출구측의 냉각수 온도, 연료전지 스택 출구측의 공기 온도를 기초로 하여 상기 냉각수 펌프 및 써모스탯, 다기능 열관리장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는 연료전지 스택 입구측의 냉각수와 연료전지 스택 출구측의 냉각수의 온도 편차가 미리 정해진 온도 범위 이내로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템에 의하면, 연료전지 시스템의 운전 중 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택 입구측의 냉각수 온도와 연료전지 스택 출구측의 냉각수 온도, 연료전지 스택 출구측의 공기 온도를 기초로 하 여 냉각수 펌프 및 써모스탯, 다기능 열관리장치의 구동을 제어하여 스택 운전온도를 최적의 온도로 조절함으로써, 연료전지 스택의 드라이 아웃이나 플러딩 현상을 효과적으로 방지 혹은 완화할 수 있고, 출력성능 확보 및 내구성 향상이 가능해지는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템을 포함한 연료전지 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명은 연료전지 시스템의 운전 중에 연료전지 스택의 드라이 아웃(dry out)이나 플러딩(flooding) 현상을 방지 혹은 완화하여 출력성능 확보 및 내구성 향상을 가능하게 하는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.
좀 더 상세히 설명하면, 연료전지 운전 중에 연료인 수소가 가지고 있는 화학적인 에너지는 연료전지 스택을 통해 전기에너지로 변환되는데, 이때 부산물로 발생하는 폐열을 연료전지 스택의 외부로 배출하기 위해 연료전지 스택에 열전달 매체로서 냉각수를 공급/순환하도록 하는 열 및 물 관리 시스템이 구성된다.
종래에는 써모스탯이 열교환기(라디에이터)의 전단에 설치되어 연료전지 스택의 적정 운전온도 이하에서는 냉각수가 열교환기를 바이패스하여 순환하도록 닫힌(close) 상태로 위치한다. 이에 열교환기에 의한 방열효과를 방지하여 빠른 시 간 내에 적정 운전온도 조건으로 연료전지 스택 및 시스템의 온도를 상승시킨다.
이후 연료전지 스택 및 시스템이 적정 운전온도에 도달하게 되면 써모스탯은 오픈(open) 상태로 위치하게 되며, 이에 냉각수가 열교환기를 통과하여 공급/순환될 수 있게 되고, 결국 연료전지 스택 및 시스템의 운전온도가 지나치게 상승하여 연료전지 스택의 드라이 아웃 현상을 일으키지 않도록 적정 운전온도 범위를 유지시킨다.
그러나, 냉각수의 온도 상승에 따라 써모스탯이 닫힌 상태에서 오픈 상태로 전환될 때 냉각수는 열교환기 쪽으로 흐르게 되고, 이러한 열교환기로의 냉각수 공급이 열교환기에 정체되어 있던 과냉된 냉각수를 밀어주어 연료전지 스택 쪽으로 공급하게 된다.
이렇게 과냉된 냉각수가 연료전지 스택으로 유입되는 순간 연료전지 스택의 온도가 순간적으로 하강하여 셀 내부의 과냉에 의한 수분 응축 현상을 일으키며, 이로 인해 운전 중 플러딩(flooding) 현상을 일으키게 된다.
이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 도 5에 나타낸 바와 같이 써모스탯(400)의 설치위치를 열교환기(라디에이터)(300)의 후단으로 변경하고, 써모스탯(400)의 후단으로 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구측에는 저항발열체가 내장된 다기능 열관리장치(MTMD:Multi functional Thermal Management Device)(500)를 설치한다.
이때 상기 써모스탯(400)은 열교환기(300)의 출구측 배관(310)에 설치되고 열교환기의 입구측 배관(320)과는 바이패스 배관(210)으로 연결되는데, 열교환기(라디에이터)(300)를 통과하는 메인 냉각루프를 개폐하는 역할을 하게 된다.
즉, 상기 써모스탯(400)이 닫힌 상태에서는 냉각수 펌프(200)에 의해 펌핑된 냉각수가 바이패스 배관(210)을 통해 열교환기(300)를 거치지 않고 순환하게 된다. 또한 써모스탯(400)이 완전히 오픈된 상태일 때는 바이패스 배관(210)이 차단된 상태에서 냉각수 펌프(200)에 의해 펌핑된 냉각수가 열교환기(300)를 거쳐 순환하게 된다.
상기 써모스탯(400)을 통과한 냉각수는 다기능 열관리장치(500)를 거친 뒤 연료전지 스택(100)으로 공급되어 순환하게 되며, 일부는 이온제거기(610)를 거쳐 냉각수통(600)으로 이동하여 저장된다.
이와 같이 써모스탯(400)을 열교환기(300)의 후단에 설치하는 경우, 운전 초기에 써모스탯이 낮은 냉각수 온도로 인해 닫힌 상태로 위치할 때 연료전지 스택(100)으로 공급되는 냉각수가 열교환기를 바이패스하여 순환하다가, 연료전지 스택의 운전에 따른 폐열 발생량이 증가하고 이에 냉각수의 온도가 상승하여 적정 운전온도에 도달하게 되면 써모스탯이 오픈 상태로 전환되기 시작한다.
이때 써모스탯(400)이 열교환기(300)의 후단에 위치하므로, 열교환기에 정체되어 있던 과냉된 냉각수는, 써모스탯의 오픈 정도에 따라 그 흐르는 유량이 조절된 상태로, 바이패스되어 순환되는 상대적으로 고온인 냉각수와 혼합되며, 이 혼합된 냉각수가 다기능 열관리장치(500) 방향으로 순환되어 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구로 공급된다.
이 경우, 연료전지 스택(100)으로 공급되는 냉각수의 온도 편차(스택 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도의 편차) 범위가 종래에 비해 감소하게 된다.
이는 연료전지 차량의 실주행을 모사하기 위한 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode) 장기 운전에서 확인할 수 있었는 바, 본 발명에서와 같이 냉각수의 온도 편차 범위가 종래 22℃에서 12℃로 약 45% 정도 감소함을 확인할 수 있었다.
하기 표 1과 첨부한 도 6은 연료전지 스택을 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode)로 장기 운전한 결과를 나타낸 것으로서, 표 1에서 본 발명의 경우 연료전지 스택 입구로 공급되는 냉각수의 온도 편차가 감소됨을 알 수 있으며, 도 6을 참조하면 냉각수의 온도 편차가 감소됨에 따라 종래의 경우에 비해 성능 저하 속도가 57 ~ 67 % 낮아져서 연료전지 스택의 수명이 약 2배 정도 향상됨을 알 수 있다.
Figure 112008081971064-pat00001
또한 연료전지 스택의 냉각수 입구측에 설치된 다기능 열관리장치(500)는 연료전지 스택 및 시스템의 운전 초기에 스택으로 공급되는 냉각수를 가열하는 일종의 히터로서, 첨부한 도 7은 본 발명에서 다기능 열관리장치를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 다기능 열관리장치(500)는 하우징(510) 내부에 복수개의 저항발열체(520)들이 삽입된 구조로 되어 있으며, 특히 복수개의 저항발열체(520)들이 직렬 혹은 병렬 혹은 직/병렬 혼합형태로 연결되어 오옴의 법칙에 따라 발열량을 조절할 수 있도록 되어 있다.
또한 상기 다기능 열관리장치(500)는 냉각수가 하우징(510) 일측의 냉각수 유입구(511)를 통해 유입된 뒤 하우징 타측의 냉각수 배출구(512)를 통해 배출되는 구조로 되어 있다.
상기 냉각수 유입구(511)를 통해 유입된 냉각수는 내장된 복수개의 저항발열체(520) 주변을 통과하면서 가열된 뒤 냉각수 배출구(512)를 통해 배출되는데, 냉각수 유입구(511)를 통해서는 연료전지 스택으로부터 나온 뒤 바이패스된 고온의 냉각수(냉각수 펌프에 의해 펌핑되어 열교환기를 거치지 않고 바이패스 배관을 통해 이동)와 열교환기를 거친 저온의 냉각수가 써모스탯에서 합류된 뒤 유입되게 된다.
상기 냉각수 유입구(511)를 통해 유입된 냉각수는 하우징(510) 내부에서 저항발열체(520)에 의해 난류를 형성하게 되며, 이 난류에 의해 바이패스된 고온의 냉각수와 열교환기를 거친 저온의 냉각수가 고르게 혼합된 뒤 가열되어 냉각수 배출구(512)를 통해 배출되게 된다.
상기와 같이 다기능 열관리장치(500)에 내장된 복수개의 저항발열체(520)는 냉각수 흐름에 난류를 형성하여 냉각수의 유입 경로에 관계없이 고온의 냉각수와 저온의 냉각수를 고르게 잘 혼합시키며, 냉각수의 온도가 낮은 경우 냉각수를 가열하여 냉각수의 온도를 제어할 수 있도록 한다.
또한 상기 다기능 열관리장치(500)는 냉각수의 온도를 상승시키는 저항히터의 역할과 동시에 부하장치의 역할을 하는데, 내장된 저항발열체(520)는 연료전지 스택에서 발생된 전기에너지를 공급받아 작동한다. 즉, 상기 다기능 열관리장치는 연료전지 스택 및 시스템의 운전 초기에 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 빠른 속도로 상승시킬 뿐만 아니라, 도 6의 중간부분('부하' 참조)에서 보인 바와 같이 부하 운전이 되지 않아 연료전지 스택에서 발생하는 열량이 작을 경우 냉각수의 온도 저하를 방지하기 위해 내장된 저항발열체를 통해 연료전지 스택의 부하 소모량을 증가시켜 스택의 발열량을 증가시킴과 동시에 연료전지 스택에서 발생된 전기에너지를 저항발열체에서 다시 열에너지로 변환하여 냉각수의 온도 상승에 활용함으로써 냉각수의 온도가 적정 운전온도 범위에 위치하도록 조정하게 된다.
상기와 같이 냉각수 펌프, 열교환기, 써모스탯, 다기능 열관리장치를 포함하여 구성되는 본 발명의 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에서는 저온 환경에서의 연료전지 시스템 기동뿐만 아니라 연료전지 시스템의 통상 운전 및 온간에서의 재시동시에 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도와 출구측 냉각수 온도, 연료전지 스택의 출구측 공기 온도를 토대로 냉각수 펌프의 정상 작동을 확인한 뒤 써모스탯과 다기능 열관리장치를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 제어하고, 이를 통해 연료전지 스택을 최적 운전온도 구간으로 급격히 상승 혹은 하강시킴과 동시에 연료전지 스택의 입구측과 출구측 냉각수 온도 편차를 미리 정해진 온도 범위 이내가 되도록 조절할 수 있게 된다.
이때 제어기가 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택 입구측의 냉각수 온도와 연료전지 스택 출구측의 냉각수 온도, 연료전지 스택 출구측의 공기 온도를 기초로 하여 상기 냉각수 펌프 및 써모스탯, 다기능 열관리장치의 구동을 제어하여, 연료전지 스택 입구측의 냉각수와 연료전지 스택 출구측의 냉각수의 온도 편차가 미리 정해진 온도 범위 이내가 되도록 관리하며, 일 예로서 상기의 온도 편차가 10℃ 이하로 유지되도록 제어하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템에서 써모스탯을 열교환기(라디에이터)의 후단에 위치시킨 뒤 다기능 열관리장치를 이용해 순환되는 냉각수의 온도 편차(스택 입구측 냉각수 온도와 스택 출구측 냉각수 온도의 편차)를 소정의 온도 범위 이내로 관리하면 스택의 내구성능 향상과 장기운전이 가능해진다.
실험예로서, 상기 다기능 열관리장치를 적용하여 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode)로 장기 운전한 결과, 냉각수의 온도 편차를 10℃ 이하로 관리하는 경우 253,500km의 주행거리에 상당하는 7,001시간의 장기 운전이 가능하였다.
이때 도 6의 결과에 비해서도 0.6A/㎠의 부하조건에서의 전압강하속도가 약 66% 정도 더 감소한 것을 확인하였다. 이러한 결과는 종래에 비해 본 발명의 경우 장기운전수명이 약 8배 정도 증가한 것을 의미한다. 첨부한 도 8은 다기능 열관리장치를 적용하여 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode)로 장기 운전한 결과를 나타낸 도면이다.
앞서 다기능 열관리장치에서 냉각수 유입구를 통해 들어온 냉각수가 저항발열체에 의해 고르게 잘 혼합됨을 설명하였는데, 연료전지 스택으로 최종 공급되는 냉각수의 온도 균일성을 확보하기 위해서 본 발명에서는 1차적으로 써모스탯을 열교환기의 후단에 위치시켜, 열교환기를 거치게 되는 메인 순환로와 바이패스 배관을 거치게 되는 바이패스 순환로의 냉각수가 열교환기의 후단에서 합류하도록 구성하고, 이를 통과한 냉각수가 다시 다기능 열관리장치로 이동하여 잘 혼합된 뒤 연료전지 스택으로 공급되도록 한다. 또한 이와 함께 본 발명에서의 다기능 열관리장치는 연료전지 스택이 최적 운전온도 구간으로 운전되도록 냉각수의 온도를 급속히 상승시킬 수 있는 가열기능을 가진다.
냉각수가 충분히 잘 혼합되지 않으면 수백장의 분리판들이 적층되어 있는 연료전지 스택에서 냉각수의 온수 부분과 냉수 부분이 각각 분리판에 다르게 유입될 수 있으며, 이는 인접한 분리판들 사이에서 온도 차이를 발생시켜 플러딩 혹은 드라이 아웃을 유발할 수 있다. 이는 연료전지 스택의 내구성 저하 원인이 된다.
또한 같은 분리판이라 할지라도 분리판의 냉각수 매니폴드와 셀 반응면은 다수개의 냉각채널로 연결되어 있기 때문에, 냉각수가 충분히 잘 혼합되지 않으면 각 냉각채널로 온도가 다른 냉각수가 개별적으로 유입될 가능성이 있으며, 이 또한 상기와 같은 이유로 플러딩 혹은 드라이 아웃을 유발할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 열 및 물 관리 시스템에서 가열수단인 다기능 열관리장치는 냉각수를 혼합하여 냉각수의 온도를 균질화하는 기능을 가지며, 또한 특정 온도에서 메인 루프(열교환기를 거치는 냉각수 경로)의 냉각수 라인을 개방하도록 설정된 써모스탯 작동 및 냉각수 펌프의 RPM와 연동하여, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 가능한 한 빠른 시간 내에 연료전지 스택의 최적 운전온도로 상승 혹은 하강시킴과 동시에 연료전지 스택으로 공급/배출되는 입출구측 냉각수 온도 차이를 10℃ 이하로 관리는 가열 기능을 가진다.
그 밖에 본 발명의 열 및 물 관리 시스템은 키 온(Key On) 후 바로 전원이 연결되어 온도센서를 통해 측정된 온도들을 토대로 냉각수 펌프 및 냉각수 순환로의 정상 유무를 확인하고 자가 진단하여 이상 유무를 표시하는 기능을 가지도록 구성될 수 있다.
본 발명에서 유량검출수단 없이 온도검출수단(온도센서)의 검출값만을 토대로 냉각수 펌프 및 냉각수 순환로의 정상 유무를 판별할 수 있는데, 이로써 고가의 유량계 등이 필요 없게 된다.
본 발명에서 써모스탯(400)은 다기능 열관리장치와 냉각수 펌프와 마찬가지로 제어기에 의해 구동이 제어될 수 있도록 전자식 써모스탯이 사용되며, 일 예로 첨부한 도 9에 나타낸 바와 같은 모터식 써모스탯(ECV)이 사용될 수 있다.
모터식 써모스탯의 경우, 제어기의 전기적 신호, 즉 제어신호에 따라 구동이 제어되는 모터(410)가 회전되면서 스크류축(420)이 회전되도록 되어 있고, 상기 스크류축(420)의 회전량에 따라 유동 컨트롤러(flow controller)(430)가 스크류축상에서 이동하여 써모스탯(400)의 내부 유로를 개폐하도록 되어 있다.
특히, 스크류축(420)의 회전량 및 유동 컨트롤러(430)의 위치에 따라 열교환기(라디에이터)를 거쳐 연료전지 스택으로 공급되는 저온의 냉각수와 바이패스 배관을 통해 열교환기를 거치지 않고 바이패스된 뒤 연료전지 스택으로 공급되는 고온의 냉각수의 유량이 조절될 수 있게 되어 있다.
상기와 같이 본 발명에서 써모스탯은 제어기에 의해 구동 제어가 가능한 전자식 써모스탯이 사용될 수 있으나, 냉각수 온도에 따라 개도상태가 가변되는 왁스식 써모스탯의 적용도 가능하다.
첨부한 도 10은 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템에서 다기능 열관리장치와 냉각수 펌프, 써모스탯의 작동을 제어하는 예를 나타낸 순서도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 열 및 물 관리 시스템에서는 연료전지 스택의 입구측 냉각수 온도(T1)와 출구측 냉각수 온도(T2), 연료전지 스택의 출구측 공기 온도(T3)를 토대로 다기능 열관리장치와 냉각수 펌프, 써모스탯의 작동을 제어하여 스택 및 냉각수 온도를 최적 상태로 제어하게 된다.
도 1은 연료전지의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 2는 연료전지에서 전해질막 내부의 수분 존재 형태를 보여주는 도면,
도 3은 연료전지의 막전극접합체를 통과하여 물이 이동하는 현상 및 스택 생성수를 보여주는 도면,
도 4는 종래기술에 따른 연료전지 시스템의 전체 구성을 나타낸 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템을 포함한 연료전지 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 6은 연료전지 스택을 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode)로 장기 운전한 결과를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에서 다기능 열관리장치의 구성을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 다기능 열관리장치를 적용하여 시뮬레이션 모드(simulated drive cycle mode)로 장기 운전한 결과를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에서 모터식 써모스탯의 구성을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 열 및 물 관리 시스템에서 냉각수 온도(T1,T2)와 공기 온도(T3)를 토대로 다기능 열관리장치와 냉각수 펌프, 써모스탯의 작동을 제어하는 예를 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 스택 200 : 냉각수 펌프
300 : 열교환기 400 : 써모스탯
500 : 다기능 열관리장치

Claims (4)

  1. 연료전지 스택에 연결된 냉각수 순환 경로를 따라 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 펌프, 상기 냉각수 순환 경로에 설치되어 열교환을 통해 냉각수를 냉각시키는 열교환기, 냉각수가 열교환기를 통과하여 순환되거나 열교환기를 바이패스하여 순환되도록 냉각수 순환 경로를 선택하는 써모스탯, 및 상기 냉각수 펌프와 써모스탯의 구동을 제어하기 위한 제어기를 포함하는 연료전지용 열 및 물 관리 시스템에 있어서,
    상기 써모스탯이 열교환기의 출구측 배관에 설치되는 동시에 열교환기의 입구측 배관과는 바이패스 배관으로 연결되어 열교환기를 통과한 냉각수와 바이패스 배관을 통과한 냉각수가 써모스탯 내 유로의 개도상태에 따라 써모스탯을 통과한 뒤 연료전지 스택으로 공급되고,
    상기 냉각수 순환 경로 상의 써모스탯 후단 및 연료전지 스택 입구측으로는 써모스탯으로부터 나온 냉각수가 통과하도록 되어 있으면서 냉각수 가열을 위한 저항발열체가 내장된 다기능 열관리장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다기능 열관리장치는,
    상기 열교환기를 통과한 냉각수와 상기 바이패스 배관을 통과한 냉각수가 써모스탯 통과 후 유입되어 합류되는 하우징과;
    연료전지 스택의 전기에너지를 인가받아 작동하고 상기 하우징 내부에 삽입되어 냉각수 흐름상에서 난류를 형성하는 동시에 냉각수를 가열해주는 복수개의 저항발열체;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는 온도센서에 의해 검출된 연료전지 스택 입구측의 냉각수 온도와 연료전지 스택 출구측의 냉각수 온도, 연료전지 스택 출구측의 공기 온도를 기초로 하여 상기 냉각수 펌프 및 써모스탯, 다기능 열관리장치의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는 연료전지 스택 입구측의 냉각수와 연료전지 스택 출구측의 냉각수의 온도 편차가 미리 정해진 온도 범위 이내로 유지되도록 제어하는 것을 특징 으로 하는 스택 운전온도 조절이 가능한 연료전지용 열 및 물 관리 시스템.
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