KR101405774B1 - 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저온의 수소가 스택으로 유입되기 전에 COD 히터를 거쳐 가열된 스택으로 유입되도록 하고, COD 히터는 저온의 수소에 의해 냉각되어 냉각수를 강제 순환시키지 않아도 되므로 COD 히터를 온 시킬 수 있음으로써, 기존의 공기블로어를 가동하지 않고 COD 히터로 스택 전류를 소비하여 소음 문제를 해결할 수 있고, 공급 수소의 온도를 별도의 열교환기나 히터의 추가 설치 없이 승온가능하기 때문에 응축수 생성 문제도 해결할 수 있어서 일석이조(一石二鳥)의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법은 수소공급부와 스택의 연료극 입구 사이에 COD 히터를 연결하고 COD 히터를 온시키는 단계; 상기 수소공급부에서 공급되는 수소를 COD 히터와 열교환시키는 단계; 및 상기 열교환에 의해 승온된 수소를 스택의 연료극에 공급하는 단계;로 이루어져, 냉시동 시 공급 수소를 승온시키고, COD 히터를 이용하여 스택의 전류를 소비할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법{Hydrogen temperature-increasing and cold-starting method for fuel cell vehicle}
본 발명은 COD 히터를 이용하여 공급 수소를 승온시킨 후 스택에 공급하여 연료전지 차량의 냉시동 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법에 관한 것이다.
환경 친화적인 자동차 개발을 위해 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있다. 현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이라 할 수 있다.
상기 냉시동성 확보 전략의 일환으로 현재 연료전지 차량의 냉시동시에는 스택으로 냉각수를 순환시키지 않는다.
그 이유는 스택 내부로 차가운 냉각수가 들어가지 않기 위함이며, 이로 인해 냉각수 강제순환이 필수 조건인 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 오프(OFF)시키는 로직을 가진다.
상기 COD 히터 대신에 공기블로어를 이용하여 스택에서 생성된 전류를 소모한다.
그런데, 상기 공기블로어의 가동으로 인해 냉간시동시 소음이 발생하는 문제가 있다.
또한, 기존의 수소 이동 경로는 수소 공급 비례제어밸브(HSV)를 거쳐 이젝터로 향하였기 때문에 공급 수소를 승온시키기 위한 별도의 히터나 열교환기를 거치지 않고 공급 수소의 온도가 승온되지 않는 상태로 스택에 유입되어 스택 내에서 저온의 수소와 산소가 만나 응축수가 생성되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 저온의 수소가 스택으로 유입되기 전에 COD 히터를 거쳐 가열된 스택으로 유입되도록 하고, COD 히터는 저온의 수소에 의해 냉각되어 냉각수를 강제 순환시키지 않아도 되므로 COD 히터를 온 시킬 수 있음으로써, 기존의 공기블로어를 가동하지 않고 COD 히터로 스택 전류를 소비하여 소음 문제를 해결할 수 있고, 공급 수소의 온도를 별도의 열교환기나 히터의 추가 설치 없이 승온가능하기 때문에 응축수 생성 문제도 해결할 수 있어서 일석이조(一石二鳥)의 효과를 얻을 수 있는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법은 수소공급부와 스택의 연료극 입구 사이에 COD 히터를 연결하고 COD 히터를 온시키는 단계; 상기 수소공급부에서 공급되는 수소를 COD 히터와 열교환시키는 단계; 및 상기 열교환에 의해 승온된 수소를 스택의 연료극에 공급하는 단계;로 이루어져, 냉시동 시 공급 수소를 승온시키고, COD 히터를 이용하여 스택의 전류를 소비할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 수소는 히터 플레이트와의 열교환으로 승온되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소는 COD 히터의 히터봉 안으로의 열교환으로 승온되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 공급 수소는 수소공급 비례제어밸브에서 COD 히터로 이동하여 열교환 후 이젝터를 통과하여 스택으로 공급됨으로써, 공급 수소의 온도가 상승하므로 스택 내에서 응축수 생성을 방지할 뿐만 아니라, COD 히터가 온되는 구간에서 냉각수도 승온시킬 수 있는 장점이 있다.
둘째로, 상기 COD 히터를 이용하여 스택에서 생성된 전류를 소모할 수 있기 때문에 기존의 공기블로어를 오프시킬 수 있어서 공기블로어의 과급으로 인한 냉간 소음 문제를 해결할 수 있다.
셋째로, 냉각수 히터 열교환을 통한 연료극 입구 수소 온도의 상승으로 재순환 수소의 상대습도 저감 및 응축수 감소 효과로 스택 내부에 애노드(anode) 채널의 응축수로 인한 수소 유로 막힘 현상을 해소할 수 있다.
넷째로, 연료극 입구에 별도의 히터를 장착하지 않고 냉각수 승온용 히터의 내부 혹은 히터 플레이트에 연료극 수소 배관을 연결하여 냉시동 시 냉각수 및 수소를 동시에 가열할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 수소 이동 경로를 보여주는 블록도
도 2는 본 발명에 따른 수소 이동 경로를 보여주는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 수소 이동 경로를 보여주는 사시도
도 4는 도 3의 측면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 수소 이동 경로를 보여주는 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 수소 이동 경로를 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다.
본 발명은 기존의 공기블로어 가동으로 인한 소음문제를 해결하고, 별도의 열교환기나 히터를 추가하지 않고 공급 수소의 승온을 유도할 수 있는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법은 수소 공급 비례제어밸브(HSV)를 통과한 수소를 COD 히터(25)(히터봉(26) 혹은 히터 플레이트(27))와 열교환시켜 승온시킬 수 있다.
다시 말해서, 냉시동 시 기존의 오프시켰던 COD 히터(25)를 온시켜 저온의 수소와 COD 히터(25)를 열교환시킴으로써, 수소공급부(1)에서 공급되는 공급 수소를 스택(4)으로 유입되기 전에 승온시킬 뿐만 아니라 COD 히터(25)를 냉각시킬 수 있다.
이때, 수소공급부(1)에서 공급되는 저온의 공급 수소는 COD 히터(25)의 한쪽 끝에 위치한 히터봉(26)에서 반대쪽 끝에 위치한 히터봉(26)까지 지그재그 형태의 경로로 순환되면서 이젝터(3)로 유입될 수 있고, 공급 수소와 히터 플레이트(27) 간의 열교환도 가능할 뿐만 아니라 히터 봉 안으로의 열교환도 가능하다.
그리고, 도면에서 상기 COD 히터(25)의 히터봉(26)은 외부로 노출되어 있는 것처럼 보이지만, 실질적으로는 박스 구조의 히터케이스에 의해 밀폐되며, 히터케이스의 양측에 형성된 유입구와 배출구를 통해 수소가 COD 히터(25) 내부에 공급되고, COD 히터(25) 내부의 히터봉(26)과의 열교환을 위해 수소가 지그재그 형태의 경로로 순환될 수 있도록 가이드를 가질 수 있다.
기존의 COD 히터(25)는 냉각수 강제 순환방식으로 냉각되었기 때문에 차가운 냉각수가 스택(4) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위해 COD 히터(25)를 오프시켰지만, 본 발명에서 COD 히터(25)는 기존의 냉각수 대신에 저온의 공급 수소로 냉각되기 때문에, 즉 차가운 냉각수가 COD 히터(25)로의 강제 순환으로 인해 스택(4)으로 유입될 염려가 없으므로 COD 히터(25)를 온 시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 공급 수소는 수소공급 비례제어밸브(2)에서 COD 히터(25)로 이동하여 열교환 후 이젝터(3)를 통과하여 스택(4)으로 공급됨으로써, 공급 수소의 온도가 상승하므로 스택(4) 내에서 응축수 생성을 방지할 뿐만 아니라, COD 히터(25)가 온되는 구간에서 냉각수도 승온시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 COD 히터(25)를 이용하여 스택(4)에서 생성된 전류를 소모할 수 있기 때문에 기존의 공기블로어를 오프시킬 수 있어서 공기블로어의 과급으로 인한 냉간 소음 문제를 해결할 수 있다.
아울러, 냉각수 히터 열교환을 통한 연료극 입구 수소 온도의 상승으로 재순환 수소의 상대습도 저감 및 응축수 감소 효과로 스택(4) 내부에 애노드(anode) 채널의 응축수로 인한 수소 유로 막힘 현상을 해소할 수 있다.
뿐만 아니라, 연료극 입구에 별도의 히터를 장착하지 않고 냉각수 승온용 히터의 내부 혹은 히터 플레이트(27)에 연료극 수소 배관을 연결하여 냉시동 시 냉각수 및 수소를 동시에 가열할 수 있다.
1 : 수소공급부
2 : 수소공급 비례제어밸브
3 : 이젝터
4 : 스택
25 : COD 히터
26 : 히터봉
27 : 히터 플레이트

Claims (3)

  1. 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법에 있어서,
    수소공급부(1)와 스택(4)의 연료극 입구 사이에 COD 히터(25)를 연결하고 COD 히터(25)를 온시키는 단계;
    상기 수소공급부(1)에서 공급되는 수소를 COD 히터(25)와 열교환시키는 단계; 및
    상기 열교환에 의해 승온된 수소를 스택(4)의 연료극에 공급하는 단계;
    로 이루어져, 냉시동 시 공급 수소를 승온시키고, COD 히터(25)를 이용하여 스택(4)의 전류를 소비할 수 있으며,
    상기 수소는 COD 히터(25)의 히터봉(26) 안으로의 열교환으로 승온되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소는 히터 플레이트(27)와의 열교환으로 승온되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소 승온 및 냉시동 방법.
  3. 삭제
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