KR101417463B1 - 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온시 독립적으로 탑재된 전장 냉각시스템의 냉각수를 이용하여 냉각시킬 수 있도록 한 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 차량에 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 연료전지 냉각시스템과, 전기동력부품을 냉각시키기 위한 전장 냉각시스템이 독립적으로 탑재된 점을 감안하여, 연료전지 스택의 고온시, 상대적으로 저온인 전장 냉각시스템의 냉각수를 이용하여 스택을 냉각할 수 있도록 함으로써, 연료전지 차량의 냉각성능을 개선하여 주행성능을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 냉각 제어 장치 및 방법{Device and method for cooling fuel cell}

본 발명은 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고온시 독립적으로 탑재된 전장 냉각시스템의 냉각수를 이용하여 스택을 냉각시킬 수 있도록 한 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 차량에 탑재된 연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공기블로워 및 가습기를 포함하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어진다.

따라서, 연료전지 시스템의 운전 중, 전기에너지의 생성을 위하여 고순도의 수소가 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 이와 동시에 에어블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.

그에 따라, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 연이어 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

이러한 연료전지 시스템의 운전 중, 연료전지 스택 발열량 증가에 의한 연료전지 시스템의 운전 온도 상승으로 인하여 냉각 성능 불만족 상태가 초래될 수 있고, 연료전지 시스템의 냉각 성능 저하시 각 부품(연료전지 스택, 라디에이터, 전장품들 등)이 열해될 가능성 있으므로, 연료전지 시스템의 운전 중 냉각 성능은 매우 중요한 요소중 하나이다.

이를 위해, 연료전지 스택의 냉각수 출구측으로부터 입구측 방향을 따라 물펌프, 전동식 써모스탯, 라디에이터 등을 포함하는 열 및 물관리 시스템에서 연료전지 스택을 냉각시키고 있고, 참고로 전기동력부품(예를 들어, 주행을 위한 모터) 등은 독립적으로 탑재된 전장냉각 시스템에 의하여 냉각된다.

그럼에도 불구하고, 연료전지 차량이 연료전지에서 발생하는 전기를 주 전원으로 구동될 때, 그 효율이 최대 60% 정도이고, 공급된 많은 수소에너지가 열로 소모되므로, 연료전지 차량의 최대효율 및 출력을 얻기 위해서는 발생한 열을 냉각하는 기술이 중요하다.

그러나, 기존 가솔린 엔진 등의 냉각수는 대기온과 110도 이상 많은 차이가 나 냉각이 용이한데 반해, 연료전지의 냉각수는 대기온과 최대 90도 내외로 차이가 적어, 연료전지 차량에 요구되는 연료전지 냉각시스템의 부피나 중량이 커져야 하지만, 차량의 제한된 공간에 많은 냉각장치를 탑재하는데 한계가 있고, 그에 따라 운행조건에 따라 간헐적으로 연료전지스택의 냉각 문제가 발생한다.

본 발명은 연료전지 차량에 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 연료전지 냉각시스템과, 전기동력부품을 냉각시키기 위한 전장 냉각시스템이 독립적으로 탑재된 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 고온시, 상대적으로 저온인 전장 냉각시스템의 냉각수를 이용하여 스택을 냉각할 수 있도록 함으로써, 연료전지 차량의 냉각성능을 개선하여 주행성능을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 냉각 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지용 라디에이터에서 연료전지 시스템으로 냉각수를 공급하는 연료전지용 냉각수 공급라인과, 전장 시스템에서 전장용 라디에이터로 냉각수를 배출하는 전장용 냉각수 배출라인 간에 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인을 각각 연결하고, 상기 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인에 각각 개폐 제어 가능한 제1 및 제2밸브를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 제1밸브는 3방향 밸브로 채택되어 연료전지용 냉각수 공급라인과 냉각수 교환배출라인이 만나는 지점에 장착되고, 상기 제2밸브도 3방향 밸브로 채택되어 전장용 냉각수 배출라인과 냉각수 교환공급라인이 만나는 지점에 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지용 냉각수 공급라인과 전장용 냉각수 배출라인 간에 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인을 각각 연결하고, 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인에 각각 개폐 제어 가능한 제1 및 제2밸브를 장착한 상태에서, 연료전지 스택의 온도를 측정하여 연료전지 스택의 온도가 기준치를 초과하는지 여부를 판정하는 단계와; 연료전지 스택의 온도가 기준치 이상이면, 전장 시스템의 온도를 측정하여 기준치를 초과하는지 여부를 판정하는 단계와; 전장 시스템의 온도가 기준치보다 낮으면 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인에 각각 장착된 제1밸브 및 제2밸브를 열림으로 제어하는 단계; 를 통하여, 상기 연료전지용 냉각수 공급라인을 따라 흐르던 냉각수를 제1밸브 및 냉각수 교환배출라인을 따라 전장용 라디에이터쪽으로 흐르게 하고, 동시에 전장용 냉각수 배출라인을 따라 흐르던 냉각수를 제2밸브 및 냉각수 교환공급라인을 따라 연료전지 시스템의 스택쪽으로 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 연료전지 스택의 온도가 기준치를 초과하여 스택파워 제한모드로 진입한 경우, 전장 시스템의 온도가 기준치보다 낮으면 제1밸브 및 제2밸브를 열림으로 제어하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 고온시(예를 들어, 스택의 온도가 기준치를 초과하여 스택파워 제한모드로 진입할 때), 상대적으로 저온 상태인 전장 냉각시스템의 냉각수를 스택쪽으로 순환시키고, 반대로 스택 냉각용 냉각수를 전장 라디에이터쪽으로 순환시킴으로써, 스택의 냉각 성능을 향상시킴과 더불어 주행성능을 극대화시킬 수 있다.

또한, 연료전지 차량의 악조건 주행시, 기존의 경우 파워 경감(Power Derating) 또는 냉각 불가시 스택을 셧다운하는 제어가 진행되었으나, 본 발명의 적용시 스택에 대한 냉각 마진을 추가로 확보할 수 있으므로, 연료전지 차량의 동력 성능을 일정수준 확보 가능한 장점이 있다.

도 1은 연료전지 차량의 연료전지 냉각시스템과 전장 냉각시스템이 독립적으로 탑재된 것을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉각 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 냉각 제어 방법을 설명하는 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 연료전지 차량의 냉각시스템을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.

도 1에서 보듯이, 연료전지 차량에는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템(11)을 냉각시키기 위한 연료전지 냉각시스템(10)과, 전기동력부품 등을 포함하는 전장 시스템(21)을 냉각시키기 위한 전장 냉각시스템(20)이 독립적으로 탑재되어 있다.

즉, 연료전지에서 수소와 산소가 만나 반응하며 생기는 열을 냉각시키는 연료전지 냉각시스템(10)과, 연료전지 차량의 구동을 위한 모터 및 고전압 파워소자 등에서 발생되는 열을 냉각시키는 전장 냉각시스템(20)이 독립적으로 구성되어 있다.

연료전지 냉각시스템(10)과 전장 냉각시스템(20)이 독립적으로 구성된 이유는 정상 작동시 연료전지의 작동온도 범위가 전장품의 통상적인 작동온도보다 높으므로 동일한 냉각수를 사용하기 어렵기 때문이다.

상기 연료전지 냉각시스템(10)의 냉각수는 연료전지용 냉각수 배출라인(12)과, 연료전지용 라디에이터(14)과, 연료전지용 냉각수 공급라인(16)을 따라 순환되고, 상기 전장 냉각시스템(20)의 냉각수는 전장용 냉각수 배출라인(22)과, 전장 라디에이터(24)와, 전장용 냉각수 공급라인(26)을 따라 순환된다.

이와 같이, 연료전지 차량에는 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 시스템(11)을 냉각시키기 위한 냉각수와, 전기동력부품 등을 포함하는 전장 시스템(21)을 냉각시키기 위한 냉각수가 독립적으로 순환된다.

본 발명은 위와 같이 연료전지 냉각시스템과 전장 냉각시스템이 독립적으로 탑재된 점을 감안하여, 연료전지 스택의 고온 발생시 상대적으로 저온인 전장 냉각시스템의 냉각수를 일시적으로 이용하여 스택을 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 연료전지 냉각시스템(10)의 냉각수 순환라인과 상기 전장 냉각시스템(20)의 냉각수 순환라인 간을 연통 또는 차단 가능하게 연결한다.

바람직하게는, 상기 연료전지용 라디에이터(14)에서 연료전지 냉각시스템(10)으로 냉각수를 공급하는 연료전지용 냉각수 공급라인(16)과, 상기 전장 냉각시스템(20)에서 전장용 라디에이터(24)로 냉각수를 배출하는 전장용 냉각수 배출라인(22) 간을 냉각수 교환배출라인(32) 및 냉각수 교환공급라인(30)으로 연결하고, 상기 냉각수 교환배출라인(32)은 개폐 제어 가능한 제1밸브(34)에 연결되고, 상기 냉각수 교환공급라인(30)은 개폐 제어 가능한 제2밸브(36)에 연결된다.

따라서, 상기 제1밸브(34)에 대한 개폐 제어를 통해 연료전지용 라디에이터(14)에서 연료전지 냉각시스템(10)으로 흐르던 냉각수가 전장 냉각시스템(20)쪽으로 흐를 수 있고, 반면에 상기 제2밸브(36)에 대한 개폐 제어를 통해 전장 시스템(21)에서 전장용 라디에이터(24)로 배출되던 냉각수가 연료전지 냉각시스템(10)쪽으로 흐를 수 있게 된다.

물론, 전술한 바와 같이 전장 냉각시스템의 냉각수 온도는 연료전지 냉각시스템(10)을 흐르는 냉각수 온도에 비하여 상대적으로 저온 상태이다.

이때, 상기 제1밸브(34)는 3방향 밸브로 채택되어 연료전지용 냉각수 공급라인(16)과 냉각수 교환배출라인(32)이 만나는 지점에 장착되고, 상기 제2밸브(36)도 3방향 밸브로 채택되어 전장용 냉각수 배출라인(22)과 냉각수 교환공급라인(30)이 만나는 지점에 장착되어, 냉각수의 흐름 방향을 선택적으로 변경하는 역할을 한다.

참조로, 도 2의 도면부호 38은 연료전지용 냉각수 배출라인(12)과 연료전지용 냉각수 공급라인(16)간에 연결된 바이패스라인에 장착되어, 연료전지 냉각수를 연료전지 온도에 따라 바이패스시키는 3방향 밸브를 나타낸다.

여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 냉각 제어 방법에 대한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 연료전지 스택의 온도를 측정하는 단계가 선행된다.

즉, 연료전지 스택의 온도를 측정하는 센서에서 스택 온도를 검출한 후, 제어기로 전송한다.

이어서, 제어기에서 연료전지 시스템에 포함된 연료전지 스택의 온도가 기준치를 초과하는지 여부를 판정한다.

이때, 연료전지 스택의 온도가 기준치 이상이면, 예를 들어 약 90도에 도달하면 스택파워 제한모드로 진입하는지 여부를 판정한다.

참고로, 연료전지 스택의 온도가 기준치 이상인 경우 스택파워를 제한하기 위하여 스택파워 제한 로직이 실행된다.

다음으로, 스택파워 제한모드가 실행되면 전장 시스템의 온도를 측정하여 기준치를 초과하는지 여부를 판정한다.

따라서, 전장 시스템의 온도가 기준치보다 낮으면, 상기 제1밸브(34) 및 제2밸브(36)를 모두 열림으로 제어하여, 연료전지용 냉각수 공급라인(16)이 냉각수 교환배출라인(32)을 통해 전장용 냉각수 배출라인(22)과 연통되는 상태가 되도록 하고, 이와 동시에 전장용 냉각수 배출라인(22)이 냉각수 교환공급라인(30)을 통해 연료전지용 냉각수 공급라인(16)과 연통되는 상태가 되도록 한다.

이에 따라, 상기 전장 시스템으로부 배출되어 전장용 냉각수 배출라인(22)을 따라 전장 라디에이터(24)로 흐르던 저온 상태의 전장용 냉각수가 열림 상태인 제2밸브(36)를 통과한 후, 냉각수 교환공급라인(30)을 따라 연료전지 시스템(11)의 스택쪽으로 흐르게 됨으로써, 저온 상태의 전장용 냉각수에 의하여 스택의 냉각이 이루어질 수 있다.

이와 동시에, 상기 연료전지용 라디에이터(14)로부터 배출되어 연료전지용 냉각수 공급라인(16)을 따라 스택을 향하여 흐르던 고온 상태의 연료전지용 냉각수가 열림 상태인 제1밸브(34)를 통과한 후, 냉각수 교환배출라인(32)을 따라 전장용 라디에이터(24)쪽으로 흐르게 됨으로써, 냉각수 교환공급라인(30)을 따라 스택으로 공급되는 전장용 냉각수 만큼 전장용 냉각시스템에 대한 냉각수 보충이 이루어진다.

한편, 스택의 온도가 기준치 이하로 떨어지거나, 전장 시스템의 온도가 기준치 이상으로 올라가면, 상기 제1 및 제2밸브를 본래의 닫힘으로 제어하여, 연료전지 냉각시스템과 전장 냉각시스템이 기존과 같이 독립적인 냉각 작용을 하도록 한다.

10 : 연료전지 냉각시스템
11 : 연료전지 시스템
12 : 연료전지용 냉각수 배출라인
14 : 연료전지용 라디에이터
16 : 연료전지용 냉각수 공급라인
20 : 전장 냉각시스템
21 : 전장 시스템
22 : 전장용 냉각수 배출라인
24 : 전장용 라디에이터
26 : 전장용 냉각수 공급라인
30 : 냉각수 교환공급라인
32 : 냉각수 교환배출라인
34 : 제1밸브
36 : 제2밸브
38 : 3방향 밸브

Claims (4)

1. 연료전지용 라디에이터에서 연료전지 시스템으로 냉각수를 공급하는 연료전지용 냉각수 공급라인과, 전장 시스템에서 전장용 라디에이터로 냉각수를 배출하는 전장용 냉각수 배출라인 간에 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인을 각각 연결하고,
   상기 냉각수 교환배출라인과 냉각수 교환공급라인에 각각 개폐 제어 가능한 제1 및 제2밸브를 장착하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1밸브는 3방향 밸브로 채택되어 연료전지용 냉각수 공급라인과 냉각수 교환배출라인이 만나는 지점에 장착되고,
   상기 제2밸브도 3방향 밸브로 채택되어 전장용 냉각수 배출라인과 냉각수 교환공급라인이 만나는 지점에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 장치.
   
3. 연료전지용 냉각수 공급라인과 전장용 냉각수 배출라인 간에 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인을 각각 연결하고, 냉각수 교환배출라인과 냉각수 교환공급라인에 각각 개폐 제어 가능한 제1 및 제2밸브를 장착한 상태에서,
   연료전지 스택의 온도를 측정하여 연료전지 스택의 온도가 기준치를 초과하는지 여부를 판정하는 단계와;
   연료전지 스택의 온도가 기준치 이상이면, 전장 시스템의 온도를 측정하여 기준치를 초과하는지 여부를 판정하는 단계와;
   전장 시스템의 온도가 기준치보다 낮으면 냉각수 교환배출라인 및 냉각수 교환공급라인에 각각 장착된 제1밸브 및 제2밸브를 열림으로 제어하는 단계;
   를 통하여,
   상기 연료전지용 냉각수 공급라인을 따라 흐르던 냉각수를 제1밸브 및 냉각수 교환배출라인을 따라 전장용 라디에이터쪽으로 흐르게 하고, 동시에 전장용 냉각수 배출라인을 따라 흐르던 냉각수를 제2밸브 및 냉각수 교환공급라인을 따라 연료전지 시스템의 스택쪽으로 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 연료전지 스택의 온도가 기준치를 초과하여 스택파워 제한모드로 진입한 경우, 전장 시스템의 온도가 기준치보다 낮으면 제1밸브 및 제2밸브를 열림으로 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 제어 방법.

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