KR101567073B1 - Fuel supply device for fuel cell system - Google Patents

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KR101567073B1 KR1020090022106A KR20090022106A KR101567073B1 KR 101567073 B1 KR101567073 B1 KR 101567073B1 KR 1020090022106 A KR1020090022106 A KR 1020090022106A KR 20090022106 A KR20090022106 A KR 20090022106A KR 101567073 B1 KR101567073 B1 KR 101567073B1
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반현석
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Abstract

본 발명은 수소를 연료로 사용하는 차량용 연료전지 시스템에서, 공급되는 연료의 유량 및 압력에 효과적으로 조절하여 연료전지 스택으로 연료를 공급할 수 있는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel supply system of a fuel cell system capable of effectively supplying fuel to a fuel cell stack by effectively controlling the flow rate and pressure of supplied fuel in a fuel cell system for a vehicle using hydrogen as a fuel.

이에 따라, 본 발명에서는 독립적으로 작동되는 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되며, 서로 다른 크기의 노즐 직경을 갖는 복수 개의 이젝터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공함으로써 부하에 따라 독립된 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브 개폐를 조절하여 공급되는 수소 연료의 압력/유량을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 전기적인 제어 방식을 따르는 구성을 통하여 부하 변동에 대하여 향상된 응답성능을 갖는 연료 공급 장치를 제공한다. 또한, 본 발명에서는 비례 제어 솔레노이드 밸브를 니들 형상으로 형성하여 저유량 구간에서 보다 정밀한 공급 유량 제어를 구현하였으며, 공급 유량의 동적인 특성을 이용하여 연료전지 성능을 향상시키고, 디더링 제어에 의하여 응답성을 향상시킬 수 있는 제어기를 포함하도록 구성하여 성능 향상을 구현하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.Accordingly, the present invention includes a plurality of proportional control solenoid valves independently operated, and a plurality of ejectors connected to correspond to the plurality of proportional control solenoid valves, respectively, and having nozzle diameters of different sizes The pressure / flow rate of the supplied hydrogen fuel can be more precisely controlled by adjusting the opening and closing of each proportional control solenoid valve independent of the load by providing the fuel supply system of the fuel cell system. Thereby providing a fuel supply device with improved response performance against load variations. In addition, in the present invention, the proportional control solenoid valve is formed into a needle shape to achieve more precise control of the supply flow rate in the low flow rate section, and the fuel cell performance is improved by using the dynamic characteristics of the supply flow rate, And a controller capable of improving the performance of the fuel cell system.

연료전지 자동차, 연료전지 시스템, 연료 공급 장치, 연료 공급 밸브, 비례 제어 솔레노이드 밸브, 복동식 솔레노이드 밸브 Fuel cell vehicle, fuel cell system, fuel supply device, fuel supply valve, proportional control solenoid valve, double acting solenoid valve

Description

연료전지 시스템의 연료 공급 장치{Fuel supply device for fuel cell system}Technical Field [0001] The present invention relates to a fuel supply system for a fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에서 공급되는 연료의 유량 및 압력을 효과적으로 조절하면서 연료전지 스택으로 연료를 공급할 수 있도록 구성된 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel supply system for a fuel cell system, and more particularly, to a fuel supply system for a fuel cell system which is capable of supplying fuel to a fuel cell stack while effectively controlling the flow rate and pressure of fuel supplied from a fuel cell system using hydrogen as fuel To a fuel supply system of a battery system.

연료전지 차량은 연료전지 스택(Stack)으로 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급하고, 이를 반응시켜 발생된 전기에너지로서 구동되는 차량으로서, 이러한 연료전지 차량에서는 연료전지 스택으로 연료인 수소를 공급하기 위한 연료 공급 장치가 필요하다.BACKGROUND ART A fuel cell vehicle is a vehicle driven by electric energy generated by supplying oxygen and oxygen as a fuel to a fuel cell stack (Stack) and reacting it. In such a fuel cell vehicle, A fuel supply device is required.

연료전지 차량의 연료인 수소는 가스 상태에서 그 부피가 매우 크므로, 액체 수소, 금속 수소화물과 같은 액체, 고체 상태로 저장된 수소 연료를 사용하거나, 고압으로 압축하여 저장된 수소 가스를 이용한다. 특히, 고압 수소 가스로서 저장 하는 연료전지 시스템의 경우, 이러한 고압 가스를 바로 연료전지 스택에 공급할 수 없으므로 통상 2단계에 걸쳐 압력을 낮추어 저압(통상 1bar 미만)의 수소 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는데, 감압된 저압의 수소 가스는 이젝터(Ejector)를 통해 연료전지 스택으로 공급되어 상기 연료전지 스택에 공급된 공기 중 산소와 반응하여 전기 에너지를 생성한다.Hydrogen as a fuel of a fuel cell vehicle is very large in gas state, and therefore, it uses liquid hydrogen, a liquid such as a metal hydride, a hydrogen fuel stored in a solid state, or uses a stored hydrogen gas compressed at a high pressure. In particular, in the case of a fuel cell system storing high-pressure hydrogen gas, since the high-pressure gas can not be supplied directly to the fuel cell stack, the pressure is generally lowered in two steps to supply hydrogen gas of low pressure The reduced pressure hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack through an ejector and reacts with oxygen in the air supplied to the fuel cell stack to generate electric energy.

상기 이젝터는 저압의 수소 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 기능 외에, 고압의 수소 가스가 노즐(축소 노즐 또는 축소 확대노즐)을 통과함에 따른 고속의 수소 제트(Jet)가 만드는 저압을 이용하여 스택 내의 미반응 수소 가스를 흡입하여 재순환 시키는 기능을 수행하는 장치이다.In addition to the function of supplying low-pressure hydrogen gas to the fuel cell stack, the ejector uses a low pressure generated by a high-speed hydrogen jet as a high-pressure hydrogen gas passes through a nozzle (a reduced nozzle or a scaling- And recirculates unreacted hydrogen gas.

이러한 이젝터의 설계 시에 중요한 요소 중의 하나는 노즐의 형상으로, 대부분의 특성이 이러한 노즐의 형상으로부터 결정되며, 이에 대한 가장 중요한 설계 인자는 노즐 목의 크기와 노즐의 상류, 즉, 이젝터 입구의 압력이다. 노즐의 형상과 관련하여, 축소형의 노즐은 아음속 유동으로 저압/저유량에 적합하고 축소 확대 노즐은 초음속 유동을 만들고 고압/고유량에 적합하다. 즉, 노즐 목의 단면적이 크고, 상류압이 클수록 많은 유량의 수소 가스가 흐를 수 있으므로, 작은 유량으로 운전할 때에는 이젝터 노즐이 작을수록 효율이 높아지고, 큰 유량 운전 조건에서는 노즐 목이 클수록 효과적이다. 따라서, 출력에 대한 운전영역이 매우 넓은 연료전지 차량의 경우에는, 이러한 노즐 목의 크기를 구분하여 고부하 운전을 위한 고유량용 이젝터와 저부하 운전과 같은 저유량 통과시에 사용되는 저유량용 이젝터를 복수로 구비하여 재순환량을 확보할 수 있는 기능을 갖는 연료 공급 장치의 구성이 요구된다.One of the important factors in designing such an ejector is the shape of the nozzle, and most of the characteristics are determined from the shape of the nozzle. The most important design factor for this is the size of the nozzle neck and the upstream of the nozzle, to be. Regarding the shape of the nozzle, the reduced nozzle is suited to the low pressure / low flow rate by the subsonic flow and the enlarged enlarged nozzle makes the supersonic flow and is suitable for the high pressure / high flow rate. That is, as the cross-sectional area of the nozzle neck is large and the upstream pressure is large, hydrogen gas at a large flow rate can flow. Therefore, when the flow rate is small, the efficiency becomes higher as the ejector nozzle becomes smaller. Therefore, in the case of a fuel cell vehicle having a very wide operating range for the output, it is possible to classify the sizes of the nozzle necks so that the ejector for high flow rate operation and the ejector for low flow rate, And a function of securing a recirculation amount is required.

미국 특허 등록 제7,309,537호는 연료 공급 장치의 구성으로서, 시스템의 연료 공급을 조절하기 위하여 공기극(Cathode)의 압력을 레귤레이터의 기준압으로 활용하여 이젝터 입구압을 기계적으로 조절함으로써 공급되는 수소 연료의 공급 유량을 제어하는 연료 공급 장치를 제안하고 있다.U.S. Patent No. 7,309,537 discloses a fuel supply system in which the pressure of a cathode is used as a reference pressure of a regulator to control the fuel supply of the system to mechanically control the ejector inlet pressure to supply hydrogen fuel And a fuel supply device for controlling the flow rate.

도 1과 도 2는 미국 특허 등록 제7,309,537호의 유체 유동 재순환 연료 전지 시스템의 구체적인 구성을 도시하고 있는 것으로, 도 1은 연료 공급 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 연료 공급 장치 중 레귤레이터의 구체적인 구성을 도시하고 있다.1 and 2 show a specific configuration of a fluid flow recirculating fuel cell system of U.S. Patent No. 7,309,537, wherein FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel supply apparatus, and FIG. 2 is a cross- FIG.

도 1에 도시된 바와 같이, 미국 특허 등록 제7,309,537호에서는 입구(11)를 통하여 공급되는 수소의 압력을 조절하는 레귤레이터(10)와 상기 레귤레이터의 두 출구(12, 13) 측에 형성되어 연료전지 스택의 연료극(Anode)으로 수소를 공급하는 두 개의 이젝터(41, 42)를 포함하도록 구성된다. 이 때, 상기 레귤레이터는 공기극(Cathode)의 압력에 따라 이젝터로의 압력/유량을 조절할 수 있도록 구성되어, 저유량용 이젝터(42) 및 고유량용 이젝터(41)를 선별적으로 작동할 수 있도록 구성된다.As shown in FIG. 1, U.S. Patent No. 7,309,537 discloses a fuel cell system including a regulator 10 for regulating the pressure of hydrogen supplied through an inlet 11 and a regulator 10 disposed at two outlets 12 and 13 of the regulator, And two ejectors 41 and 42 for supplying hydrogen to the anode of the stack. At this time, the regulator is configured to adjust the pressure / flow rate to the ejector according to the pressure of the air cathode, so that the ejector 42 for low flow rate and the ejector 41 for high flow rate can be selectively operated .

이러한 작동을 하는 상기 레귤레이터(10)의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이, 수소가 공급되는 단일한 입구(11)에 대하여 수소를 이젝터로 공급하는 두 개의 출구(12, 13)를 구비하도록 구성되어, 상기 입구와 상기 두 출구를 연결하는 연결로에 형성된 밸브를 포함하도록 구성한다. 상기 밸브는 도 2에서처럼, 제1스템(16) 이 제2스템(20)의 내부에 포함되어 있는 2중 스템 구조로 설계되어, 제1유로(15) 및 제2유로(14)의 공간을 개폐할 수 있도록 상기 제1스템(16)에 연결된 제1플러그(19) 및 제2스템(20)에 연결된 제2플러그(22)를 포함하며, 상기 제1유로(15)는 저유량용 이젝터(42)로 연결되는 저용량용 출구(13)와 연결되고, 상기 제2유로(14)는 고유량용 이젝터(41)로 연결되는 고용량용 출구(12)와 연결되도록 구성한다. 또한, 상기 레귤레이터의 상부에 형성된 산소 기준 챔버(31), 연료 기준 챔버(33) 및 멤브레인(32)의 구성에 따라 공기극의 압력에 연동되도록 구성하여, 멤브레인(32) 및 제1스템(16)의 제1접촉단(17), 그리고, 제1스템(16)의 돌기부(18) 및 제2스템(20)의 제2접촉단(21)의 접촉부에 가해지는 힘에 의하여 밸브가 순차적으로 개방되도록 구성된다. 따라서, 이러한 2중 스템 구조에 의하여 공기극의 압력을 기준으로 일정 차압을 유지하는 레귤레이터로 이젝터 상류압을 자동 제어함으로써 연료극의 수소공급량을 결정할 수 있어, 공기극 압력 조절만으로 연료극의 압력/유량을 자동 제어할 수 있는 연료 공급 장치를 구현할 수 있다.As shown in Fig. 2, the regulator 10 having such an operation is configured so as to have two outlets 12 and 13 for supplying hydrogen to the ejector with respect to a single inlet 11 to which hydrogen is supplied And a valve formed in a connecting passage connecting the inlet and the two outlets. The valve is designed as a double stem structure in which the first stem 16 is contained in the interior of the second stem 20 as shown in FIG. 2 so that the space of the first flow path 15 and the second flow path 14 A first plug 19 connected to the first stem 16 and a second plug 22 connected to the second stem 20 so that the first flow path 15 can be opened and closed, And the second flow path 14 is connected to a high capacity discharge port 12 connected to the ejector 41 for high flow rate. The membrane 32 and the first stem 16 are configured to be interlocked with the pressure of the air electrode according to the configuration of the oxygen reference chamber 31, the fuel reference chamber 33 and the membrane 32 formed on the regulator. The valve is sequentially opened by the force applied to the first contact end 17 of the first stem 16 and the contact portion of the protruding portion 18 of the first stem 16 and the second contact end 21 of the second stem 20. [ . Therefore, it is possible to determine the hydrogen supply amount of the fuel electrode by automatically controlling the upstream pressure of the ejector by a regulator that maintains a constant differential pressure based on the pressure of the air electrode based on the pressure of the air pole by such a double stem structure, The fuel supply system can be implemented.

다만, 미국 특허 등록 제7,309,537호에서 제시하고 있는 연료 공급 장치는 공기극의 압력이 배관을 통하여 전달되므로, 이에 반응하여 레귤레이터에서 변화된 압력 작동이 발생하는 과정에서 시간 지연이 필연적으로 발생하며, 이에 따라 연료극의 수소 공급이 공기극의 산소 공급보다 늦어짐에 따라 연료 질식소화(Fuel starvation)이 발생할 우려가 있었다. 또한, 이러한 시간 지연에 따라, 운전자의 요구에 대한 빠른 응답성이 요구되는 연료전지 자동차에서는 운전자의 운전 의지에 따른 즉각적인 반응성과 관련하여 명백한 적용의 한계가 존재하였다. 그리고, 종래 의 연료 공급 장치는 스택 입구압과 배관 등의 특성치가 수소 공급 유량 및 압력에 영향을 주어 정밀한 제어가 어려운 문제점이 존재하였으며, 이중 스템 구조 설계에 따라 마찰부분이 발생하여 부품의 내구성이 떨어지고, 이물질이 스택으로 유입될 수 있는 바 추가 필터의 장착이 요구되는 문제점이 있었다. 더불어, 이러한 이중 스템 구조는 그 구조의 복잡성으로 인하여 제작상의 여러 난점이 존재하였다.However, in the fuel supply apparatus disclosed in U.S. Patent No. 7,309,537, since the pressure of the air electrode is transmitted through the pipe, a time delay occurs inevitably in the process of changing the pressure operation in the regulator in response thereto, There is a fear that the fuel stasis (fuel starvation) may occur as the hydrogen supply of the air electrode is delayed with respect to the oxygen supply of the air electrode. In addition, there has been a clear application limit in relation to the immediate responsiveness of the driver's will to the fuel cell vehicle in which quick response to the driver's demand is required due to such time delay. In the conventional fuel supply system, there is a problem that the characteristics of the stack inlet pressure and the piping affect the hydrogen supply flow rate and pressure, making it difficult to precisely control the fuel supply system. And foreign matter may flow into the stack, there is a problem that it is required to install an additional filter. In addition, due to the complexity of the structure, such a double stem structure has various difficulties in fabrication.

이에 본 발명에서는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 독립적인 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브 및 각 밸브에 연결된 복수 개의 대응되는 이젝터들을 포함하도록 구성하여, 부하에 따라 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 조절하여 공급되는 수소 연료의 압력/유량을 정밀하게 제어할 수 있으며, 부하 변동에 대하여 향상된 응답성능을 갖는 연료 공급 장치를 제공한다.In the fuel supply system of the fuel cell system according to the present invention, a plurality of independent proportional control solenoid valves and a plurality of corresponding ejectors connected to the respective valves are provided to control the opening and closing of each proportional control solenoid valve according to the load. The present invention provides a fuel supply device capable of precisely controlling the pressure / flow rate of hydrogen fuel supplied thereto and having improved response performance against load fluctuations.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides the following configuration.

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 독립적으로 작동되는 분리된 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와; 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되는 분리된 복수 개의 이젝터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.The present invention relates to a fuel supply apparatus for a fuel cell system, comprising: a plurality of independently operated proportional control solenoid valves; And a plurality of ejectors connected to the plurality of proportional control solenoid valves so as to correspond to the plurality of proportional control solenoid valves, respectively.

또한, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방단은 니들 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.Further, the open ends of the plurality of proportional control solenoid valves are formed into a needle shape.

그리고, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 하나의 하우징 내에 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.The plurality of proportional control solenoid valves are arranged in parallel in one housing.

또한, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저부하 운전시 작동하는 제1비례 제어 솔레노이드 밸브와; 고부하 운전시 작동하는 제2비례 제어 솔레노이드 밸브로 구성되며, 상기 복수 개의 이젝터는 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결된 제1이젝터와; 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결되고, 상기 제1이젝터에 비하여 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.Further, the plurality of proportional control solenoid valves may include a first proportional control solenoid valve that operates when a low load operation is performed; And a second proportional control solenoid valve operable in a high load operation mode, wherein the plurality of ejectors include a first ejector connected to the first proportional control solenoid valve; And a second ejector connected to the second proportional control solenoid valve and having a larger nozzle diameter than the first ejector.

이 경우, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 연료전지 시스템의 최대 연료소모량에 대한 유량의 10 내지 50%의 유량 범위에서, 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 저부하 구간에서 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 고부하 구간으로 전환되도록 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.In this case, it is preferable to further include a controller for controlling opening and closing of each proportional control solenoid valve, wherein the controller is operable to control the flow rate of the first proportional control solenoid valve in a flow rate range of 10 to 50% And controls the operation of each proportional control solenoid valve so as to switch to a high load interval in which the second proportional control solenoid valve is operated in a low load interval in which the valve is operated.

여기서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 공급되는 유량 및 압력의 크기가 시간에 대하여 변동되는 사인파 형상의 파동으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.Wherein the controller further comprises a controller for controlling the opening and closing of each proportional control solenoid valve, wherein the controller controls the amount of supplied flow and the pressure to be supplied in a sinusoidal waveform fluctuating with respect to time A fuel supply system for a battery system is provided.

그리고, 상기 제어기는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 디더링 제어 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.The controller controls each proportional control solenoid valve by a dithering control method.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 연료 공급 장치는 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the fuel supply system of the fuel cell system according to the present invention has the following effects.

첫째, 직접 스택 입구압을 측정한 다음, 복동식 비례제어 솔레노이드 밸브에 의하여 원하는 유량과 압력 조건을 자유롭게 조절할 수 있어 연료 공급의 정밀 제어가 가능하며, 넓은 운전 구간에서 향상된 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.First, after measuring the direct stack inlet pressure, the desired flow and pressure conditions can be freely controlled by the double-acting proportional control solenoid valve, allowing precise control of fuel supply and improving performance over a wide operating range. have.

둘째, 전기적 제어로 인해 빠른 응답성을 갖는 비례제어 솔레노이드 밸브 및 와전류 제거를 위한 디더링 제어를 통하여, 부하에 따른 빠른 응답 성능을 제공할 수 있어, 시스템 부하 변동에 대응하여 신속하게 적절한 량의 공기와 수소 연료를 공급할 수 있어 시스템 성능 및 내구성을 향상시킨다.Second, the proportional control solenoid valve with quick response due to electrical control and the dithering control for eliminating eddy current can provide quick response according to the load, Hydrogen fuel can be supplied to improve system performance and durability.

셋째, 서로 크기가 다른 다수의 이젝터를 사용할 수 있어, 고부하 운행 구간에서는 큰 노즐 직경의 이젝터에 의하여 연료를 공급하여 고출력을 위한 충분한 흡입성능을 확보할 수 있으며, 저부하 운행 구간에서는 충분히 작은 노즐 직경을 갖는 이젝터를 통하여 연료를 공급할 수 있어 수소 재순환량을 충분히 확보할 수 있어 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.Third, it is possible to use a plurality of ejectors having different sizes from each other. In the high load operating section, the ejector of a large nozzle diameter can supply the fuel to secure sufficient suction performance for high output. In a low- The amount of hydrogen recirculation can be sufficiently ensured and the efficiency of the fuel cell system can be improved.

넷째, 니들 형상의 첨단부를 갖도록 밸브 형상을 설계할 수 있어, 저부하 구간에 대한 작은 유량 제어에 효과적이며, 저부하용 이젝터의 노즐 목 크기를 더 작게 할 수 있어 수소 재순환량이 개선되는 효과가 있다.Fourth, since the valve shape can be designed to have a needle-like tip portion, it is effective to control a small flow rate in a low load section, and the nozzle neck size of the ejector for low load can be made smaller, thereby improving the hydrogen recirculation amount .

다섯째, 연료 공급량의 정밀 제어가 가능하므로, 수소 공급 유량 변화에 따른 동적 특성을 극대화하여, 연료극 내부의 물 배출 및 연료극 내부 채널의 연료 흐름을 균일하게 할 수 있어 연료전지 셀 전압의 안정성을 개선하고, 순간적으로 많은 흡입 유량을 유도하여 수소 재순환량을 증가시키는 효과가 있다.Fifth, since the fuel supply amount can be precisely controlled, the dynamic characteristics according to the change of the hydrogen supply flow rate can be maximized, the water discharge inside the fuel electrode and the fuel flow in the channel inside the fuel electrode can be made uniform, , There is an effect of increasing the hydrogen recirculation amount by inducing a large amount of suction flow instantaneously.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 복동식 솔레노이드 방식의 비례 제어 밸브 및 이에 연동된 복수의 이젝터들을 포함하도록 구성하여, 측정된 스택입구압에 따라 복동식 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하여 변동 부하에 대하여 빠른 응답성을 가지며, 수소 연료의 공급 압력/유량을 정밀하게 제어할 수 있는 연료 공급 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel supply system for a fuel cell system, including a double acting solenoid proportional control valve and a plurality of ejectors associated therewith, Provided is a fuel supply device capable of controlling the opening / closing of a valve to have a quick response to a fluctuating load and precisely controlling the supply pressure / flow rate of the hydrogen fuel.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시하고 있는 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되는 연료에 대한 연료극 측의 압력 및 공기극 측의 압력의 시스템 부하에 대한 바람직한 실시예의 그래프를 도시하고 있다.FIG. 3 is a schematic view showing a fuel cell system including a fuel supply device according to the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel supply device according to the present invention, And a system load of pressure on the cathode side.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소 가스를 저장하는 수소 탱크(110)로부터 공급되는 수소 가스가 압력 조절을 위한 비례 제어 밸브(120)를 통하여 적당한 압력으로 감압되어 이젝터들(131, 132)을 통하여 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급되고, 연료전지 스택으로 공급된 수소 가스는 공기 블로워(150)를 통하여 공기극으로 주입된 공기 중 산소와 반응하여 연료전지 스택에서 전기 에너지가 생성되도록 구성된다. 이 때, 반응에 참여하지 못한 수 소는 이젝터 및 재순환 블로워를 통하여 재순환되어 다시 공급되거나 퍼지 밸브(160)를 통하여 외부로 배출된다.3, in the fuel cell system 100 according to the present invention, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 110 storing the hydrogen gas is supplied through the proportional control valve 120 for controlling the pressure to an appropriate pressure Is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 140 through the ejectors 131 and 132. The hydrogen gas supplied to the fuel cell stack reacts with oxygen in the air injected into the air electrode through the air blower 150, So that electrical energy is generated in the cell stack. At this time, the hydrogen which has not participated in the reaction is recycled through the ejector and the recycle blower and supplied again, or is discharged to the outside through the purge valve 160.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택으로 공급되는 수소 가스의 스택 입구압을 측정할 수 있도록 압력 센서(161)를 연료전지 스택 입구에 설치하고, 스택 입구압의 측정값을 토대로 비례제어 밸브의 개폐 정도를 제어하여 수소 가스의 공급 유량 및 압력을 제어하도록 구성된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 스택 출구압을 측정하기 위한 압력 센서(162)를 설치하고, 이를 통하여 측정된 스택 출구압을 토대로 제어를 수행하도록 구성할 수 도 있이며, 경우에 따라서는 보다 안전한 제어를 위하여 스택 입구압 및 스택 출구압을 병행적으로 측정하여 일측의 측정 이상 발생에도 유연하게 대처할 수 있도록 구성할 수 있다.Meanwhile, in the fuel cell system according to the present invention, the pressure sensor 161 is installed at the inlet of the fuel cell stack so that the stack inlet pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack can be measured, and based on the measured value of the stack inlet pressure, Closing degree of the control valve to control the supply flow rate and pressure of the hydrogen gas. In this case, as shown in FIG. 3, it is also possible to provide a pressure sensor 162 for measuring the stack outlet pressure, and to perform control based on the measured stack outlet pressure through it, The stack inlet pressure and the stack outlet pressure can be measured in parallel for more secure control, so that it is possible to flexibly cope with a measurement abnormality occurring in one side.

이 경우, 공기극 측에 대한 압력과 연료극 측의 압력이 서로 대응되도록 설정하기 위하여, 도 3에서와 같이, 공기 블로워를 통하여 공기극으로 공급되는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(163)를 설치하여, 도 4에서처럼, 측정된 공기극압에 비하여 연료극압이 일정 수준 높은 압력을 갖도록 설정함이 바람직하다.In this case, in order to set the pressure on the air electrode side and the pressure on the fuel electrode side to correspond to each other, a pressure sensor 163 for measuring the pressure of the air supplied to the air electrode through the air blower is provided , It is preferable to set the anode pressure to be higher than the measured cathode air pressure as shown in FIG.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에서는 연료극으로 수소를 공급할 수 있도록 연결된 다수의 이젝터를 포함하며, 상기 다수의 이젝터들은 각 운전 부하 구간에 따라 효율적으로 작동되도록 서로 다른 직경을 갖는 노즐 및 디퓨져로 구성된 다수의 이젝터로 이루어져, 부하 변동에 따른 연료의 흡입 성능 및 수소 재순환 성능을 충분히 확보할 수 있도록 구성한다. 첨부된 도 3에는 저부하 운전 구간을 위한 작은 노즐 직경의 제1이젝터(131)와 고부하 운전 구간을 위하여 보다 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터(132)의 2개의 이젝터로 구성하였으나, 더욱 정밀한 제어가 요구되는 경우, 3개 이상의 이젝터로 구성할 수 있음은 본 발명에 관한 분야에 통상의 지식을 가진자에게는 자명한 구성에 해당하므로, 구체적인 설명은 생략한다.In the fuel supply system of the fuel cell system according to the present invention, a plurality of ejectors connected to supply hydrogen to the fuel electrode are provided. The plurality of ejectors are connected to a nozzle and a diffuser And is configured to sufficiently secure the suction performance and the hydrogen recirculation performance of the fuel according to the load variation. In FIG. 3, the first ejector 131 having a small nozzle diameter for a low-load operation period and the second ejector 132 having a larger nozzle diameter for a high-load operation period are configured. However, It may be constituted by three or more ejectors as it is obvious to a person skilled in the art in the field of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted.

도 3에 도시된 연료전지 시스템의 비례 제어 밸브(120)는 선형/비선형의 밸브 위치를 제어하여 상기한 이젝터들로 공급되는 수소 연료의 유량/압력을 조절하는 비례 제어 솔레노이드 밸브로서, 공급 전류를 측정하거나 또는 역기전력(Back ElectroMagnetic Force :BEMF)을 이용하여 무센서 방식으로 밸브 위치를 결정하여 이젝터로 공급되는 수소 가스에 대한 이젝터 입구압을 조절함으로써 수소 공급 유량을 제어한다. 따라서, 솔레노이드 밸브가 갖는 빠른 응답성을 통하여, 본 발명의 연료 공급 장치는 시스템 부하 변동에 빠르게 응답하여 연료전지 시스템의 성능 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 측정된 스택 입구압을 통하여 시스템에서 요구되는 수소 가스의 유량과 압력 조건을 자유로이 조절할 수 있어 보다 정밀한 제어가 가능하다.The proportional control valve 120 of the fuel cell system shown in FIG. 3 is a proportional control solenoid valve for controlling the linear / non-linear valve position to control the flow rate / pressure of the hydrogen fuel supplied to the ejectors, Or the valve position is determined by a non-sensor type using a back electromagnet (BEMF), and the hydrogen supply flow rate is controlled by controlling the ejector inlet pressure to the hydrogen gas supplied to the ejector. Therefore, through the quick response of the solenoid valve, the fuel supply apparatus of the present invention can greatly improve the performance and durability of the fuel cell system in response to the system load fluctuation, It is possible to freely control the flow rate and pressure conditions of the hydrogen gas, thereby enabling more precise control.

본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 바람직한 일구현예는 첨부된 도 5에 도시되어 있다.A preferred embodiment of the fuel supply apparatus including the proportional control solenoid valve according to the present invention is shown in FIG. 5 attached hereto.

도 5는 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 단면도로서, 수소 가스 공급을 제어하기 위한 비례 제어 솔레노이드 밸브가 포함된 연료 공급 장치의 구체적인 구성을 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 공급 장치는 셧 오프(Shut off) 밸브(201)의 개폐에 따라 공급 유로(202)를 통하여 연료 공급 장치 내로 수소 가스가 공급되고, 공급된 수소 가스는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브(210, 220)를 개방함으로써 대응하는 이젝터(미도시) 측으로 유입되도록 구성된다. 상기 연료 공급 장치는 다수의 이젝터에 대응하는 복수개의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함하도록 구성하고, 각각의 제어기를 통하여 각 비례 제어 솔레노이드 밸브가 독립적으로 제어되도록 구성한다. 상기 비례 제어 솔레노이드 밸브 각각은 솔레노이드 코일(211, 221)의 전자기력 및 스프링 탄성(212, 222)에 의하여 작동되는 밸브 스템(213, 223)에 연결된 밸브 플랜져(214, 224)의 상하 운동에 의하여 각각 독립적으로 개폐되며, 밸브 플랜져(214, 224)의 하강시 형성되는 환형 유로(215, 225)를 거쳐 대응하는 이젝터로 연결된 연료 공급홀(216, 226)을 통하여 공급된다.5 is a cross-sectional view of a fuel supply apparatus including a proportional control solenoid valve according to the present invention, and shows a specific configuration of a fuel supply apparatus including a proportional control solenoid valve for controlling the supply of hydrogen gas. As shown in FIG. 5, the fuel supply device according to the present invention is configured such that hydrogen gas is supplied into the fuel supply device through the supply passage 202 in accordance with opening and closing of a shut off valve 201, Gas is configured to flow into the corresponding ejector (not shown) side by opening each proportional control solenoid valve 210, 220. The fuel supply device includes a plurality of proportional control solenoid valves corresponding to a plurality of ejectors, and each proportional control solenoid valve is independently controlled through each controller. Each of the proportional control solenoid valves is controlled by up and down movement of valve flanges 214 and 224 connected to valve stems 213 and 223 operated by the electromagnetic forces of the solenoid coils 211 and 221 and spring resilience 212 and 222 And is supplied through fuel supply holes 216 and 226 connected to corresponding ejectors via annular flow paths 215 and 225 formed when the valve flanges 214 and 224 descend.

본 발명에 따른 연료 공급 장치의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 서로 다른 유량 특성을 갖도록 형성된 기하학적 형상 구조를 갖는 밸브 플랜져(214, 224)를 갖도록 설계된다. 본 발명의 바람직한 일구현예로서, 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 복동식 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저유량 운전에 적합한 제1비례 제어 솔레노이드 밸브(210)와 고유량 운전에 적합한 제2비례 제어 솔레노이드 밸브(220)로 구성되고, 각각의 밸브 플랜져는 작은 노즐 직경을 갖는 이젝터와 연결되어 저부하 구간에서 작동하도록 설정된 제1비례 제어 솔레노이드 밸브의 제1밸브 플랜져(214)와 큰 노즐 직경을 갖는 이젝터와 연결되어 고부하 구간에서 작동하도록 설정된 제2비례 제어 솔레노이드 밸브의 제2밸브 플랜져(224)로 구성된다. 이 경우, 상기 제1밸브 플랜져는 저부하 운전시 또는 공회전(idle) 운전시와 같은 저부하 구간의 운행에 적합하도록 저유량의 수소 공급이 이루어지도록 형성되며, 이를 위하여 상기 제1밸브 플랜져가 개방되며 형성하는 환형 유로는 작은 유효 단면적을 갖도록 상대적으로 작은 크기로 설계된다. 반대로 고부하 운전시 작동하는 제2밸브 플랜져는 고부하 운전에 적합하도록 큰 부하 조건에서 큰 유량의 수소 가스를 빠르게 연료전지 스택으로 공급하여 연료극 압력추종을 충분히 가속할 수 있도록, 제2밸브 플랜져가 형성하는 환형 유로를 충분히 크게 설계한다. 한편, 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서는 비상 운전을 위한 비상 운전 밸브(203)를 구비하여, 고장 모드에서 비상 운전을 수행할 수 있도록 구성할 수 있다.The proportional control solenoid valve of the fuel supply apparatus according to the present invention is designed to have valve flanges 214, 224 having a geometrical configuration formed to have different flow characteristics. As a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, the two double acting proportional control solenoid valves include a first proportional control solenoid valve 210 suitable for low flow operation and a second proportional control solenoid valve 210 suitable for high flow operation. Each of the valve flanges is connected to an ejector having a small nozzle diameter and is connected to a first valve flange 214 of a first proportional control solenoid valve that is set to operate in a low load period and a second valve flange 214 of a large proportional control solenoid valve, And a second valve flange 224 of a second proportional control solenoid valve connected to an ejector having a nozzle diameter and configured to operate in a high load section. In this case, the first valve flange is formed so as to supply hydrogen at a low flow rate so as to be suitable for the operation of a low load section such as a low load operation or an idle operation, And the formed annular flow path is designed to have a relatively small size so as to have a small effective cross-sectional area. On the other hand, the second valve flange, which operates in the high load operation, is designed so that the second valve flanger can sufficiently accelerate fuel pressure follow-up by supplying hydrogen gas at a large flow rate to the fuel cell stack rapidly under a large load condition The annular flow path to be formed is designed to be sufficiently large. In the meantime, the fuel supply apparatus according to the present invention is provided with the emergency operation valve 203 for emergency operation so that the emergency operation can be performed in the failure mode.

도 6은 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서 부하에 따라 두 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 밸브 위치가 조절되면서 변동되는 유량을 도식적으로 나타낸 그래프이다. 도 6에서 그래프의 기울기는 밸브 개방 정도에 따른 유량의 변화율을 의미하는 것으로, 제1비례 제어 솔레노이드 밸브는 작은 기울기를 가지고, 제2비례 제어 솔레노이드 밸브는 큰 기울기를 갖는 직선에 해당한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 저부하용 및 고부하용의 두 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함하는 연료 공급 장치의 경우, 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 소정의 저부하 운전구간에서 작동된 후, 고용량의 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 개방되어 시스템 부하를 충분히 추종할 수 있을 만큼의 수소 가스 유량을 빠른 응답 속도로 제공하도록 구성된다. 이 때, 각 운전 구간의 작동 범위는 차량 운행 조건에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 바람직하게는, 저유량 운전 구간, 즉, 제1비례 제어 솔레노 이드 밸브의 개방으로 공급되는 연료의 유량은 차량의 최대 연료소모량의 10 ~ 50%에 해당되는 유량으로 설계한다.FIG. 6 is a graph schematically showing a flow rate of a fuel supplied to the fuel supply apparatus according to the present invention while varying the valve position of two proportional control solenoid valves according to a load. In FIG. 6, the slope of the graph means the rate of change of the flow rate according to the valve opening degree. The first proportional control solenoid valve has a small slope and the second proportional control solenoid valve corresponds to a straight line having a large slope. Therefore, as shown in FIG. 6, in the case of the fuel supply apparatus including two proportional control solenoid valves for low load and high load, after the first proportional control solenoid valve is operated in a predetermined low load operation period, The second proportional control solenoid valve of a high capacity is opened to provide a hydrogen gas flow rate at a high response speed sufficient to sufficiently follow the system load. At this time, the operation range of each operation section can be appropriately selected in accordance with the vehicle operation conditions. Preferably, the flow rate of the fuel supplied to the low flow operation section, that is, the opening of the first proportional control solenoid valve, Of the maximum fuel consumption.

도 7은 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 또 다른 바람직한 일구현예에 대한 단면도이다. 도 7의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 도 5에서와 마찬가지로, 솔레노이드 코일(311, 321), 스프링(312, 322)의 작동으로 상하 운동할 수 있는 밸브 스템(313, 323) 및 밸브 플랜져(314, 324)를 구비한 복동식의 비례 제어 솔레노이드 밸브들을 포함하여 구성되며, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 대응되는 이젝터(330, 340)로 연결되도록 구성된다. 따라서, 압력 센서를 통해 측정된 스택 입구압을 기준으로 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방에 따라 입구측에서 공급되는 수소 가스가 이젝터를 경유하여 연료전지 스택으로 공급되도록 구성된다.7 is a cross-sectional view of another preferred embodiment of the fuel supply apparatus including the proportional control solenoid valve according to the present invention. The proportional control solenoid valve of Fig. 7 includes solenoid coils 311 and 321, valve stems 313 and 323 which can move up and down by the action of springs 312 and 322, and valve flanges 314 and 322, 324, and each proportional control solenoid valve is configured to be connected to a corresponding ejector (330, 340). Therefore, the hydrogen gas supplied from the inlet side is supplied to the fuel cell stack via the ejector in accordance with the opening of each proportional control solenoid valve based on the stack inlet pressure measured through the pressure sensor.

반면에, 도 7에 도시된 바와 같은 구성의 비례 제어 솔레노이드 밸브에서는 밸브 스템을 아래로 미는 형태로 구성된 도 5의 구현예와는 달리, 밸브 스템을 위로 당겨서 밸브를 개방하는 형태로서 구성되어, 밸브 형상 설계에 있어서 높은 자유도를 제공한다. 즉, 도 5의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 밸브를 밀어서 여는 방식이므로, 최초 밸브 개방 시, 가장 직경이 넓은 밸브 플랜져 부분에서 가장 작은 유량을 제어할 수 있도록 설계되어야 하기 때문에 설계의 제약을 받을 수 있다. 이에 반해, 도 7의 비례 제어 솔레노이드 밸브들은 밸브 스템을 위로 당겨서 밸브를 개방하는 방식이므로, 밸브 플랜져의 형상을 뾰족한 니들 형상으로 설계할 수 있어 작은 유량 제어가 용이한 장점이 있다. 또한, 밸브 플랜져를 니들 형상으로 구성함 으로써 노즐의 목의 크기를 보다 작게 설계할 수 있어, 작은 유량 조건에서 보다 큰 흡입효율로 인한 충분한 재순환 유량이 확보되는 장점이 있다.In contrast, in the proportional control solenoid valve having the configuration as shown in FIG. 7, unlike the embodiment of FIG. 5 configured to push the valve stem downward, the valve is configured to open the valve by pulling up the valve stem, Providing a high degree of freedom in shape design. That is, since the proportional control solenoid valve of FIG. 5 is a method of pushing and opening the valve, designing may be restricted because it must be designed to control the smallest flow rate at the valve flange portion having the largest diameter at the time of opening the valve . On the other hand, since the proportional control solenoid valves of FIG. 7 pull the valve stem up to open the valve, the shape of the valve flange can be designed to be a sharp needle shape, which facilitates control of a small flow rate. In addition, since the nozzle flange is formed into a needle shape, the size of the neck of the nozzle can be designed to be smaller, and a sufficient recirculating flow rate can be ensured due to a larger suction efficiency under a small flow rate condition.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료 공급 장치에서는 수소 가스의 공급 압력/유량에 대한 정밀 제어가 가능하며, 시간에 따라 수소 공급 유량의 변화를 주어 공급 유량의 동적인 특성을 극대화시킬 수 있는 연료 공급 장치를 구현할 수 있다.In the fuel supply device of the present invention having the above-described configuration, it is possible to precisely control the supply pressure / flow rate of the hydrogen gas, and to change the hydrogen supply flow rate with time, thereby maximizing the dynamic characteristics of the supply flow rate. Supply device can be implemented.

한편, 도 8은 이러한 방식으로 제어된 연료 공급 장치의 시간에 대한 연료의 유량/압력 곡선으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 부하와 관계 없이 연료전지 스택의 운전 상태를 모니터링하고, 필요에 따라 시간에 대한 수소 공급 유량의 변화 또는 맥동을 줌으로써, 연료극 내부의 물을 배출하고 연료극 내부 채널에서의 연료의 흐름을 균일하도록 할 수 있다. 따라서, 수소 공급 유량이 시간에 따라 변화하도록 제어기로 제어함으로써, 저부하 운전 구간에서는 스택 채널 내의 응축수 배출 및 연료전지의 불안정을 해결할 수 있으며, 고부하 운전 구간에서는 수소 재순환량이 증가와 불안정 유동(unsteady flow)의 특성을 활용할 수 있다. On the other hand, FIG. 8 is a flow rate / pressure curve of the fuel with respect to time of the fuel supply device controlled in this manner, as shown in FIG. 8, the operating state of the fuel cell stack is monitored regardless of the load of the fuel cell system , And if necessary, by changing the hydrogen supply flow rate or pulsation with respect to time, it is possible to discharge the water inside the fuel electrode and make the flow of the fuel in the channel inside the fuel electrode uniform. Therefore, by controlling the hydrogen supply flow rate with the controller to change with time, it is possible to solve the discharge of the condensed water in the stack channel and the instability of the fuel cell in the low load operation period. In the high load operation period, the hydrogen recirculation amount increases and the unsteady flow ) Can be utilized.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 사인파 형태로 진동하는 압력 및 유량 곡선을 통하여, 파동에 따른 공급 유량 변동에 의하여 연료극 채널 내부 유로의 응축수를 배출할 수 있으며, 연료전지 스택의 가스확산층(Gas Diffusion Layer) 내부로 연료 공급이 원활해짐에 따라 셀 전압(Cell Voltage) 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 저유량 운전 조건에서는 유량이 작기 때문에, 일시적인 유량 증가가 연료전지 스택 전체 유동이 균일하게 흐르도록 작용할 수 있으며, 불안정 유동(unsteady flow)의 특성을 이용하여 물배출이 가능하다. 그리고, 이젝터 흡입 효율은 유량이 증가함에 따라 비선형적인 특성에 따라 커지므로, 일시적인 유량 증가는 상대적으로 증가한 흡입 유량을 유도하여 보다 큰 재순환량을 확보할 수 있도록 한다.That is, as shown in FIG. 8, the condensed water in the fuel channel internal flow path can be discharged through the pressure and the flow rate curve oscillating in the sinusoidal wave form, Diffusion Layer), the stability of the cell voltage can be improved. In addition, since the flow rate is small under the low-flow operation condition, the increase in the flow rate can act to uniformly flow the flow of the fuel cell stack, and the water can be discharged using the characteristic of the unsteady flow. Since the ejector suction efficiency increases with nonlinear characteristics as the flow rate increases, the temporary increase in flow rate induces a relatively increased suction flow rate, thereby securing a larger recirculation amount.

한편, 고부하 운전 구간에서는, 도 9에 도시된 것처럼, 가속과 같은 연료전지 시스템의 부하 증가에 대하여, 정적인 부하에 따른 연료 유량에 비하여 큰 유량의 수소 가스를 공급하도록 제어하여, 일시적으로 많은 잉여 연료 발생 및 재순환량을 증가시키고 충분한 이론 공연비(Stoichiometric Ratio: SR)를 제공할 수 있으며, 물 배출 성능을 향상시켜 고출력에서 연료극 플러딩(Flooding) 발생을 방지할 수 있다.On the other hand, in the high-load operation period, as shown in Fig. 9, it is controlled to supply the hydrogen gas at a large flow rate to the increase of the load of the fuel cell system such as acceleration, compared with the fuel flow rate depending on the static load, It is possible to increase the fuel generation and recirculation amount, to provide a sufficient stoichiometric ratio (SR), to improve the water discharge performance, and to prevent the occurrence of fuel electrode flooding at high output.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 장치의 응답성을 더욱 향상시키기 위해서는, 비례 제어 솔레노이드 밸브에 대한 제어기를 통하여 연료 공급 장치를 디더링(Dithering) 제어할 수 있으며, 첨부된 도 8에서는 이러한 디더링 제어 방식의 제어 신호를 도시하고 있다.In order to further improve the responsiveness of the fuel supply system of the fuel cell system according to the present invention, the fuel supply device may be controlled by dithering through a controller for the proportional control solenoid valve. A control signal of FIG.

디더링 제어란 주 전류에 비하여 작은 출력의 사인(sine)파를 주 전류에 실어 변조된 파형의 출력 전류로 제어하는 방식이다. 솔레노이드 밸브의 특성 상 일정 상태에서 밸브 위치 제어를 위하여 전류가 솔레노이드 코일에 인가되면 와전류가 발생하여 응답 특성이 지연되게 되는데, 솔레노이드 코일의 여자전류를 밸브 스템이 움직이지 않을 정도(출력 직류전류값의 0.05 ~ 0.15%)로 사인파 변조한 전류 출력을 솔레노이드 코일에 공급하여 와전류를 제거함으로써 응답 특성을 개선할 수 있다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 사인파 형태로 진동하고 있는 주 전류 신호에 주 전류에 비하여 작은 크기의 사인파를 합성하여 변조된 사인파 형태의 전류 신호로서 각 비례 제어 솔레노이드 밸브를 제어하는 제어기를 포함하도록 구성할 수 있다.The dithering control is a method in which a sine wave having a smaller output than the main current is applied to the main current and controlled by the output current of the modulated waveform. When the current is applied to the solenoid coil in order to control the valve position in a certain state due to the characteristics of the solenoid valve, the eddy current is generated and the response characteristic is delayed. The excitation current of the solenoid coil is set so that the valve stem does not move 0.05 to 0.15%) to the solenoid coil to remove the eddy current, thereby improving the response characteristic. Therefore, as shown in FIG. 9, a controller for controlling each proportional control solenoid valve as a sinusoidal current signal modulated by synthesizing a sinusoidal wave having a magnitude smaller than the main current in the main current signal oscillating in a sine wave form .

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.While the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that modifications and variations are possible in the elements of the invention without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made to the particular situation or material within the scope of the invention, without departing from the essential scope thereof. Therefore, the present invention is not limited to the detailed description of the preferred embodiments of the present invention, but includes all embodiments within the scope of the appended claims.

도 1은 종래 기술에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system including a fuel supply device according to the prior art;

도 2는 종래 기술에 따른 연료 공급 장치의 2중 스템 구조를 포함하는 레귤레이터의 단면도.2 is a cross-sectional view of a regulator including a double stem structure of a fuel supply apparatus according to the prior art;

도 3은 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도.3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system including a fuel supply device according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 부하에 대한 압력 그래프.4 is a graph of the pressure versus system load of a fuel cell system according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 단면도.5 is a sectional view of a fuel supply apparatus including a proportional control solenoid valve according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 밸브 위치에 따라 변동되는 유량에 대한 그래프.6 is a graph showing a flow rate fluctuating depending on a valve position of each proportional control solenoid valve in the fuel supply device according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 다른 일구현예의 단면도.7 is a cross-sectional view of another embodiment of a fuel supply apparatus including a proportional control solenoid valve according to the present invention;

도 8은 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 압력/유량 제어 그래프.8 is a pressure / flow control graph of the fuel supply apparatus according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 응답성 개선을 위한 디더링 제어의 전류 신호 그래프.9 is a graph showing current signals of dithering control for improving the responsiveness of the fuel supply device according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 >DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS used in main parts of the drawings

310: 제1비례 제어 솔레노이드 밸브 313: 제1밸브 스템310: first proportional control solenoid valve 313: first valve stem

314: 제1밸브 플랜져 315: 환형 유로314: first valve flange 315: annular flow passage

320: 제2비례 제어 솔레노이드 밸브 323: 제2밸브 스템320: second proportional control solenoid valve 323: second valve stem

324: 제2밸브 플랜져 330: 제1이젝터324: second valve flange 330: first ejector

340: 제2이젝터340: Second ejector

Claims (7)

연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서,1. A fuel supply apparatus for a fuel cell system, 독립적으로 작동되는 분리된 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와;A plurality of independently operated proportional control solenoid valves; 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되는 분리된 복수 개의 이젝터를;A plurality of ejectors separated to correspond to the plurality of proportional control solenoid valves, respectively; 포함하여 이루어지고, , &Lt; / RTI &gt; 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 하나의 하우징 내에 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.Wherein the plurality of proportional control solenoid valves are arranged in parallel in one housing. 청구항 1에 있어서, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방단은 니들 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.The fuel supply system according to claim 1, wherein the open ends of the plurality of proportional control solenoid valves are formed in a needle shape. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저부하 운 전시 작동하는 제1비례 제어 솔레노이드 밸브와; 고부하 운전시 작동하는 제2비례 제어 솔레노이드 밸브로 구성되며,2. The solenoid valve according to claim 1, wherein the plurality of proportional control solenoid valves comprise: a first proportional control solenoid valve operated in a low load operation; And a second proportional control solenoid valve that operates in a high load operation, 상기 복수 개의 이젝터는 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결된 제1이젝터와; 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결되고, 상기 제1이젝터에 비하여 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.The plurality of ejectors includes a first ejector connected to the first proportional control solenoid valve; And a second ejector connected to the second proportional control solenoid valve and having a larger nozzle diameter than the first ejector. 청구항 4에 있어서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며,5. The solenoid valve according to claim 4, further comprising a controller for controlling opening and closing of each proportional control solenoid valve, 상기 제어기는 연료전지 시스템의 최대 연료소모량에 대한 유량의 10 내지 50%의 유량 범위에서, 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 저부하 구간에서 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 고부하 구간으로 전환되도록 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.Wherein the controller is operable to control the flow rate of the fuel in a high load interval in which the second proportional control solenoid valve is operated in a low load interval in which the first proportional control solenoid valve is operated in a flow rate range of 10 to 50% And the operation of each proportional control solenoid valve is controlled so as to be switched. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 공급되는 유량 및 압력의 크기가 시간에 대하여 변동되는 사인파 형상의 파동으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.The solenoid valve according to any one of claims 1, 2, and 4, further comprising a controller for controlling the opening and closing of each proportional control solenoid valve, wherein the controller controls the flow rate of the syringe And the control unit controls the supply of the fuel to the fuel cell. 청구항 6에 있어서, 상기 제어기는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 디더링 제어 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.7. The fuel supply system according to claim 6, wherein the controller controls each proportional control solenoid valve in a dithering control manner.
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