KR101693928B1 - 연료전지 냉각 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 냉각 장치 및 방법에 관한 것으로서, 냉각 성능을 향상시켜 고온 지속상태에서의 전류 제한을 최소화 내지 회피하고, 이를 통해 연료전지의 운전 성능 및 차량의 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 냉각 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 공기공급관을 통해 연료전지 스택에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워; 공기공급관에서 분기되어 라디에이터 전방으로 연결되고 공기공급관으로부터 분배된 공기를 라디에이터 전방으로 토출하는 냉각공기배관; 냉각공기배관의 분기점에 설치되어 공기공급관으로부터 냉각공기배관으로의 공기 분배를 제어하기 위한 분배밸브; 및 냉각수 순환을 통한 스택 냉각이 이루어지는 동안 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하는 고온 유지 조건을 만족할 경우 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 라디에이터 방열을 위해 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지 냉각 장치와 이를 이용한 냉각 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 연료전지 냉각 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각 성능을 향상시켜 고온 지속상태에서의 전류 제한을 최소화 내지 회피하고, 이를 통해 연료전지의 운전 성능 및 차량의 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 냉각 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 반응기체의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 열을 외부로 방출시켜 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함한다.
통상의 차량용 연료전지 시스템에서 수소공급장치는 수소 탱크에 저장된 고압 수소를 레귤레이터를 통해 압력 조절하여 연료전지 스택에 공급하고, 공기공급장치는 공기블로워에 의해 공급되는 공기를 가습기를 통해 가습한 후 연료전지 스택에 공급하도록 구성된다.
또한, 연료전지 차량은 주행을 위한 구동원으로 전기모터를 이용하고, 연료전지 스택 또는 배터리의 직류전압을 교류전압으로 변환하여 전기모터를 구동시키는 인버터를 가진다.
또한, 연료전지 스택은 반응기체인 수소와 산소의 전기화학 반응 과정에서 반응부산물로 열과 물을 배출하는데, 스택이 최적의 출력성능을 내도록 하기 위해서는 시동시나 운전 중 스택의 온도를 최적의 온도로 관리해주어야 하고, 스택 내부에서 생성된 물(스택 생성수)의 배출을 원활하게 해주어야 한다.
따라서, 시동시 스택 온도를 신속히 상승시키고 운전 중 스택 온도를 최적 온도로 유지시키며 스택 생성수를 외부로 배출하기 위한 열 및 물 관리 시스템의 이용이 필수적이다.
또한, 열 및 물 관리 시스템에서 연료전지 스택의 온도를 적정 온도로 유지하기 위해 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 장치 구성은, 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터 및 라디에이터 팬, 연료전지 스택과 라디에이터 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인, 라디에이터를 통과하지 않도록 냉각수를 선택적으로 바이패스시키기 위한 바이패스 라인 및 3-웨이 밸브, 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프를 포함한다.
이와 같은 연료전지 냉각 장치에서는 워터펌프를 구동하여 연료전지 스택과 라디에이터, 3-웨이 밸브 사이의 냉각수 순환라인을 따라 냉각수를 순환시키면서 스택 발전시에 발생하는 열을 라디에이터를 통해 외부로 방출한다.
또한, 상기한 수냉식 냉각 장치에서 연료전지 스택의 냉각을 위해 냉각수의 순환이 이루어지는 동안 라디에이터 팬이 구동되고, 라디에이터에서 라디에이터 팬에 의해 유입되는 외기 또는 주행풍과의 열교환을 통해 냉각수의 열을 외부로 방출하게 된다.
이 과정에서 제어기는 센서에 의해 검출되는 스택 온도를 입력받으며, 스택 냉각이 필요한 상황에서 스택 온도를 목표 온도로 유지하기 위해 워터펌프, 라디에이터 팬, 3-웨이 밸브 등을 제어하여 냉각수를 통한 스택 냉각을 수행한다.
한편, 높은 외기온 환경에서 차량이 오랜 시간 등판 주행을 할 경우, 또는 냉각수 수량이 부족할 경우 등의 여러 상황에서, 냉각수가 라디에이터에서 적절히 냉각되지 못하고 스택 온도가 고온 상태로 유지되는 상황이 빈번히 발생하기도 한다.
장기 등판과 같은 상황에서 운전자 요구에 따라 장기적인 스택 고출력이 필요하지만, 외기온이 높고 등판에 의해 주행풍이 약한 상황에서는 냉각수의 온도가 지속적으로 상승하고, 결국 충분히 냉각되지 못한 라디에이터의 냉각수가 스택 내 온도를 적절히 유지시키지 못한다.
이러한 경우 워터펌프와 라디에이터 팬이 최대로 구동되어도 스택에 대한 목표 온도 유지 제어가 어려워진다.
이러한 상황에서 연료전지 시스템은 고온 상황을 막고 연료전지 스택을 보호하기 위해 도 1에 예시한 바와 같이 스택의 전류 출력을 제한하여 동작점을 변화시키는 전류 제한 제어를 수행하는데, 이러한 전류 제한이 수행될 경우 연료전지의 운전 성능과 차량 주행 성능은 저하된다.
더욱이 전류 제한에 의한 스택 저출력 상황이 지속되면, 반응에 의한 스택 내 생성수가 적어지고, 냉각 성능 부족으로 인해 지속되는 고온 상태에서 결국 스택 드라이-아웃(dry-out) 상황이 초래되어 연료전지 시스템의 효율 저하는 물론 내구에도 악영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 냉각 성능을 향상시켜 고온 지속상태에서의 전류 제한을 최소화 내지 회피하고, 이를 통해 연료전지의 운전 성능 및 차량의 주행 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 냉각 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 냉각수 열을 방출하기 위한 라디에이터 및 라디에이터 팬, 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 위한 냉각수 순환라인, 라디에이터에 대해 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스 라인 및 3-웨이 밸브, 냉각수를 순환시키기 위한 워터펌프를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 냉각 장치에 있어서, 공기공급관을 통해 연료전지 스택에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워; 공기공급관에서 분기되어 라디에이터 전방으로 연결되고 공기공급관으로부터 분배된 공기를 라디에이터 전방으로 토출하는 냉각공기배관; 냉각공기배관의 분기점에 설치되어 공기공급관으로부터 냉각공기배관으로의 공기 분배를 제어하기 위한 분배밸브; 및 냉각수 순환을 통한 스택 냉각이 이루어지는 동안 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하는 고온 유지 조건을 만족할 경우 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 라디에이터 방열을 위해 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하는 연료전지 냉각 장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 연료전지 스택의 온도를 입력받는 단계; 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 통한 스택 냉각이 이루어지는 동안 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하는 고온 유지 조건을 만족하는지를 판단하는 단계; 상기 고온 유지 조건을 만족할 경우, 공기공급관을 통해 연료전지 스택에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워에 의해 공급되는 공기가, 상기 공기공급관에서 분기되어 라디에이터 전방으로 연결된 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 단계; 및 상기 공기공급관에서 냉각공기배관으로 분배된 공기가 라디에이터 전방으로 토출되면서 라디에이터 방열이 이루어지는 단계를 포함하는 연료전지 냉각 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 냉각 장치 및 방법에 의하면, 공기에 의한 냉각 성능 추가 확보로 고온 전류 제한을 최소화 내지 회피할 수 있고, 차량의 주행 성능 및 연료전지의 운전 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 고온 상황에서 전류 제한에 의한 저출력 상황 유지시 드라이-아웃 발생 가능성이 증가하는데(저출력에 의해 생성수는 적은 반면 고온 상황이므로 스택의 드라이-아웃이 발생함), 이러한 드라이-아웃 발생을 방지할 수 있고, 스택의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 스택의 고온 유지 상황에서 스택 전류 출력 제한이 이루어짐을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 냉각 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 냉각 방법에 의해 고온 전류 제한의 최소화가 가능함을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 공기 유량 분배를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 공기 유량 결정 과정을 포함하여 도시한 냉각 과정의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 냉각 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 냉각 방법에 의해 고온 전류 제한의 최소화가 가능함을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 공기 유량 분배를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에서 공기 유량 결정 과정을 포함하여 도시한 냉각 과정의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 냉각 성능을 향상시켜 고온 지속상태에서의 전류 제한을 최소화 내지 회피하고, 이를 통해 연료전지의 운전 성능 및 차량의 주행 성능을 향상시키는데 목적이 있는 것이다.
이를 위해 공기블로워와 냉각공기배관을 이용하여 냉각을 위한 추가적인 공기를 라디에이터에 공급함으로써 라디에이터의 방열 성능을 향상시키는 방법이 제시된다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 냉각 장치는 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(11) 및 라디에이터 팬(12), 연료전지 스택(10)과 라디에이터(11) 사이에 냉각수가 순환될 수 있도록 연결되는 냉각수 순환라인(13), 라디에이터(11)를 통과하지 않도록 냉각수를 선택적으로 바이패스시키기 위한 바이패스 라인(14) 및 3-웨이 밸브(15), 냉각수를 펌핑하여 순환시키기 위한 워터펌프(16)를 포함한다.
이에 더하여, 본 발명의 연료전지 냉각 장치는 공기공급관(18)을 통해 연료전지 스택(10)에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워(17), 상기 공기공급관(18)에서 분기되어 라디에이터(11) 전방으로 연결되고 라디에이터 방열을 위해 상기 공기공급관(18)으로부터 분배된 공기를 라디에이터 전방으로 공급하여 토출하는 냉각공기배관(20)과, 상기 공기공급관(18)에서 냉각공기배관(20)의 분기점에 설치되어 공기공급관(18)으로부터 냉각공기배관(20)으로의 공기 분배를 제어하는 분배밸브(19)를 포함한다.
이러한 구성에서, 냉각공기배관(20)은 공기블로워(17)에 의해 공급되는 공기 중 일부를 공기공급관(18)으로부터 분배받아 라디에이터(11) 전방으로 공급하는 배관으로서, 냉각공기배관(20)으로 분배되어 라디에이터 전방, 보다 상세히는 라디에이터 팬(12) 전방으로 토출되는 공기는 라디에이터의 방열을 위해, 즉 라디에이터의 냉각수를 냉각하는데 사용된다(토출 공기와 라디에이터 내 냉각수 간의 열교환이 이루어지도록 함).
상기 분배밸브(19)는 미도시된 제어기에 의해 냉각공기배관(20)으로의 개도량이 제어되는 전자식 유량조절밸브로서, 공기블로워(17)의 구동시 스택(10)으로 공급되는 공기 중 개도량에 따라 조절된 유량의 공기를 냉각공기배관(20)으로 분배한다.
이와 같이 라디에이터(11)의 방열 및 냉각수 냉각을 위해 공기블로워(17)에 의해 공급되는 공기를 추가적으로 사용함으로써 라디에이터의 방열 성능 및 연료전지 냉각 성능을 증대시킬 수 있다.
본 발명에서 공기블로워(17)와 냉각공기배관(20)을 이용하는 냉각은 연료전지 스택(10)의 장기 고온 유지 상황과 공기블로워에서 최대 구동 허용치에 대해 구동 여유가 존재할 때 수행된다.
또한, 본 발명에서 공기블로워(17)와 냉각공기배관(20)을 이용하는 냉각은 기존의 냉각 장치 구성요소에 의해 수행되는 스택 냉각, 즉 워터펌프(16) 및 라디에이터 팬(12)의 구동과 3-웨이 밸브(19)의 제어하에 라디에이터(11)와 연료전지 스택(10) 사이를 순환하는 냉각수에 의해 이루어지는 스택 냉각을 보조하게 된다.
일반적으로 연료전지 스택(10)의 고온 저출력 상태로 장시간 주행시 스택 내 고온 상태를 회피하기 위해 도 1에 나타낸 바와 같이 스택 출력을 제한하는 전류 제한 모드가 수행된다.
이러한 고온 전류 제한시에는 제어기가 스택 온도를 목표 온도로 유지하기 위한 장치 제어, 즉 워터펌프(16) 및 라디에이터 팬(12)의 구동 제어, 3-웨이 밸브(15)의 제어를 수행한다.
또한, 전류 제한시에는 스택(10)으로 공급되는 공기 유량도 줄이므로 공기블로워(17)의 구동도 감소하고, 최대 구동 허용치에 비해 크게 낮은 공기블로워(17)의 성능만이 이용된다.
즉, 공기블로워(17)의 회전수를 낮추고 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기 유량을 줄이는 것인데, 이때 공기블로워에 있어 구동 여유(margin)가 발생하며, 본 발명에서는 이러한 구동 여유를 이용하여 공기블로워(17)를 구동시키되, 구동 여유에 의한 추가적인 공기를 공기 냉각공기배관(20)을 통해 분배하여 라디에이터(11)로 토출시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 냉각 과정을 나타내는 순서도로서, 도시된 바와 같이 냉각 성능 향상을 위해 공기블로워(17)와 냉각공기배관(20)을 이용하여 냉각수를 냉각시키는 냉각 보조 제어 과정이 수행된다.
먼저, 제어기가 스택 온도를 입력받으며(S11), 여기서 스택 온도는 온도센서에 의해 검출되는 스택 출구단 냉각수 온도가 될 수 있다.
이어 제어기는 수신된 스택 온도로부터 스택이 장기 고온 유지 상황인지를 확인하는데(S12), 고온 유지 상황을 판단함에 있어 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하고 있는지를 확인한다.
또는 고온 유지 조건으로, 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상이고 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하고 있을 경우 고온 유지 상황인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
또는 고온 유지 조건으로, 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하이면서 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하고 있을 경우 고온 유지 상황인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
또는 고온 유지 조건으로, 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상이고 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하이면서 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하고 있을 경우 고온 유지 상황인 것으로 판단하도록 설정될 수 있다.
다음으로, 고온 유지 상황인 것으로 판단하고 나면, 공기블로워(17)의 구동 여유가 존재하는지를 판단하는데(S12), 이때 공기블로워의 최대 구동 허용치와 현재 구동치를 비교하여 판단한다.
여기서, 최대 구동 허용치와 현재 구동치는 각각 공기블로워의 최대 허용 회전수(rpm)와 현재 구동 회전수(rpm)가 될 수 있으며, 여기서 현재 구동 회전수는 공기블로워의 구동 제어를 위해 알고 있는 값(제어 목표값) 또는 회전수 센서에 의해 검출되는 실측값이 될 수 있다.
또는 최대 구동 허용치는 공기블로워의 최대 허용 공급 유량을, 현재 구동치는 공기블로워가 공기공급관을 통해 공급하는 공기 공급 유량이 될 수 있고, 여기서 공기 공급 유량은 유량 센서에 의해 검출될 수 있다.
이와 같이 공기블로워의 최대 구동 허용치(회전수 또는 유량)와 현재 구동치를 비교할 경우 구동 여유가 존재하는지를 판단할 수 있다.
다음으로, 공기블로워(17)의 구동 여유가 존재하는 것으로 판단한 경우, 스택 온도를 목표 온도로 유지하기 위해 냉각수 순환 및 라디에이터 방열을 통한 통상의 냉각 제어를 수행함과 동시에 공기블로워(17)와 냉각공기배관(20)을 이용하는 냉각 보조 제어를 수행한다(S14,S15).
즉, 워터펌프(16)와 라디에이터 팬(12)을 구동시키고 3-웨이 밸브(15)를 통해 라디에이터(11)로 냉각수를 순환시키며, 동시에 공기블로워(17)를 구동시키고 분배밸브(19)를 제어하여 공기블로워에 의해 공급되는 공기 중 일부를 냉각공기배관(20)을 통해 라디에이터(10) 전방으로 토출시키는 것이다.
결국, 라디에이터(10)로 토출되는 공기에 의해 추가적인 냉각이 이루어지며, 냉각 성능 추가 확보를 통해 스택 온도를 효과적으로 낮출 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 외기온이 높고 충분한 주행풍이 확보되지 않는 상황에서 스택의 장기간 고출력이 요구될 때 냉각수 순환 및 라디에이터 방열을 통한 통상의 냉각 작동만으로는 스택 온도를 목표 온도로 유지하는 것이 어려우나, 본 발명에서는 장기적 고온 유지 상황에서 공기블로워의 구동 여유가 확보될 때 공기블로워를 이용하여 냉각 성능을 추가로 확보한다.
도 4는 본 발명의 냉각 방법에 의해 고온 전류 제한의 최소화가 가능함을 설명하기 위한 도면으로, 전술한 바와 같이 스택의 고온 유지 상황에서 전류 제한에 들어가면 공기블로워(17)와 냉각공기배관(20)을 이용하여 스택 냉각을 보조하는데, 도 4의 'a' 지점에서 고온 상황이 되면 스택 온도가 다시 회복될 때까지 전류 제한이 이루어지면서 연료전지의 운전점이 'b' 지점으로 옮겨지게 된다.
이때, 공기블로워(17) 및 냉각공기배관(20)을 이용한 냉각 보조가 수행될 경우 부족한 냉각 성능을 보충해주어 다시 운전점을 'c' 지점으로 회복시킬 수 있으며, 이는 연료전지 시스템이 냉각 보조에 의해 더 강한 냉각 성능을 가지게 되기 때문이다.
한편, 도 3의 순서도에서는 스택으로 공급되는 공기 유량과 냉각공기배관으로 공급되는 공기 유량의 분배 과정에 대해 나타내지 않았으나, 본 발명에서 제어기는 공기블로워(17)의 최대 허용 공급 유량(AF_max)과 스택 요구 공기 유량으로부터 냉각공기배관(20)으로의 공기 유량을 연산한 뒤 연산된 유량의 공기가 냉각공기배관(20)으로 분배될 수 있도록 분배밸브(19)의 구동을 제어한다.
도 5는 공기 유량의 분배를 설명하기 위한 도면으로, 'a', 'b', 'c'는 전류 제한이 이루어질 때를 나타내고 있는 도 4의 'a', 'b', 'c'와 동일한 운전점을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 스택(10)에서 출력을 내기 위해 요구되는 공기 유량(A)과 냉각 성능 향상을 위해 라디에이터(11)로 공급 및 토출되는 공기 유량(B)을 나타내고 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 공기블로워(17)의 최대 구동 허용치, 즉 최대 허용 공급 유량(AF_max)은 고정값으로 정해져 있으며, 냉각공기배관(20)을 통해 냉각에 사용되는 공기 유량과, 온도에 따라 스택에서 요구되는 공기 유량의 적절한 분배가 필요하다.
이때, 공기블로워(17)의 최대 허용 공급 유량(AF_max)과 스택(10)에서 출력을 내기 위한 공기 유량(A)을 고려하여 냉각공기배관(20)으로 분배되는 공기 유량(B)을 결정하는데, 스택(10)으로 공급되는 공기 유량(A)과 냉각공기배관(20)으로 분배되는 공기 유량(B)의 합이 공기블로워(17)의 최대 허용 공급 유량(AF_max)을 넘지 않는 범위에서 가능한 한 큰 스택 출력을 확보해야 한다.
바람직한 실시예에서, 냉각공기배관(20)으로 공급되는 공기 유량(B)은 아래의 수식에 의해 구해질 수 있다.
B = α(AF_max - A) - β
여기서, α는 냉각 공기 유량 가중치로서, 0 < α < 1의 범위에서 정해지는 설정값이고, AF_max는 공기블로워(17)의 최대 공급 허용 유량(최대 구동 허용치)을, A는 온도에 따라 스택(10)에서 요구되는 공기 유량을 나타낸다.
또한, β는 공기블로워(17)의 구동 여유를 두기 위한 공기 유량으로서, 0 ≤ β ≤ α(AF_max - A)의 값으로 설정된다.
상기 공기블로워(17)의 최대 공급 허용 유량(AF_max)은 미리 정해지는 고정 상수값이고, β는 공기블로워의 구동 여유를 확보하기 위한 옵셋(offset) 값으로, β를 0으로 설정할 경우 공기블로워를 최대 구동 허용치까지 사용함을 의미한다.
즉, 공기블로워의 구동 여유인 β의 공기 유량만큼을 사전에 0 ≤ β ≤ α(AF_max - A)의 값으로 설정하여 구동 여유를 가질 수 있도록 공기블로워를 구동시키고, 이때 β의 값이 0인 경우는 공기블로워의 최대 공급 허용 유량만큼을 모두 사용하여 B와 A의 공기 유량으로 분배하는 것이다.
반면, β를 α(AF_max - A)의 값으로 설정할 경우는 냉각공기배관(20)을 통한 냉각을 이용하지 않는다는 의미가 된다.
또한, α를 만약 1로 설정하고, β를 0으로 설정할 경우, 냉각공기배관(20)에 분배되는 공기 유량(B)으로 공기블로워(17)의 최대 공급 허용 유량(AF_max)과 스택 요구 공기 유량(A)의 차이값을 그대로 적용함을 의미한다.
상기 α값이 작을수록 차이값에 대한 영향도가 작아지며, α값이 큰 값을 가질수록 냉각공기배관(20)의 공기에 의한 냉각 효과가 클 수 있지만 동작점 'b'에서 'c'로의 너무 빠른 이동을 야기할 수 있으며, 극단적으로는 동작점 이동의 오실레이션(oscillation)을 발생시킬 우려가 있다.
또한, 상기 α값이 0에 가까울수록 냉각공기배관(20)으로 분배되는 공기 유량이 작아지므로 냉각 성능 향상의 효과는 작아지는바, 적절한 α값 설정이 필요하다.
상술한 바와 같은 공기 유량 결정 과정을 도 3의 순서도에 추가하여 도시하면 도 6과 같이 나타낼 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 냉각 보조 제어 과정은 온도에 따른 스택 요구 공기 유량 산출(S15-1), 냉각공기배관(20)으로의 분배 유량(B) 산출, 산출된 분배 유량으로 공기 분배가 이루어지도록 공기블로워(17) 및 분배밸브(19)를 제어하는 과정을 포함한다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 공기에 의한 냉각 성능 추가 확보로 고온 전류 제한을 최소화 내지 회피할 수 있고, 차량의 주행 성능 및 연료전지의 운전 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 고온 상황에서 전류 제한에 의한 저출력 상황 유지시 드라이-아웃 발생 가능성이 증가하는데(저출력에 의해 생성수는 적은 반면 고온 상황이므로 스택의 드라이-아웃이 발생함), 이러한 드라이-아웃 발생을 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 11 : 라디에이터
12 : 라디에이터 팬 13 : 냉각수 순환라인
14 : 바이패스 라인 15 : 3-웨이 밸브
16 : 워터펌프 17 : 공기블로워
18 : 공기공급관 19 : 분배밸브
20 : 냉각공기배관
12 : 라디에이터 팬 13 : 냉각수 순환라인
14 : 바이패스 라인 15 : 3-웨이 밸브
16 : 워터펌프 17 : 공기블로워
18 : 공기공급관 19 : 분배밸브
20 : 냉각공기배관
Claims (12)
- 냉각수 열을 방출하기 위한 라디에이터 및 라디에이터 팬, 연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 위한 냉각수 순환라인, 라디에이터에 대해 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스 라인 및 3-웨이 밸브, 냉각수를 순환시키기 위한 워터펌프를 포함하는 연료전지 차량의 연료전지 냉각 장치에 있어서,
공기공급관을 통해 연료전지 스택에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워;
공기공급관에서 분기되어 라디에이터 전방으로 연결되고 공기공급관으로부터 분배된 공기를 라디에이터 전방으로 토출하는 냉각공기배관;
냉각공기배관의 분기점에 설치되어 공기공급관으로부터 냉각공기배관으로의 공기 분배를 제어하기 위한 분배밸브; 및
냉각수 순환을 통한 스택 냉각이 이루어지는 동안 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하는 고온 유지 조건을 만족할 경우 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 라디에이터 방열을 위해 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 제어기를 더 포함하고,
상기 제어기는,
상기 고온 유지 조건을 만족할 경우 공기블로워의 최대 구동 허용치와 현재 구동치를 비교하여 공기블로워의 구동 여유가 존재하는지를 확인하고, 공기블로워의 구동 여유가 존재할 경우 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상이고 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어기는 공기블로워에 의해 공급되는 공기 중에 하기 식 1로부터 구해지는 유량의 공기가 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 장치.
식 1: B = α(AF_max - A) - β
여기서, α는 냉각 공기 유량 가중치로서 0 < α < 1의 값으로 정해지는 설정값, AF_max는 공기블로워의 최대 공급 허용 유량, A는 스택 온도에 따른 연료전지 스택 요구 공기 유량, β는 공기블로워 구동 여유를 두기 위해 정해지는 공기 유량으로서 0 ≤ β ≤ α(AF_max - A)의 값으로 정해지는 것임.
- 연료전지 스택의 온도를 입력받는 단계;
연료전지 스택과 라디에이터 사이의 냉각수 순환을 통한 스택 냉각이 이루어지는 동안 스택 온도가 설정시간 동안 정해진 기준온도 이상을 유지하는 고온 유지 조건을 만족하는지를 판단하는 단계;
상기 고온 유지 조건을 만족할 경우, 공기공급관을 통해 연료전지 스택에 반응기체인 공기를 공급하는 공기블로워에 의해 공급되는 공기가, 상기 공기공급관에서 분기되어 라디에이터 전방으로 연결된 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 단계; 및
상기 공기공급관에서 냉각공기배관으로 분배된 공기가 라디에이터 전방으로 토출되면서 라디에이터 방열이 이루어지는 단계를 포함하고,
상기 고온 유지 조건을 만족할 경우 공기블로워의 최대 구동 허용치와 현재 구동치를 비교하여 공기블로워의 구동 여유가 존재하는지를 확인하고, 공기블로워의 구동 여유가 존재할 경우 공기블로워에 의해 공급되는 공기가 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 방법.
- 삭제
- 청구항 7에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 고온 유지 조건은 외기온 센서에 의해 검출된 외기온이 정해진 외기설정온도 이상이고 차속검출부에 의해 검출된 차속이 설정속도 이하인 조건을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 공기블로워에 의해 공급되는 공기 중에 하기 식 1로부터 구해지는 유량의 공기가 냉각공기배관으로 분배되도록 분배밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 방법.
식 1: B = α(AF_max - A) - β
여기서, α는 냉각 공기 유량 가중치로서 0 < α < 1의 값으로 정해지는 설정값, AF_max는 공기블로워의 최대 공급 허용 유량, A는 스택 온도에 따른 연료전지 스택 요구 공기 유량, β는 공기블로워 구동 여유를 두기 위해 정해지는 공기 유량으로서 0 ≤ β ≤ α(AF_max - A)의 값으로 정해지는 것임.
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| JP2008123697A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP2009266472A (ja) * | 2008-04-23 | 2009-11-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池を備えた移動体の暖房システム |
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