KR101736102B1 - 연료전지 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템은 공기를 공급 받는 공기극, 수소를 공급 받는 수소극, 및 스택 냉각수가 통과하는 스택 냉각로를 포함하는 연료전지 스택, 및 상기 스택 냉각로에서 출력된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 이용하여 상기 공기의 온도를 조절하는 공기 온도 조절부를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그 제어방법{FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
연료전지 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다.
연료전지의 단위 셀에 산소를 포함한 공기와 수소가 공급되면 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생한다.
통상적으로 이러한 단위 셀 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 연료 전지는 여러 개의 셀을 직렬로 연결한 스택의 형태로 구성된다.
이러한 연료전지 스택(이하, 스택이라 한다)에는 공기가 공급되어야 하고, 스택에 공급되는 공기는 가습된 상태여야 하는데, 공기의 온도에 따라서 공급되는 공기의 가습 효율이 달라지는 바, 적절한 온도의 조정이 요구된다.
스택에 공급되는 공기의 온도를 조절하는 연료전지 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
일 측면에 따른 연료전지 시스템은 공기를 공급 받는 공기극, 수소를 공급 받는 수소극, 및 스택 냉각수가 통과하는 스택 냉각로를 포함하는 연료전지 스택; 및 상기 스택 냉각로에서 출력된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 이용하여 상기 공기의 온도를 조절하는 공기 온도 조절부를 포함한다.
공기 온도 조절부는 스택 냉각수의 유입을 차단 또는 차단 해제하는 스택 밸브, 및 전장 냉각수의 유입을 차단 또는 차단 해제하는 전장 밸브를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 공기극에 공기를 공급하는 공기 펌프; 및 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도에 기초하여 스택 밸브 및 전장 밸브의 차단 또는 차단 해제를 제어하는 공기 온도 제어부를 더 포함할 수 있다.
공기 온도 조절부는 스택 냉각수의 유입량을 제어하는 스택 밸브, 및 전장 냉각수의 유입량을 제어하는 전장 밸브를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 공기극에 공기를 공급하는 공기 펌프; 및 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도에 기초하여 스택 밸브에 유입되는 스택 냉각수의 유입량을 제어하고, 전장 밸브에 유입되는 전장 냉각수의 유입량을 제어하는 공기 온도 제어부를 더 포함할 수 있다.
공기 온도 조절부는 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부, 스택 밸브와 전장 밸브를 제어하는 밸브 제어부, 및 스택 냉각수 또는 전장 냉각수가 유입되어 공기의 온도를 조절하는 열교환부를 포함할 수 있다.
밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 초과인 경우, 스택 밸브를 턴오프시키고, 전장 밸브를 턴온시킬 수 있다.
밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 스택 밸브를 턴온시키고, 전장 밸브를 턴오프시킬 수 있다.
기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위를 포함하고, 밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 범위의 상한치 초과인 경우, 스택 밸브를 턴오프시키고, 전장 밸브를 턴온시킬 수 있다.
기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위를 포함하고, 밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 범위의 하한치 미만인 경우, 스택 밸브를 턴온시키고, 전장 밸브를 턴오프시킬 수 있다.
공기 온도 조절부는 스택 냉각수 및 전장 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도 감지부를 더 포함하되, 밸브 제어부는 온도 감지부의 감지 결과에 기초하여 스택 밸브와 전장 밸브를 제어할 수 있다.
밸브 제어부는 스택 냉각수의 온도가 전장 냉각수의 온도보다 낮은 경우, 스택 밸브와 전장 밸브를 턴온시킬 수 있다.
다른 측면에 따른 연료전지 시스템은 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부; 스택 냉각로로부터 공급된 스택 냉각수 또는 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수가 유입되어 공기의 온도를 조절하는 열교환부; 및 공기의 온도에 기초하여, 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 제어하는 밸브 제어부를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 공기를 공급하는 공기 펌프를 더 포함하되, 온도 감지부는 공기 펌프로부터 공급된 공기의 온도를 감지할 수 있다.
밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 초과인 경우, 스택 밸브를 턴오프시키고 전장 밸브를 턴온시킬 수 있다.
밸브 제어부는 공기의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 스택 밸브를 턴온시키고 전장 밸브를 턴오프시킬 수 있다.
또 다른 측면에 따른 연료전지 시스템의 제어방법은 공기의 온도를 감지하는 단계; 및 공기의 온도에 기초하여 스택 냉각로로부터 공급된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템의 제어방법은 온도를 감지하는 단계 이전에, 공기를 공기 펌프로부터 공급 받는 단계를 더 포함하되, 온도를 감지하는 단계는 공기 펌프로부터 공급 받는 공기의 온도를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 연료전지 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 가습 효율이 극대화된 상태의 공기가 스택에 공급될 수 있으므로, 연료전지 시스템의 전기에너지의 공급 효율을 높일 수 있다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 연료전지의 단위 셀의 개략도이다.
도 2는 연료전지 시스템의 제어 블록도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 공기 온도 제어부의 제어 블록도이다.
도 3b는 다른 실시예에 따른 공기 온도 제어부의 제어 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 연료전지의 단위 셀의 개략도이고, 도 2는 연료전지 시스템의 제어 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지의 단위 셀(4)의 캐소드(1; cathode)에 산소를 포함한 공기가 공급되고 애노드(3; anode)에 수소가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물의 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생한다.
이러한 여러 단위 셀(4)들은 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지 스택(이하, 스택이라 함)을 구성하고, 스택은 하나의 단위 셀(4)에 비하여 높은 전압을 생성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템(5)은 전기를 발생시키는 스택(10), 스택(10)을 냉각시키는 냉각장치(30), 스택(10)에 공기를 공급하는 공기공급장치(50), 및 그 외 주변장치를 포함한다.
스택(10)은 수소(80)와 공기(60) 내에 있는 산소의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지고 연료전지의 본체를 형성한다.
개시된 일 실시예는 설명의 편의를 위하여 수소극(11), 공기극(12), 스택 냉각로(13)의 형상을 개념적으로 표현하였으나 단위 셀은 전해질막을 중심으로 수소극(11)과 공기극(12)이 배치된 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)로, 스택(10)은 수 개의 단위 셀 양측에 분리판이 스택 냉각로(13)설치되는 구조를 갖는다.
전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에 스택(10)의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀 줄 필요가 있으며 이를 위해 스택(10)에는 스택 냉각수가 지나가기 위한 스택 냉각로(13)가 단위 셀마다(즉, 각 분리판 사이에) 설치될 수 있다.
수소극(11)에는 전기화학반응을 일으키기 위해 수소(80)가 공급되어 수소(80)가 촉매에 의하여 수소 이온과 전자로 분리되어 전기가 발생되고, 공기극(12)에는 전기화학반응을 일으키기 위해 산소를 포함한 공기(60)가 공급되어 산소가 수소극(11)에서 발생된 수소 이온 및 전자와 결합하여 물이 생성된다. 스택 냉각로(13)는 수 개의 수소극(11)과 공기극(12)이 적층된 사이에 설치되어, 전기화학반응 과정에서 전기와 함께 발생되는 열을 식혀 주기 위해 스택 냉각수가 지나가도록 함으로써 스택(10)의 온도를 적절하게 조절해 준다.
공기공급장치(50)는 산소를 포함한 공기(60)를 스택(20)에 공급하는 것으로, 외부로부터 공기(60)를 가압하여 공급하는 펌프 혹은 공기 블로워(51; 이하, 공기 펌프라 함)와, 공기 펌프(51)로부터 공급되는 공기의 온도를 조절하는 공기온도 조절부(40)를 포함한다.
공기 펌프(51)는 공기 펌프(51)와 일체인 자체 하드웨어, 즉, 공기 제어부(Printed Circuit Board, PCB)의 피드 포워드(Feed Forward) 제어와 피드백(Feedback) 제어에 의해 정해진 공기 공급량의 세트 포인트에 따라 자동으로 회전수가 제어됨으로써, 스택(10)에 필요한 공기(60)를 공급한다.
피드백과 피드 포워드에 대한 제어로직은 공지된 기술인 바, 자세한 설명을 생략한다.
공기온도 조절부(40)는 공기 펌프(41)에 의해 공급되는 스택용 공기(60)의 온도를 감지하고, 공기(60)의 온도를 스택(10)에 적합하도록 변환한다.
일 실시예에 따른 공기온도 조절부(40)는 공기 펌프(41)로부터 공급된 공기(60)의 온도를 감지하여, 수증기와 결합되는 공기(60)의 온도를 제어하는 공기 온도 제어부(41), 온도 제어부(41)에 의해 공급된 공기(60)를 가습시키는 가습기(42), 공기 온도 제어부(41)의 제어에 따라 온/오프 되어 스택 냉각로(13)의 냉각수를 공기 공기 온도 제어부(41)에 공급/차단하는 스택 밸브(44), 및 공기 온도 제어부(41)의 제어에 따라 온/오프 되어 전장 냉각수를 공기 공기 온도 제어부(41)에 공급/차단하는 전장 밸브(45)를 포함한다.
공기 온도 제어부(41)는 공기 펌프(41)로부터 공급된 공기(60)의 온도를 감지하고, 감지된 온도에 따라 냉각장치(30)와 연결된 스택 밸브(44) 및 전장 밸브(45)의 온/오프를 제어한다. 공기 온도 제어부(41)의 세부 동작 과정에 대하여는 후술한다.
가습기(42)는 공기 온도 제어부(41)로부터 출력된 공기를 가습한다. 가습된 공기는 스택(10)의 공기극(12)에 유입될 수 있다.
전장 냉각수는 공기 온도 제어부(41)의 유로를 통과하면서 공기 펌프(41)로부터 공기 온도 제어부(41)로 공급되는 공기(60)의 온도를 변환시키고, 공기 펌프(51)의 유로를 통과하면서 공기 펌프(51)에 공급되는 공기(60)의 온도를 변화시킨다. 또한, 전장 냉각수(43)는 도시되진 않았으나 차량 내에 발생하는 여러 전장부품(예를 들어, 차량 제어부 등)들의 온도를 변화시킬 수도 있다.
구체적으로, 전장 냉각수는 공기 온도 제어부(41)의 유로를 통과하면서 공기(60) 내의 열을 흡수하고 공기 펌프(51)에 다시 공급될 수 있다. 공기 펌프(51)에 공급되는 전장 냉각수는 공기 펌프(61)가 공기(60)를 가압하는 과정에서 발생하는 열을 흡수할 수 있다. 공기 펌프(61)를 통과한 전장 냉각수(43)는 유로를 순환하며 차량의 라디에이터 등 냉각기에 의해 냉각됨으로써, 온도가 다시 하강한다.
스택 밸브(44)는 공기 온도 제어부(41)의 제어에 따라 온/오프 되어 스택 냉각로(13)를 통과한 스택 냉각수를 공기 온도 제어부(41)에 공급/차단시킨다.
전장 밸브(45)는 공기 온도 제어부(41)의 제어에 따라 온/오프 되어 공기 펌프(51)를 통과한 전장 냉각수(43)를 공기 온도 제어부(41)에 공급/차단시킨다.
냉각장치(30)는 스택 냉각수의 공급 여부를 결정하는 냉각수 밸브(33), 및 스택 냉각수의 공급량을 조절하는 냉각수 펌프(31)를 포함한다.
스택 냉각수는 스택 냉각로(13)를 통과하면서 스택(10) 내의 열을 흡수하고 유로를 순환하며 차량의 라디에이터 등 냉각기에 의해 냉각됨으로써 온도가 다시 하강한다.
냉각수 밸브(33)는 온/오프되어 냉각수 펌프(31)에 스택 냉각수를 공급/차단시킨다.
스택 냉각로(13)를 통과한 스택 냉각수는 다시 냉각수 펌프(31)에 공급되는 것 뿐만 아니라, 스택 밸브(44)의 제어에 따라, 공기 온도 제어부(41)에 공급될 수도 있다.
다만, 공기 온도 제어부(41)에 스택 냉각수가 공급된 경우, 공기 온도 제어부(41)의 유로를 통과하면서 공기(60)에 열을 방출한(즉, 냉각된) 스택 냉각수는 다시 차량의 라디에이터 등 냉각기에 의해 더 냉각될 수 있다.
냉각수 펌프(31)는 스택(10)의 스택 냉각로(13)에 공급되는 냉각수의 공급량을 조절한다.
냉각수 펌프(31)는 냉각수 펌프(31)와 일체인 자체 하드웨어, 즉, 냉각수 제어부(Printed Circuit Board, PCB)의 제어에 의해 정해진 냉각수 공급량의 세트 포인트에 따라 자동으로 회전수가 제어됨으로써, 스택 냉각로(13)의 냉각에 필요한 스택 냉각수를 공급한다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 공기 온도 제어부(41)의 세부 제어 과정을 설명한다. 도 3a는 일 실시예에 따른 공기 온도 제어부의 제어 블록도이고, 도 3b는 다른 실시예에 따른 공기 온도 제어부의 제어 블록도이다.
도 3a를 참조하면, 공기 온도 제어부(41)는 공기 온도 감지부(41a), 밸브 제어부(41b), 및 열교환부(41c)를 포함한다.
공기 온도 감지부(41a)는 온도 센서로 구현될 수 있고, 공기 펌프(61)로부터 공급되는 공기(60)의 온도를 감지한다.
밸브 제어부(41b)는 감지된 공기(60)의 온도에 기초하여 스택 밸브(44) 또는 전장 밸브(45)의 온/오프를 제어한다.
일 실시예에 따르면, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도가 미리 설정된 기준 온도 초과인 경우, 기준 온도 이하의 온도를 갖는 전장 냉각수가 열 교환부(41c)에 유입되도록 전장 밸브(45)를 턴온시키고, 스택 밸브(44)를 턴오프시킨다. 이에 따라, 공기 펌프(61)로부터 공급된 공기(60)는 전장 냉각수에 의해 냉각되고, 가습 효율이 좋은 기준 온도에서 가습기(42)에 의해 가습될 수 있다. 가습된 공기(60)는 스택(10)의 공기극(22)에 유입된다.
그러나, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도가 미리 설정된 기준 온도 미만인 경우, 기준 온도 이상의 온도를 갖는 스택 냉각수가 열 교환부(41c)에 유입되도록 전장 밸브(45)를 턴오프시키고, 스택 밸브(44)를 턴온시킨다. 이에 따라, 공기 펌프(61)로부터 공급된 공기(60)는 스택 냉각수에 의해 온도가 상승하고, 가습 효율이 좋은 기준 온도에서 가습기(42)에 의해 가습될 수 있다. 가습된 공기(60)는 스택(10)의 공기극(22)에 유입된다.
기준 온도는 예를 들어, 섭씨 55도일 수 있다.
한편, 미리 설정된 기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위일 수 있다.
이 경우, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위의 상한치 초과인 경우, 기준 온도 범위의 상한치 이하의 온도를 갖는 전장 냉각수가 열 교환부(41c)에 유입되도록 전장 밸브(45)를 턴온시키고, 스택 밸브(44)를 턴오프시킬 수 있다.
또한, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위의 하한치 미만인 경우, 기준 온도 범위의 하한치 이상의 온도를 갖는 스택 냉각수가 열 교환부(41c)에 유입되도록 전장 밸브(45)를 턴오프시키고, 스택 밸브(44)를 턴온시킬 수 있다.
기준 온도 범위는 예를 들어, 섭씨 55도 전후의 값에서 선택될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)는 비례 밸브로 구현될 수 있고, 이 경우, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도에 기초하여 스택 밸브(44)로부터 유입되는 냉각수의 유입량과 전장 밸브(45)로부터 유입되는 냉각수의 유입량을 결정할 수 있다.
이 경우, 밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도에 비례하여 열 교환부(41c)에 전장 냉각수의 유입량이 증가되도록 전장 밸브(45)를 제어하고, 공기(60)의 온도에 반비례하여 스택 냉각수의 유입량이 감소하도록 스택 밸브(44)를 제어할 수 있다. 전장 냉각수의 유입량과 스택 냉각수의 유입량의 비율에 따라 공기(60)의 온도가 다르게 조절될 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 다른 실시예에 따른 공기 온도 제어부(41)는 냉각수 온도 감지부(41d)를 더 포함할 수 있고, 냉각수 온도 감지부(41d)는 열 교환부(41c)에 공급되는 스택 냉각수와 전장 냉각수의 온도를 감지한다.
이 경우, 밸브 제어부(41b)는 감지된 공기(60)의 온도에 기초하여 스택 밸브(44) 또는 전장 밸브(45)의 온/오프를 제어하는 것뿐만 아니라, 감지된 스택 냉각수와 전장 냉각수의 온도에 기초하여 스택 밸브(44) 또는 전장 밸브(45)의 온/오프를 제어할 수 있다.
구체적으로, 밸브 제어부(41b)는 스택 냉각수의 온도가 전장 냉각수의 온도보다 낮거나, 또는 스택 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상인 경우(즉, 스택 냉각수의 온도가 지나치게 높은 경우), 스택 냉각수와 전장 냉각수가 상호 냉각 보조 역할을 수행하도록 할 수 있다.
즉, 밸브 제어부(41b)는 스택 냉각수의 온도가 전장 냉각수의 온도보다 낮은 경우, 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)를 모두 턴온시킴으로써, 스택 냉각수의 온도를 증가시키고, 전장 냉각수의 온도를 증가시킬 수 있다.
또한, 밸브 제어부(41b)는 스택 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상인 경우, 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)를 모두 턴온시킴으로써, 스택 냉각수의 온도를 감소시킬 수 있다.
또한, 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)가 비례 밸브로 구현되는 경우, 밸브 제어부(41b)는 스택 냉각수와 전장 냉각수의 온도에 기초하여 스택 밸브(44)로부터 유입되는 냉각수의 유입량과 전장 밸브(45)로부터 유입되는 냉각수의 유입량을 결정할 수도 있다. 전장 냉각수의 유입량과 스택 냉각수의 유입량의 비율에 따라 스택 냉각수와 전장 냉각수의 온도 증가율 또는 감소율이 다르게 조절될 수 있다.밸브 제어부(41b)는 공기(60)의 온도에 따라 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)의 온/오프 또는 냉각수 유입량을 제어하는 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리, 및 메모리에 저장된 프로그램과 데이터에 따라 온/오프 또는 냉각수 유입량을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
열 교환부(41c)에는 전장 냉각수 또는 스택 냉각수가 유입되고, 공기 펌프(61)로부터 유입된 공기(60)는 열 교환부(41c)의 유로를 통과하면서 온도가 상승하거나 하강한다.
열 교환부(41c)에 전장 냉각수가 유입되는 경우, 전장 냉각수의 온도는 공기 펌프(61)로부터 공급된 공기(60)의 온도보다 낮기 때문에, 유로를 통과하는 공기(60)의 온도가 하강한다.
열 교환부(41c)를 통과한 전장 냉각수는 공기 펌프(61)로 공급될 수 있다. 공기 펌프(61)로 유입된 전장 냉각수는 공기 펌프(61)가 공기(60)를 가압하는 과정에서 발생하는 열을 감소시킬 수 있다. 공기 펌프(61)를 통과한 전장 냉각수는 유로를 순환하며 차량의 라디에이터 등 냉각기에 의해 냉각됨으로써, 온도가 다시 하강할 수 있다.
그러나, 열 교환부(41c)에 스택 냉각수가 유입되는 경우, 스택 냉각로(13)를 통과한 스택 냉각수의 온도는 공기 펌프(61)로부터 공급된 공기(60)의 온도보다 높기 때문에, 스택 냉각수는 유로를 통과하는 공기(60)의 온도를 상승시킨다. 이에 따라 스택 냉각수의 온도는 하강한다. 그리고, 열 교환부(41c)를 통과한 스택 냉각수는 유로를 순환하며 차량의 라디에이터 등 냉각기에 의해 냉각됨으로써 온도가 더 하강할 수 있다.
열 교환부(41c)를 통과한 공기(60)는 가습기(42)에 의해 가습된다.
이하, 상기와 같이 구성된 연료전지 시스템 및 그 공기공급방법의 동작과정을 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어방법에 대한 순서도이다.
우선, 일 실시예에 따르면, 공기 온도 제어부(41)의 공기 온도 감지부(41a)는 공기 펌프(61)로부터 유입된 공기(60)의 온도를 감지한다(S1100).
밸브 제어부(41b)는 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 초과인 경우(S1200의 "초과"), 공기 온도를 낮추기 위해 전장 밸브(45)를 턴온시키고, 스택 밸브(44)를 턴오프시킨다(S1300). 그러나, 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 미만인 경우(S1200의 "미만"), 공기 온도를 높이기 위해 전장 밸브(45)를 턴오프시키고, 스택 밸브(44)를 턴온시킨다(S1400).
그러나, 밸브 제어부(41b)는 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도와 동일한 경우(S1200의 "동일"), 현재 상태를 유지하거나, 전장 밸브(45)와 스택 밸브(44)를 모두 턴오프시킬 수 있다(S1500).
한편, 미리 설정된 기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위일 수 있다.
이 경우, 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 초과인지 여부를 판단하는 것(S1200의 "초과")은 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위의 상한치를 초과하는지 여부를 판단하는 것을 포함한다.
또한, 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 미만인지 여부를 판단하는 것(S1200의 "미만")은 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위의 하한치 미만인지 여부를 판단하는 것을 포함한다.
또한, 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도와 동일한지 여부를 판단하는 것(S1200의 "동일")은 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위의 하한치 이상이고, 상한치 인하인지 여부를 판단하는 것을 포함한다.
그리고, 밸브 제어부(41b)는 감지된 공기(60)의 온도가 기준 온도 범위 이내에 있는 경우(즉, 상한치 이하, 하한치 이상), 현재 상태를 유지하거나, 전장 밸브(45)와 스택 밸브(44)를 모두 턴오프시킬 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 스택 밸브(44)와 전장 밸브(45)는 비례 밸브로 구현될 수 있고,
이 경우, 전장 밸브(45)를 턴온시키고, 스택 밸브(44)를 턴오프시키는 단계(S1300)는 밸브 제어부(41b)가 공기(60)의 온도에 비례하여 열 교환부(41c)에 전장 냉각수의 유입량이 증가되도록 전장 밸브(45)를 제어하고, 밸브 제어부(41b)가 공기(60)의 온도에 반비례하여 스택 냉각수의 유입량이 감소하도록 스택 밸브(44)를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 전장 밸브(45)를 턴오프시키고, 스택 밸브(44)를 턴온시키는 단계(S1400)는 밸브 제어부(41b)가 공기(60)의 온도에 비례하여 열 교환부(41c)에 전장 냉각수의 유입량이 감소되도록 전장 밸브(45)를 제어하고, 밸브 제어부(41b)가 공기(60)의 온도에 반비례하여 스택 냉각수의 유입량이 증가하도록 스택 밸브(44)를 제어하는 단계를 포함한다.
이와 같은 연료전지 시스템(5)은 차량에 포함될 수 있고, 차량의 각 전장부품에 전기를 공급할 수 있다.
전술한 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 연료 전지 시스템
10: 스택
11: 수소극
12: 공기극
13: 스택 냉각로
30: 냉각 장치
40: 공기 온도 조절부
50: 공기 공급 장치
60: 공기
80: 수소

Claims (18)

  1. 공기를 공급 받는 공기극, 수소를 공급 받는 수소극, 및 스택 냉각수가 통과하는 스택 냉각로를 포함하는 연료전지 스택; 및
    상기 스택 냉각로에서 출력된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 이용하여 상기 공기의 온도를 조절하는 공기 온도 조절부를 포함하되,
    상기 공기 온도 조절부는 상기 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부, 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 밸브 제어부, 및 상기 스택 냉각수 또는 상기 전장 냉각수가 유입되어 상기 공기의 온도를 조절하는 열교환부를 포함하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도와 기준 온도를 비교한 결과에 기초하여, 상기 스택 냉각수와 상기 전장 냉각수중 어느 하나가 다른 하나보다 상기 열교환부에 더 유입되도록 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 온도 조절부는 상기 스택 냉각수의 유입을 차단 또는 차단 해제하는 스택 밸브, 및 상기 전장 냉각수의 유입을 차단 또는 차단 해제하는 전장 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기극에 공기를 공급하는 공기 펌프를 더 포함하되,
    상기 온도 감지부는 상기 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도를 감지하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도에 기초하여 상기 스택 밸브 및 상기 전장 밸브의 차단 또는 차단 해제를 제어하는 연료전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 온도 조절부는 상기 스택 냉각수의 유입량을 제어하는 스택 밸브, 및 상기 전장 냉각수의 유입량을 제어하는 전장 밸브를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기극에 공기를 공급하는 공기 펌프를 더 포함하되,
    상기 온도 감지부는 상기 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도를 감지하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기 펌프가 공급하는 공기의 온도에 기초하여 상기 스택 밸브에 유입되는 스택 냉각수의 유입량을 제어하고, 상기 전장 밸브에 유입되는 전장 냉각수의 유입량을 제어하는 연료전지 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 상기 기준 온도 초과인 경우, 상기 스택 밸브를 턴오프시키고, 상기 전장 밸브를 턴온시키는 연료전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 상기 기준 온도 미만인 경우, 상기 스택 밸브를 턴온시키고, 상기 전장 밸브를 턴오프시키는 연료전지 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위를 포함하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 기준 온도 범위의 상한치 초과인 경우, 상기 스택 밸브를 턴오프시키고, 상기 전장 밸브를 턴온시키는 연료전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 상한치 및 하한치를 갖는 기준 온도 범위를 포함하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 기준 온도 범위의 하한치 미만인 경우, 상기 스택 밸브를 턴온시키고, 상기 전장 밸브를 턴오프시키는 연료전지 시스템.
  11. 공기를 공급 받는 공기극, 수소를 공급 받는 수소극, 및 스택 냉각수가 통과하는 스택 냉각로를 포함하는 연료전지 스택; 및
    상기 스택 냉각로에서 출력된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 이용하여 상기 공기의 온도를 조절하는 공기 온도 조절부를 포함하되,
    상기 공기 온도 조절부는 상기 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부, 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 밸브 제어부, 상기 스택 냉각수 또는 상기 전장 냉각수가 유입되어 상기 공기의 온도를 조절하는 열교환부, 및 상기 스택 냉각수 및 상기 전장 냉각수의 온도를 감지하는 냉각수 온도 감지부를 포함하고,
    상기 밸브 제어부는 상기 온도 감지부의 감지 결과에 기초하여 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 상기 스택 냉각수의 온도가 상기 전장 냉각수의 온도보다 낮은 경우, 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 턴온시키는 연료전지 시스템.
  13. 공기의 온도를 감지하는 온도 감지부;
    스택 냉각로로부터 공급된 스택 냉각수 또는 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수가 유입되어 상기 공기의 온도를 조절하는 열교환부; 및
    상기 공기의 온도에 기초하여, 상기 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 제어하는 밸브 제어부를 포함하되,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도와 기준 온도를 비교한 결과에 기초하여, 상기 스택 냉각수와 상기 전장 냉각수중 어느 하나가 다른 하나보다 상기 열교환부에 더 유입되도록 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 연료전지 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 공기를 공급하는 공기 펌프를 더 포함하되,
    상기 온도 감지부는 상기 공기 펌프로부터 공급된 공기의 온도를 감지하는 연료전지 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 상기 기준 온도 초과인 경우, 상기 스택 밸브를 턴오프시키고 상기 전장 밸브를 턴온시키는 연료전지 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 상기 공기의 온도가 상기 기준 온도 미만인 경우, 상기 스택 밸브를 턴온시키고 상기 전장 밸브를 턴오프시키는 연료전지 시스템.
  17. 공기의 온도를 감지하는 단계; 및
    상기 공기의 온도에 기초하여 스택 냉각로로부터 공급된 스택 냉각수의 유입을 제어하는 스택 밸브와 상기 공기의 온도를 감소시키는 전장 냉각수의 유입을 제어하는 전장 밸브를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 전장 밸브를 제어하는 단계는 상기 공기의 온도와 기준 온도를 비교한 결과에 기초하여, 상기 스택 냉각수와 상기 전장 냉각수중 어느 하나가 다른 하나보다 상기 공기의 온도를 조절하는 열교환부에 더 유입되도록 상기 스택 밸브와 상기 전장 밸브를 제어하는 연료전지 시스템의 제어방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 온도를 감지하는 단계 이전에, 상기 공기를 공기 펌프로부터 공급 받는 단계를 더 포함하되,
    상기 온도를 감지하는 단계는 상기 공기 펌프로부터 공급 받는 공기의 온도를 감지하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006147314A (ja) * 2004-11-18 2006-06-08 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

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