KR101836583B1 - 연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

전장부품과 라디에이터를 연결하는 메인 냉각수라인에 마련된 조절밸브; 조절밸브와 연료전지 공기가습기를 연결하는 보조 냉각수라인; 및 공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하고, 평상시에는 보조 냉각수라인으로의 냉각수 유통을 차단하도록 조절밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법이 소개된다.

Description

연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법 {SYSTEM AND METHOD FOR HEATING HUMIDIFIER OF FUELCELL VEHICLE}

본 발명은 가습기와 모터 사이에 3-Way 밸브 및 전장 냉각수 배관을 추가하고, 냉시동 시 모터 발열에 의해 가열되는 전장 냉각수를 가습기에 흐르도록 하여 가습기 내 얼어있는 수분을 녹여 냉시동성을 높이는 연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

연료전지 반응 시 필요한 공기는 공기 블로워를 통하여 얻어지고 가습기를 통해 습도가 올라게 되며, 스택으로 공급된다. 스택으로 공급된 공기는 다시 가습기로 들어가 공기 블로워를 통해 들어오는 공기와 섞여 스택으로 공급되고, 일부는 외부로 배출된다.

연료전지 차량은 겨울철 빙점 이하에서 시동(이하 ‘냉시동’)을 걸기 위해 스택의 발열을 이용하여 시동을 완료한다. 빙점 이하에서는 스택 내 수분이 얼어 있어, 스택 자체의 발열, 공기블로워 작동을 이용하여 얼어있는 수분을 제거한다.

스택의 발열량이 높을수록 얼어있는 수분 제거가 쉬워지고 냉시동 시간이 짧아지며, 냉시동 시간이 짧을 수록 차량의 상품성은 높아진다.

겨울철 스택 내 수분을 최소화하기 위해, 시동 Off 시 외기온이 일정온도 이하면 CSD(Cold Shut Down)이라는 기능을 수행한다. CSD 수행 시 공기 블로워가 Max rpm으로 작동하여 스택 내 수분을 외부로 배출한다. CSD 후 스택 내 수분이 제거가 되어 이후 시동을 원활하게 할 수 있다. 하지만 CSD 시 스택 내 수분은 제거가 되지만 가습기 내의 수분은 제거가 되지 않고 얼게 된다.

이후 시동 시 가습기의 수분은 얼어 있고, 외부를 통해 들어온 공기가 가습기를 거쳐 스택으로 들어갈 때, 얼어있는 가습기로 인해 오히려 공기가 냉각이 되어 스택으로 들어가는 현상이 발생한다.이는 자체 발열을 하고 있는 스택을 냉각시키는 작용을 하며, 스택 발열을 지연시키고, 시동시간을 지연 시킨다.

현재 냉시동 시 모터 발열, 공기 블로워 작동, PTC 히터 작동 등을 이용하여 스택 발열을 하고 있다. 겨울철에는 가습기 내의 수분이 얼었다 녹았다를 반복하게 되어 이는 가습기 내구성 저하를 야기한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2015-0078448 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가습기와 모터 사이에 3-Way 밸브 및 전장 냉각수 배관을 추가하고, 냉시동 시 모터 발열에 의해 가열되는 전장 냉각수를 가습기에 흐르도록 하여 가습기 내 얼어있는 수분을 녹여 냉시동성을 높이는 연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템은, 전장부품과 라디에이터를 연결하는 메인 냉각수라인에 마련된 조절밸브; 조절밸브와 연료전지 공기가습기를 연결하는 보조 냉각수라인; 및 공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하고, 평상시에는 보조 냉각수라인으로의 냉각수 유통을 차단하도록 조절밸브를 제어하는 제어부;를 포함한다.

조절밸브는 메인 냉각수라인 상에 마련된 3웨이 밸브로서, 제1연결부는 전장부품측 냉각수라인에 연결되고 제2연결부는 라디에이터측 냉각수라인에 연결되며, 제3연결부는 보조 냉각수라인을 통해 공기가습기측으로 연결될 수 있다.

조절밸브에는 조절도어가 마련되며, 제어부는 공기가습기의 승온이 필요한 경우 조절도어가 제2연결부를 차단하도록 제어함으로써 전장부품으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부 및 제3연결부를 통해 공기가습기측으로 공급되도록 제어할 수 있다.

제어부는 평상시에는 조절도어가 제3연결부를 차단하도록 제어함으로써 전장부품으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부 및 제2연결부를 통해 라디에이터측으로 공급되도록 제어할 수 있다.

보조 냉각수라인은 유입라인과 유출라인으로 구성되고, 유입라인은 조절밸브와 공기가습기의 냉각수 유입구를 연결하며, 유출라인은 공기가습기의 냉각수 배출구와 메인 냉각수라인을 연결할 수 있다.

유출라인은 메인 냉각수라인 중 조절밸브와 라디에이터의 사이 지점에 연결될 수 있다.

제어부는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어할 수 있다.

제어부는 냉시동 온시에는 일정시간 또는 가습기가 일정온도에 도달할 때까지 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어할 수 있다.

제어부는 냉시동 오프시에는 차회 재시동시까지 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어할 수 있다.

전장부품은 연료전지 차량의 구동모터일 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 제어방법은, 공기가습기의 승온이 필요한지 여부를 판단하는 판단단계; 및 공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 제어단계;를 포함한다.

판단단계에서는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 공기가습기의 승온이 필요한 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 연료전지차량의 가습기 승온시스템 및 그 제어방법에 따르면, 가습기와 모터 사이에 3-Way 밸브 및 전장 냉각수 배관을 추가하고, 냉시동 시 모터 발열에 의해 가열되는 전장 냉각수를 가습기에 흐르도록 하여 가습기 내 얼어있는 수분을 녹여 냉시동성을 높일 수 있다.

냉시동 시 얼어있는 가습기는 가열된 전장 냉각수에 의해 녹게 되고, 기존처럼 얼어있는 가습기에 의해 냉각된 공기가 스택으로 들어가 스택을 냉각시키는 현상이 발생하지 않는다. 또한 가열된 가습기를 거친 공기 또한 가열되고 이는 스택을 가열하는 효과를 가져와 스택 내 얼어있는 수분을 녹이는데 도움이 되어 냉시동 시간 단축을 할 수 있다.

또한 겨울철 시동 Off 시 전장냉각수를 가습기로 흐르도록 하여, 가습기를 보온한다. 이는 가습기가 어는 것을 방지할 수 있어 가습기 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템을 나타낸 도면.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 조절밸브를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템 제어방법의 순서도.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템을 나타낸 도면이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 조절밸브를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템 제어방법의 순서도이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템을 나타낸 도면으로서, 연료전지차량의 냉시동 중 모터(120)는 자체 발열을 이용하여 스택(700) 전류는 소모하고, 모터(120) 발열에 의해 전장 냉각수는 가열되며, 펌프를 통해 순환된다.

공기는 Air Blower(520)에 의해 순환되며 이동경로는 도 1과 같다. Blower(520)를 통해 가습기로 들어간 공기는 가습기(500) 내의 수분과 함께 스택(700)으로 들어간다. 스택(700)에서 나온 공기는 다시 가습기로 들어가 Blower(520)를 통해 들어오는 공기와 섞여 일부는 다시 스택으로 들어가고, 일부는 배기 덕트를 통해 외부로 배출된다.

한편, 겨울철 외기온이 일정 온도 이하가 되면 시동 Off시, 스택 내 남아있는 물이 어는 것을 방지하기 위해 물을 외부로 배출하는 CSD(Cold Shut Down) 이라는 기능을 수행한다. CSD 수행 시 공기 블로워(520)를 Max rpm으로 작동시켜, 스택 내 물을 강제로 배기 덕트(외부)로 배출하는 기능이다.

CSD를 함으로써 스택 내 물을 최대한 많이 제거하여 물이 얼지 않도록 하여, 이후 시동이 원활하도록 도와준다. CSD를 수행하면 스택 내 물은 제거가 되나, 가습기 내 고여있는 물은 제거가 되지 않는다.

또한, 빙점 이하에서 시동 시 스택 내 얼어있는 수분을 제거하고 시동을 걸기 위해 스택 발열을 이용한다. 겨울철 시동 시 가습기의 수분은 얼어 있고, 블로워를 통해 들어온 공기는 가습기를 거쳐 스택으로 들어갈 때, 얼어있는 가습기로 인해 오히려 공기가 냉각이 되고, 이는 자체 발열을 하고 있는 스택을 냉각시키는 작용을 하여, 스택 발열을 지연시킨다. 겨울철 가습기 내 수분이 얼었다 녹았다를 반복하게 되면 가습기 막을 손상시키며, 가습기 내구성 저하를 야기한다.

본 발명에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템은, 전장부품(100)과 라디에이터(300)를 연결하는 메인 냉각수라인(M)에 마련된 조절밸브(800); 조절밸브(800)와 연료전지 공기가습기(500)를 연결하는 보조 냉각수라인(S); 및 공기가습기(500)의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인(S)으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브(800)를 제어하고, 평상시에는 보조 냉각수라인(S)으로의 냉각수 유통을 차단하도록 조절밸브(800)를 제어하는 제어부(900);를 포함한다.

본 발명은 이러한 겨울철 냉시동 on/off시 스택의 빠른승온과 보온을 위해 냉각수를 활용한다. 특히, 스택의 공기유입 전단에 배치된 가습기를 승온함으로써 종래의 CSD의 효과가 최대한 저하되지 않도록 하는데 특징이 있다. 냉시동의 판단은 예를들어 외기온이 5℃ 이하인 경우로 판단할 수 있다.

이를 위해, 전장부품(100)과 라디에이터(300)를 연결하는 메인 냉각수라인(M)에 조절밸브(800)를 마련한다. 그리고 조절밸브(800)와 연료전지 공기가습기(500)를 연결하는 보조 냉각수라인(S)을 설치한다.

그리고 제어부(900)는 공기가습기(500)의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인(S)으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브(800)를 제어하고, 평상시에는 보조 냉각수라인(S)으로의 냉각수 유통을 차단하도록 조절밸브(800)를 제어하도록 한다.

구체적으로, 전장부품(100) 중 모터(120)와 가습기(500) 사이에 3웨이밸브 및 냉각수 배관을 추가한다. 가습기에서 냉각수가 나가는 배관을 모터-라디에이터간 냉각수 배관에 추가한다. 3웨이밸브는 모터, 감속기어, 밸브로 구성된다.

조절밸브(800)는 메인 냉각수라인(M) 상에 마련된 3웨이 밸브로서, 제1연결부(810)는 전장부품(100)측 냉각수라인(M)에 연결되고 제2연결부(820)는 라디에이터(300)측 냉각수라인(M)에 연결되며, 제3연결부(830)는 보조 냉각수라인(S)을 통해 공기가습기(500)측으로 연결될 수 있다.

그리고 조절밸브(800)에는 조절도어(850)가 마련되며, 제어부(900)는 공기가습기(500)의 승온이 필요한 경우 조절도어(850)가 제2연결부(820)를 차단하도록 제어함으로써 전장부품(100)으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부(810) 및 제3연결부(830)를 통해 공기가습기(500)측으로 공급되도록 제어할 수 있다. 이를 통해 냉시동시 전장부품으로 가열된 냉각수를 이용하여 가습기를 해동하게 되는바, 연료전지에 따뜻한 공기가 유입될 수 있도록 한다. 그리고 겨울철 시동 오프시에도 냉각수를 이용하여 가습기를 보온함으로서 차후 시동시 유리한 환경을 조성하는 것이다.

또한, 제어부(900)는 평상시에는 조절도어(850)가 제3연결부(830)를 차단하도록 제어함으로써 전장부품(100)으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부(810) 및 제2연결부(820)를 통해 라디에이터(300)측으로 공급되도록 제어할 수 있다. 이를 통해 연료전지(700)와 가습기(500)의 과열을 방지하고 전장부품(100)은 적절히 냉각을 수행할 수 있도록 한다.

한편, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 조절밸브를 나타낸 도면으로서, 보조 냉각수라인(S)은 유입라인(S1)과 유출라인(S2)으로 구성되고, 유입라인(S1)은 조절밸브(800)와 공기가습기(500)의 냉각수 유입구를 연결하며, 유출라인(S2)은 공기가습기(500)의 냉각수 배출구와 메인 냉각수라인(M)을 연결할 수 있다. 그리고 유출라인(S2)은 메인 냉각수라인(M) 중 조절밸브(800)와 라디에이터(300)의 사이 지점에 연결될 수 있다.

제어부(900)는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 도 2와 같이 보조 냉각수라인(S)으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브(800)를 제어할 수 있다. 이를 통하여 가습기(500)가 승온되거나 보온되도록 한다. 그리고 평상시에는 도 3과 같이 보조 냉각수라인(S)으로 냉각수가 유통되지 않도록 하는 것이다. 여기서의 전장부품(100)은 연료전지 차량의 구동모터(120)일 수 있다.

구체적으로, 겨울철 외기온이 5℃ 이하 일 경우, 시동 Off 시 CSD를 한다. CSD가 진입할 경우 도 2와 같이 3웨이 밸브는 3시 방향으로 회전하여, Motor를 나온 전장 냉각수가 가습기로 들어가도록 한다. 시동 Off 후에도 전장냉각수가 가습기를 보온하여, 가습기가 어는 것을 방지하며, 가습기 막이 얼었다 녹는 것을 방지하여 내구성을 향상시킨다.

겨울철이 아닌 경우 시동 Off 시(CSD를 하지 않는 경우)는 도 3과 같이 3-way밸브는 6시 방향으로 회전하여 기존과 동일한 전장 냉각수 흐름을 갖는다.

겨울철 시동(냉시동) 시 도 2와 같이 3-way 밸브는 3시 방향으로 회전한다. 냉시동 시 모터 발열에 의해 가열되는 전장 냉각수를 가습기에 흐르도록 하여 가습기 내 얼어 있는 수분을 녹여 냉시동성을 높인다. 가열된 전장 냉각수에 의해 가습기 내 얼어있는 수분이 녹고, 기존처럼 얼어있는 가습기에 의해 공기가 냉각되어 스택을 냉각시키는 현상이 발생하지 않는다. 또한 가열된 가습기를 거친 공기 또한 가열이 되어 스택으로 들어가, 이는 스택을 가열하는 효과를 가져와 스택 내 얼어있는 수분을 녹이는데 도움이 되어 냉시동 시간을 단축할 수 있다.

냉시동이 완료되면 즉, 일정시간이 흐르거나 또는 가습기가 충분히 승온된 경우에는 도 3처럼 3-way 밸브는 6시 방향으로 회전하여 기존과 동일한 전장 냉각수 흐름을 갖는다. 겨울철이 아닌 경우, 시동 On/Off시는 도 3과 같이 3-way 밸브를 6시 방향으로 회전한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템 제어방법의 순서도로서, 본 발명에 따른 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 제어방법은, 공기가습기의 승온이 필요한지 여부를 판단하는 판단단계(S100); 및 공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 제어단계(S200,S300);를 포함한다.

판단단계에서는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 공기가습기의 승온이 필요한 것으로 판단할 수 있다.

본 발명은 가습기와 모터 사이에 3웨이 밸브 및 전장 냉각수 배관을 추가하고, 냉시동 시 모터 발열에 의해 가열되는 전장 냉각수를 가습기에 흐르도록 하여 가습기 내 얼어있는 수분을 녹여 냉시동성을 높이는데 있다.

냉시동 시 얼어있는 가습기는 가열된 전장 냉각수에 의해 녹게 되고, 기존처럼 얼어있는 가습기에 의해 냉각된 공기가 스택으로 들어가 스택을 냉각시키는 현상이 발생하지 않는다. 또한 가열된 가습기를 거친 공기 또한 가열되고 이는 스택을 가열하는 효과를 가져와 스택 내 얼어있는 수분을 녹이는데 도움이 되어 냉시동 시간 단축을 할 수 있다.

또한 겨울철 시동 Off 시 전장냉각수를 가습기로 흐르도록 하여, 가습기를 보온한다. 이는 가습기가 어는 것을 방지할 수 있어 가습기 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

300 : 라디에이터 500 : 가습기
700 : 연료전지 800 : 조절밸브
900 : 제어부

Claims (12)

1. 전장부품과 라디에이터를 연결하는 메인 냉각수라인에 마련된 조절밸브;
   조절밸브와 연료전지 공기가습기를 연결하는 보조 냉각수라인; 및
   공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하고, 평상시에는 보조 냉각수라인으로의 냉각수 유통을 차단하도록 조절밸브를 제어하는 제어부;를 포함하고,
   조절밸브는 메인 냉각수라인 상에 마련된 3웨이 밸브로서, 제1연결부는 전장부품측 냉각수라인에 연결되고 제2연결부는 라디에이터측 냉각수라인에 연결되며, 제3연결부는 보조 냉각수라인을 통해 공기가습기측으로 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   조절밸브에는 조절도어가 마련되며, 제어부는 공기가습기의 승온이 필요한 경우 조절도어가 제2연결부를 차단하도록 제어함으로써 전장부품으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부 및 제3연결부를 통해 공기가습기측으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   제어부는 평상시에는 조절도어가 제3연결부를 차단하도록 제어함으로써 전장부품으로부터 토출된 냉각수가 제1연결부 및 제2연결부를 통해 라디에이터측으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   보조 냉각수라인은 유입라인과 유출라인으로 구성되고, 유입라인은 조절밸브와 공기가습기의 냉각수 유입구를 연결하며, 유출라인은 공기가습기의 냉각수 배출구와 메인 냉각수라인을 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   유출라인은 메인 냉각수라인 중 조절밸브와 라디에이터의 사이 지점에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   제어부는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   제어부는 냉시동 온시에는 일정시간 또는 가습기가 일정온도에 도달할 때까지 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
9. 청구항 7에 있어서,
   제어부는 냉시동 오프시에는 차회 재시동시까지 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
10. 청구항 1에 있어서,
    전장부품은 연료전지 차량의 구동모터인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템.
11. 청구항 1의 연료전지차량의 가습기 승온시스템을 제어하는 방법으로서,
    공기가습기의 승온이 필요한지 여부를 판단하는 판단단계; 및
    공기가습기의 승온이 필요한 경우 보조 냉각수라인으로 냉각수가 유통되도록 조절밸브를 제어하는 제어단계;를 포함하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 제어방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    판단단계에서는 연료전지차량의 냉시동 온 또는 오프시 공기가습기의 승온이 필요한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 가습기 승온시스템의 제어방법.

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