KR101840276B1 - 연료전지 물분사 시스템 및 그의 운전 방법. - Google Patents

연료전지 물분사 시스템 및 그의 운전 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 물분사 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 해동을 위한 보기류의 폐열을 이용하여 물분사의 적용시간을 단축시키는 물분사 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것이다. 본 발명은 연료전지의 해동을 위해 인가된 전류에 의해 연료전지에서 발생된 보기류의 폐열을 생성수와 냉각수 형태로 저장하여 연료전지에 물분사를 구동하는 구동모터하우징; 및 구동모터하우징의 물분사 경로에 위치하여 압력으로 물분사의 세기의 조절이 가능하고 물분사의 경로를 연료전지 또는 구동모터하우징 방향으로 선택 조절이 가능한 워터 펌프;를 포함하는 연료전지 물분사 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 폐열을 활용하여 해동 시간을 단축시키고, 해동에 이용되는 히터용량을 축소하거나 삭제하는 기술을 적용하여 원가 절감 및 연비 향상의 이점이 있다.

Description

연료전지 물분사 시스템 및 그의 운전 방법.{WATER INJECTION SYSTEM AND ITS OPERATION METHOD OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 물분사 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 워터탱크의 해동을 위해 보기류의 폐열을 이용하는 물분사 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 환경문제의 심각성에 따라 차량의 에너지원으로 적용되고 있다. 연료전지스택(Stack)은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드극 및 애노드극으로 구성되어 있다. 연료전지스택은 시동이 오프 되는 경우 막 전극 어셈블리 내에 생성된 물을 제거하여야 차기 시동에서 산화 및 환원반응에 안정성을 제공하여 안정된 시동성을 확보할 수 있다.
일반적으로 연료전지가 영하의 온도에 장시간 노출되는 경우 전기화학 반응에 의해 막-전극 어셈블리 내에 생성된 물이 막-전극 어셈블리의 애노드극 및 캐소드극 표면에 얼어붙게 된다. 따라서, 연료전지 스택의 각 유로 및 가스 확산층을 폐색시키는 동시에 연료인 수소와 산화제인 공기가 애노드극 및 캐소드극으로 원활하게 공급되지 못해 정상적인 화학적인 반응이 일어나지 않게 된다.
이와 관련, 종래의 미국공개특허 제2011-0033763호(Fuel cell system and reverse flow relief valve)는 연료전지 시스템에 관한 것으로서 물분사노즐, 배관, 밸브, 워터탱크 등을 포함하고, 물분사 및 워터탱크(발열체포함)를 이용하여 스택 셧다운시 캐소드로 주입하는 물 공급관의 퍼지를 위한 방법으로 리저버 내에 반대방향으로 흐름이 가능한 릴리프 밸브를 개시하고 있다. 종래 기술은 애노드 출구 및 캐소드 출구에서 물을 수집하고 셧다운시 캐소드 내 물을 퍼지하며 워터리저버 내에 워터펌프를 내장한다.
다만 종래 기술의 경우 연료전지나 워터탱크 등은 영하의 온도에서 결빙이 일어날 수 있고, 영하의 온도에서 얼게 되는 것을 방지하기 위해 워터탱크 내에 히터를 구비한다. 그러나 물저장소에 별도의 히터를 구비하게 되면 비용이 발생하는 문제점이 있고, 워터 탱크의 해동 시간이 오래 걸려 연비가 감소하는 문제점이 있다.
미국공개특허 제2011-0033763호
본 발명은 워터 탱크의 해동에 필요한 히터의 용량 축소 또는 삭제를 할 수 있는 연료전지 물분사 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 냉시동을 하였을 때 워터탱크의 해동을 신속히 하여 연비를 향상하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료전지의 해동을 위해 인가된 전류에 의해 연료전지에서 발생된 보기류의 폐열을 생성수와 냉각수 형태로 저장하여 연료전지에 물분사를 구동하는 구동모터하우징; 및 구동모터하우징의 물분사 경로에 위치하여 압력으로 물분사의 세기의 조절이 가능하고 물분사의 경로를 연료전지 또는 구동모터하우징 방향으로 선택 조절이 가능한 워터 펌프;를 포함하는 연료전지 물분사 시스템을 제공하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 구동모터하우징은, 구동모터; 구동모터의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 구동모터의 냉각수를 저장하는 냉각수 채널; 및 구동모터의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 생성수를 저장하는 저장용 채널;을 포함하고, 냉각수 채널과 저장용 채널은 구동모터의 외주면에 교차 설치될 수 있다.
바람직하게, 워터 펌프는, 물분사의 경로를 정회전 또는 역회전으로 회전 방향에 따라 선택 조절할 수 있다.
바람직하게, 워터 펌프는, 구동모터하우징의 외주면에 설치되어 구동모터하우징으로부터 발생하는 열에 의해 온도가 상승될 수 있다.
바람직하게, 구동모터하우징과 연료전지 출구 사이에 형성된 물저장 라인에 설치되어 구동모터하우징에 저장되는 생성수의 양을 조절하는 드레인 밸브; 및 구동모터하우징과 연료전지 입구 사이에 형성된 물분사 라인에 설치되어 연료전지로 흐르는 물의 양을 조절하는 워터 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 드레인 밸브는, 생성수를 외부로 방출할 수 있는 출구가 형성되어 외부로 물을 제거하여 구동모터하우징에 저장되는 생성수의 양을 조절할 수 있다.
바람직하게, 물저장 라인은 연료전지의 캐소드극 또는 애노드극 출구로부터 물을 수집하여 저장할 수 있으며, 물분사 라인은 연료전지의 캐소드극 또는 애노드극 입구에 연결하여 물분사를 통해 연료전지를 냉각 또는 가습 할 수 있다.
바람직하게, 물분사 라인은, 연료전지의 캐소드극 입구에 설치되어 연료전지에 물분사를 통한 쿨링을 하는 에어쿨러;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, 연료전지 냉시동 향상 방법에 있어서, 연료전지의 냉시동 운전 조건에서 구동모터를 운전시키고 구동모터하우징의 냉각수 채널과 저장용 채널에 저장된 물을 물분사 라인으로 공급하여 워터 펌프를 해동시키는 제1 단계; 및 구동모터가 정지되는 경우 물분사 라인의 워터 밸브를 폐쇄하고 워터 펌프의 역회전을 이용하여 물분사 라인의 물을 구동모터하우징에 저장하는 제2 단계;를 포함하고, 냉시동이 재시작되는 경우 구동모터하우징에 저장된 물의 폐열을 이용하여 냉시동의 구동시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법을 제공하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 제1 단계 이전에, 연료전지에 수소와 공기를 공급하는 과정; 및 연료전지가 발열운전을 시작하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 제 1 단계는, 구동모터의 운전이 일어난 후 워터 펌프의 구동여부를 확인하는 과정; 및 물저장 라인의 드레인 밸브를 열어 구동모터하우징에 생성수를 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 워터 펌프가 구동되지 않는 경우 펌프 히터를 구동하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 제2 단계는, 물저장 라인에 컴프레서를 설치하고 컴프레서의 공회전을 통해 워터 펌프의 방향으로 배관에 저장된 물을 드레인할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 폐열을 활용하여 해동 시간을 단축시키는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 해동에 이용되는 히터용량을 축소하거나 삭제하는 기술을 적용하여 원가를 절감하는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 히터 전력의 사용량을 축소하거나 삭제하는 기술을 적용하여 연비를 향상시키는 이점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지 물분사 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 물분사 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 물분사 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 냉시동을 하는 제1 단계의 순서도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 시동 오프를 하는 제2 단계의 순서도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명은 연료전지(10) 차량의 구동모터(301)가 연료전지(10) 스택에서 생성된 출력 전류를 구동모터(301)에서 많이 소모함을 유도하고 연료전지(10) 스택의 자체 발열에 따른 생성수를 보관하여 연료전지(10) 자체의 해동에 소모된 전류를 이용한 냉시동 시간을 단축시키고 워터 탱크의 해동을 신속하게 할 수 있는 점에 주안점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지 물분사 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 종래의 연료전지 물분사 시스템은 물분사 노즐, 배관, 밸브, 워터탱크로 구성될 수 있고, 워터탱크 내부에는 히터가 설치될 수 있다.
다만 종래 기술의 경우 연료전지나 워터탱크 등은 영하의 온도에서 결빙이 일어날 수 있고, 영하의 온도에서 얼게 되는 것을 방지하기 위해 워터탱크 내에 히터를 구비할 수 있다. 그러나 물저장소에 별도의 히터를 구비하게 되면 비용이 발생하는 문제점이 있고, 분사용 물을 신속히 녹일 수 없어 물분사 적용 시간이 오래 걸려 연비가 감소하는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 물분사 시스템(1)의 구성도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 연료전지 물분사 시스템(1)은 구동모터하우징(30)과 워터 펌프(50)를 포함할 수 있다.
구동모터하우징(30)은 연료전지(10)의 해동을 위해 인가된 전류에 의해 연료전지(10)에서 발생된 보기류의 폐열을 생성수와 냉각수 형태로 저장하여 냉시동시 연료전지(10)에 물분사를 구동할 수 있다.
구동모터하우징(30)은 워터탱크로 활용될 수 있다. 이 경우 워터탱크를 해빙하기 위한 부속장치(히터)가 삭제/축소 될 수 있고 해빙하기 위한 에너지를 절약할 수 있다. 또한 영하의 운전 온도에서도 구동모터는 시동 이후 구동하게 되면 상온을 유지할 것이므로 워터탱크가 운전 중에도 얼지 않게 된다.
구동모터하우징(30)은 연료전지(10)에서 발생된 생성수를 보관할 수 있다. 구동모터하우징(30)은 구동모터(301), 냉각수 채널(305) 및 저장용 채널(303)을 포함할 수 있다. 냉각수 채널(305)과 저장용 채널(303)은 구동모터(301)의 외주면에 교차 설치될 수 있다.
연료전지(10)는 냉시동 조건에서 구동모터(301)에 전류를 인가할 수 있다. 연료전지(10)는 냉시동 조건에서 인버터(미도시)의 제어에 의해 연료전지(10)의 출력전류 즉, DC 파워를 구동모터(301)에 인가한다.
연료전지(10)의 출력전류의 소모량 증대에 따라 연료전지(10) 스택이 자체 발열을 하여 승온되면, 연료전지(10)에서는 생성수가 발생하게 되고, 이러한 생성수를 구동모터하우징(30)에 저장하여 냉시동 조건이 해제되는 동시에 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
연료전지(10) 스택의 출력전류 즉, 상전류 크기를 일정하게 유지하여 구동모터(301)에 인가하면, 구동모터(301)의 회전자가 일정 각도 범위(예를 들어, +20°~ -20°또는 +40°~ -40°)로 회전하면서 진동하게 되고 이때 토크가 발생된다. 실제 상기 회전자의 정역방향 회전각도가 +20°~ -20°사이 범위이면 발생 토크가 제로에 가깝지만, +20°이상이 되면 양의 토크가 증가하게 되고, -20°이하가 되면 음의 토크가 발생하게 된다.
이러한 회전자의 토크 발생 원리를 이용하여, 회전자를 예를 들어 +40°~ -40°사이 범위로 진동시키면 토크가 발생하여, 결국 회전자는 정방향(+) 및 역방향(-)으로 반복하여 각회전을 하게 되고 구동모터(301)의 회전자에서는 연료전지(10)의 출력전류를 소모하며 [파워(Power) = 토크 × 회전속도] 와 같이 파워를 출력할 수 있다.
냉각수 채널(305)은 구동모터(301)의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 구동모터(301)의 냉각수를 저장할 수 있다. 구동모터(301)는 냉시동시 약 400kJ 이상을 소모하는데, 냉각수 채널(305)은 이러한 구동모터(301)의 온도를 낮추는 동시에 구동모터(301)에서 발생한 열을 저장하는 역할을 할 수 있다.
저장용 채널(303)은 구동모터(301)의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 생성수를 저장할 수 있다. 저장용 채널(303)은 냉각수 채널(305)과 동일한 외주면에 교차 설치되어 연료전지(10)에서 발생한 생성수를 드레인하여 저장하는 역할을 할 수 있다.
연료전지(10)는 한 번 쓰고 버리는 1차 전지나 여러 번 재충전이 가능한 2차 전지와는 달리 별도의 전원 충전 없이 연료 카트리지만 바꿔 주면 장시간 사용할 수 있는 저공해, 고효율 차세대 에너지원을 일컫는다. 이러한 연료전지(10)는 다른 에너지원에 비해 시스템 효율이 높고, 별도의 구동부가 존재하지 않아 소음이 없으며, 황, 질소산화물을 배출하지 않아 친환경적이라는 장점이 있다.
연료전지(10) 스택은 단위 전지들이 수십 개 내지 수백 개로 적층되며, 수W 내지 수KW의 전력량을 생산하게 된다. 연료전지(10)의 분리판은 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양 측면에 배치되며, 수소를 포함한 가스 또는 액체 연료 및 산화제 가스를 막-전극 어셈블리로 공급하는 통로의 역할과 막-전극 어셈블리의 애노드 극과 캐소드극의 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
연료전지(10)는 스택 단위의 전지들로서 연료 및 산화제 가스를 공급하게 되면, 연료는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극으로 공급되고, 산화제 가스는 분리판에 의해 캐소드극으로 공급된다. 이 과정에 연료전지(10) 스택의 애노드극에서 연료 중에 함유된 수소 성분의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드극에서는 산화제 가스의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로서 전기 에너지를 생성하게 된다.
생성수는 연료전지(10) 스택에서 전기 에너지를 발생하는 과정 중 공기와 물이 혼합된 유체를 말하는데 연료전지(10) 스택에서는 다량의 생성수가 배출될 수 있다.
저장용 채널(303)은 연료전지(10)와 구동모터하우징(30)을 연결하는 물저장 라인(70)의 생성수를 저장하는 역할을 한다. 물저장 라인(70)은 상술한 연료전지(10)의 캐소드극 또는 애노드극 출구로부터 발생되는 생성수를 수집하여 저장할 수 있다. 물저장 라인(70)과 동일한 방식으로 물분사 라인(90)도 캐소드극 또는 애노드극 입구에 연결되어 물을 분사할 수 있고, 연료전지(10)를 냉각 또는 가습할 수 있다.
물저장 라인(70)에는 드레인 밸브(701)를 포함할 수 있고, 물분사 라이은 워터 밸브(901)를 포함할 수 있다.
드레인 밸브(701)는 구동모터하우징(30)과 연료전지(10) 출구 사이에 형성된 물저장 라인(70)에 설치되어 구동모터하우징(30)에 저장되는 생성수의 양을 조절할 수 있다. 드레인 밸브(701)는 생성수를 외부로 방출할 수 있는 출구가 형성되어 외부로 물을 제거하여 구동모터하우징(30)에 저장되는 생성수의 양을 조절할 수 있다. 드레인 밸브(701)는 개방 또는 폐쇄가 가능하며 2가지 경로를 포함할 수 있고, 구동모터(301)로의 저장 경로 상에 설치되어 물을 저장하거나 대기중으로 물을 버릴 수 있는 역할을 할 수 있다.
물분사 라인(90)은 연료전지(10)의 캐소드극 또는 애노드극 입구에 연결하여 물분사를 통해 연료전지(10)를 냉각 또는 가습 할 수 있는데 물분사 라인(90)은 연료전지(10)의 캐소드극 입구에 설치되어 연료전지(10)에 물분사를 통한 쿨링을 하는 에어쿨러를 더 포함할 수 있다.
워터 밸브(901)는 구동모터하우징(30)과 연료전지(10) 입구 사이에 형성된 물분사 라인(90)에 설치되어 연료전지(10)로 흐르는 물의 양을 조절할 수 있다. 또한 워터 밸브(901)는 후술할 워터 펌프(50)의 역회전시 연료전지(10)로 물이 흐르지 못하게 폐쇄하는 기능을 할 수 있다.
워터 펌프(50)는 구동모터하우징(30)의 물분사 경로에 위치하여 압력으로 물분사의 세기의 조절이 가능하고 물분사의 경로를 연료전지(10) 또는 구동모터하우징(30) 방향으로 선택 조절을 할 수 있다.
워터 펌프(50)는 물분사의 경로를 정회전 또는 역회전으로 회전 방향에 따라 선택 조절할 수 있다. 워터 펌프(50)는 노즐 입구의 고압(2 bar ~ 7 bar)의 높은 압력을 공급할 수 있다. 워터 펌프(50)는 역회전을 통해 물분사 라인(90)에 저장된 물을 구동모터하우징(30) 방향으로 드레인할 수 있으며, 이 때 물분사 라인(90)의 배관은 진공상태를 유지할 수 있다.
워터 펌프(50)는 구동모터하우징(30)의 외주면에 설치되어 구동모터하우징(30)으로부터 발생하는 열에 의해 온도가 상승될 수 있다. 도 1에는 구동모터하우징(30)으로부터 떨어져 설치되어 있으나 구동모터하우징(30) 내부에 설치되어 냉시동시 구동모터(301)에서 발생한 열을 이용하여 직접적으로 해동될 수 있다. 물저장 라인(70)과 물분사 라인(90)은 단열처리가 가능하다.
이하에서는 상술한 연료전지 물분사 시스템(1)을 이용한 연료전지 물분사 시스템(1)의 운전방법에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 물분사 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 3을 참조하면 도 2와는 달리, 연료전지 물분사 시스템(1)은 모터 구동축과 수직되는 방향으로 냉각채널이 설계될 수 있고, 제어기는 제어 시그널을 통해 워터펌프 및 드레인밸브를 콘트롤 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 냉시동을 하는 제1 단계의 순서도를 나타낸다. 도 4를 참조하면 연료전지 물분사 시스템(1)의 운전 방법은 워터 펌프(50)를 해동시키는 제1 단계 및 물을 상기 구동모터하우징(30)에 저장하는 제2 단계를 포함할 수 있다.
제1 단계는 연료전지(10)의 냉시동 운전 조건에서 구동모터(301)를 운전시키고 구동모터하우징(30)의 냉각수 채널(305)과 저장용 채널(303)에 저장된 물을 물분사 라인(90)으로 공급하는 과정이다.
제1 단계 이전에, 연료전지에 수소와 공기를 공급하는 과정; 및 연료전지가 발열운전을 시작하는 과정;을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시에에 따라 제1 단계는 냉시동 시퀀스로 진입하는 과정이므로 그 전에 연료전지(10)에 연료를 공급하고 구동모터(301)를 운전하는 과정을 포함시킬 수 있다.
연료공급 및 구동모터(301) 운전방법은 상술한 생성수가 생성되는 과정에서 설명한 내용과 동일한바 방법 발명에서는 그 설명을 생략한다.
제 1 단계는 구동모터(301)의 운전이 일어난 후 워터 펌프의 구동여부를 확인하는 과정; 및 물저장 라인(70)의 드레인 밸브(701)를 열어 구동모터하우징(30)에 생성수를 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
워터 펌프(50)의 구동여부를 확인하는 과정은 온도가 낮은 경우 냉시동시 워터 펌프(50)가 결빙되어 있을 수 있기 때문에 필요한 과정으로 이 경우 제1 단계는 워터 펌프(50)가 구동되지 않는 경우 펌프 히터를 구동하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
생성수를 공급하는 과정은 드레인 밸브(701)를 이용할 수 있는데, 드레인 밸브(701)의 출구방향을 구동모터하우징(30) 방향으로 조절하여 물분사 라인(90)에 제공되는 물의 온도를 상승시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 냉시동이 재시작되는 경우 구동모터하우징(30)에 저장된 물의 폐열을 이용하여 냉시동의 구동시간을 단축시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 시동 오프를 하는 제2 단계의 순서도를 나타낸다. 도 5를 참조하면 제2 단계는 구동모터(301)가 정지되는 경우 물분사 라인(90)의 워터 밸브(901)를 폐쇄하고 워터 펌프(50)의 역회전을 이용하여 물분사 라인(90)의 물을 구동모터하우징(30)에 저장할 수 있다.
제2 단계는 물저장 라인(70)에 컴프레서를 설치하고 컴프레서의 공회전을 통해 워터 펌프(50)의 방향으로 배관에 저장된 물을 드레인 할 수 있다. 시동오프의 명령시 워터 펌프(50)는 정지를 하게되고, 역회전을 통해 물분사 라인(90)에 저장된 물을 구동모터하우징(30) 방향으로 드레인 할 수 있다.
이 경우 워터 펌프(50)는 역회전을 하고 연료전지(10)의 입구 쪽에 연결된 워터 밸브(901)는 개방에서 폐쇄로 전환되어 연료전지(10)로 물을 더 이상 공급하지 않을 수 있다. 따라서 물분사 라인(90)의 상태를 진공상태로 만들면서 물을 구동모터하우징(30) 방향으로 드레인 할 수 있다.
제2 단계를 통해 재시작시 저장된 물의 온도를 이용하여 냉시동의 시간을 단축시킬 수 있는데, 이 경우 물저장 라인(70)의 드레인 밸브(701)의 출구방향은 공기배출 쪽으로 조절되어 대기중으로 물을 버릴 수 있으며, 물분사 라인(90)에는 컴프레서 공회전을 통해 내부의 물을 제거할 수 있다.
제1 단계와 같이 운전중에는 구동모터(301)의 발열 및 모터용 부동액 라인(20)에서 공급되는 부동액으로 0℃ 이상을 유지하므로 저장하는 생성수는 결빙되지 않을 수 있다. 제2 단계는 시동이 종료되면서 다음 시동이 시작될 때까지 온도가 상승된 물을 저장함으로써 연료전지(10) 주변 온도를 상승시키는 역할을 할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 연료전지 물분사 시스템 10 : 연료전지
20 : 모터용 부동액 라인 30 : 구동모터하우징
50 : 워터 펌프 70 : 물저장 라인
90 : 물분사 라인
301 : 구동모터 303 : 저장용 채널
305 : 냉각수 채널 701 : 드레인 밸브
901 : 워터 밸브

Claims (13)

  1. 연료전지의 해동을 위해 인가된 전류에 의해 상기 연료전지에서 발생된 보기류의 폐열을 생성수와 냉각수 형태로 저장하여 상기 연료전지에 물분사를 구동하는 구동모터하우징; 및
    상기 구동모터하우징의 물분사 경로에 위치하여 압력으로 상기 물분사의 세기의 조절이 가능하고 상기 물분사의 경로를 상기 연료전지 또는 상기 구동모터하우징 방향으로 선택 조절이 가능한 워터 펌프;를 포함하는 연료전지 물분사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동모터하우징은,
    구동모터;
    상기 구동모터의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 상기 구동모터의 냉각수를 저장하는 냉각수 채널; 및
    상기 구동모터의 외주면에 소정의 간격으로 설치되어 상기 생성수를 저장하는 저장용 채널;을 포함하고,
    상기 냉각수 채널과 상기 저장용 채널은 상기 구동모터의 외주면에 교차 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터 펌프는,
    상기 물분사의 경로를 정회전 또는 역회전으로 회전 방향에 따라 선택 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터 펌프는,
    상기 구동모터하우징의 외주면에 설치되어 상기 구동모터하우징으로부터 발생하는 열에 의해 온도가 상승할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동모터하우징과 상기 연료전지 출구 사이에 형성된 물저장 라인에 설치되어 상기 구동모터하우징에 저장되는 생성수의 양을 조절하는 드레인 밸브; 및
    상기 구동모터하우징과 상기 연료전지 입구 사이에 형성된 물분사 라인에 설치되어 상기 연료전지로 흐르는 물의 양을 조절하는 워터 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 드레인 밸브는,
    상기 생성수를 외부로 방출할 수 있는 출구가 형성되어 상기 외부로 물을 제거하여 상기 구동모터하우징에 저장되는 생성수의 양을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 물저장 라인은 상기 연료전지의 캐소드극 또는 애노드극 출구로부터 물을 수집하여 저장할 수 있으며,
    상기 물분사 라인은 상기 연료전지의 캐소드극 또는 애노드극 입구에 연결하여 물분사를 통해 상기 연료전지를 냉각 또는 가습 할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 물분사 라인은,
    상기 연료전지의 캐소드극 입구에 설치되어 상기 연료전지에 물분사를 통한 쿨링을 하는 에어쿨러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템.
  9. 연료전지의 운전 조건에서 구동모터를 운전시키고 구동모터하우징의 냉각수 채널과 저장용 채널에 저장된 물을 물분사 라인으로 공급하여 워터 펌프를 해동시키는 제1 단계; 및
    상기 구동모터가 정지되는 경우 상기 물분사 라인의 워터 밸브를 폐쇄하고 상기 워터 펌프의 역회전을 이용하여 상기 물분사 라인의 물을 상기 구동모터하우징에 저장하는 제2 단계;를 포함하고,
    냉시동이 재시작되는 경우 상기 구동모터하우징에 저장된 물의 폐열을 이용하여 상기 냉시동의 구동시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 단계 이전에,
    상기 연료전지에 수소와 공기를 공급하는 과정; 및
    상기 연료전지가 발열운전을 시작하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 구동모터의 운전이 일어난 후 상기 워터 펌프의 구동여부를 확인하는 과정; 및
    상기 구동모터하우징과 상기 연료전지 출구 사이에 형성된 물저장 라인의 드레인 밸브를 열어 상기 구동모터하우징에 생성수를 공급하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 워터 펌프가 구동되지 않는 경우 펌프 히터를 구동하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 구동모터하우징과 상기 연료전지 출구 사이에 형성된물저장 라인에 컴프레서를 설치하고 상기 컴프레서의 공회전을 통해 상기 워터 펌프의 방향으로 배관에 저장된 물을 드레인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 물분사 시스템의 운전 방법.
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