KR102254511B1 - 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 수소 전기차에 사용되는 연료 전지 스택으로부터 발생되는 폐열을 이용하여 열전 장치에 의해 전기를 발생시켜서 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키고 이들 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전된 전력을 선택적으로 방전시켜 온도 조절 장치를 작동시켜서 연료 전지 스택의 온도를 적정한 온도로 유지시키는, 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 수소 전기차에 사용되는 연료 전지 스택으로부터 발생되는 폐열을 이용하여 열전 장치에 의해 전기를 발생시켜서 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키고 이들 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전된 전력을 선택적으로 방전시켜 온도 조절 장치를 작동시켜서 연료 전지 스택의 온도를 적정한 온도로 유지시키는, 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
통상, 연료전지는 산소와 수소의 전기화학 반응을 이용해 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 연료가 외부에서 지속적으로 공급될 수만 있다면 계속해서 전기를 발생시킬 수 있고 에너지 전환 효율도 화석에너지와 크게 다르지 않다. 오히려 크기가 작아도 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다.
수소 연료 전지는 내연기관이 아닌, 수소를 연료로 사용하는 연료 전지를 이용해 모터를 가동한다. 수소 연료 전지의 원리는 먼저 안전한 수소탱크에 보관된 수소가 수소 공급 시스템에 의해 고압 상태에서 저압 상태로 바뀌어 연료 전지 스택으로 이동한다. 차량 전방에서 빨아들인 공기는 고성능 공기필터를 통과해 순수한 산소로 변한 뒤 연료 전지 스택에서 수소와 결합해 폭발을 일으킨다. 이때 발생하는 전기에너지가 배터리 시스템으로 이동해 자동차를 달릴 수 있게 하는 것입니다.
연료 전지는 온도가 낮으면 수분이 응결되어 전극을 침수시키고, 물질 전달 저항이 증가하게 되어 연료 전지 스택의 출력 전압이 감소하게 된다. 한편, 온도가 높으면 탈수로 인해 양성자 교환막에서 돌이킬 수 없는 손상을 초래하게 되므로 연료 전지 스택을 적정한 온도로 유지하는 것이 중요하다.
국내 특허 공개 2013-0028223호 공보(이하, 선행기술이라 함)에는 통합형 라디에이터를 사용하고 수냉식 열교환기를 적용함으로써 차량 전방의 공기유동 장애요소를 최소화하여 쿨링 모듈의 크기를 축소 및 단순화시킬 수 있고 쿨링팬의 용량을 최적화할 수 있는 연료전지 차량용 냉각장치가 개시되어 있다.
그러나 선행기술은 통합형 라디에이터에 냉각수를 유동시키는 방식이므로 전체적으로 부피가 크고 전원 공급 장치로부터 전원을 공급받아 동작하므로 효율적인 에너지 관리가 이루어지지 않는 다는 문제점이 있었다.
따라서 연료 전지 스택에서 항상 발생되는 폐열을 이용하여 발전시켜 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템에 이용함으로써 에너지의 효율을 향상시킬 필요성이 있었다.
[특허문헌 1] 국내 특허 공개 2013-0028223호 공보(발명의 명칭: 연료전지 차량용 냉각장치)
따라서 본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 설치 부피가 작고 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있는, 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템은 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 온도를 조절하도록 구성된 온도 조절 장치; 상기 연료 전지 스택으로부터 발생된 열을 이용하여 전기를 발생시키도록 구성된 열전 장치; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하도록 구성된 배터리; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하며 상기 배터리에 비해 보다 높은 전력을 공급하도록 구성된 슈퍼콘덴서; 상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하도록 구성된 연료 전지 스택 온도 감지부; 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 감지하도록 구성된 온도 조절 장치 필요 전력 감지부; 감지된 상기 연료 전지 스택의 온도를 설정 온도 범위와 비교하거나 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 설정 전력과 비교하여 열전 발전 모드 및 연료 전지 스택 온도 조절 모드 중 어느 하나를 결정하여 제어신호를 출력하도록 구성된 제어부; 상기 제어부로부터 연료 전지 스택 온도 조절 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서 중 하나 이상에 충전된 전력을 상기 온도 조절 장치에 제공하여 구동시킴으로써 상기 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 설정된 온도 범위를 유지하도록 하는 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부; 및 상기 제어부로부터 열전 발전 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키도록 구성된 열전 발전 모드 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템은 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작을 경우 알람신호를 발생하도록 구성된 알람 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법은 연료 전지 스택 온도 감지부에 의해 상기 연료 전지 스택의 온도가 감지되는 단계(S100); 온도 조절 장치 필요 전력 감지부에 의해 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 감지되는 단계(S200); 제어부가 감지된 상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내인지 또는 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하 인지의 여부를 결정하는 단계(S300); 상기 단계(S300)에서 상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내이거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하이면, 상기 제어부는 열전 발전 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 열전 발전 모드를 진행시키는 단계(S400); 및 상기 단계(S300)에서 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 설정 온도 범위를 벗어나거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 상기 설정 전력보다 크면, 상기 제어부가 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 연료 전지 스택 온도 조절 모드를 진행시키는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 열전 발전 모드 진행 단계(S400)는 열전 장치가 작동하여 상기 연료 전지 스택으로부터 발생되는 열을 이용하여 전기를 발생시키는 단계(S410); 상기 열전 장치에 의해 발생된 전기가 슈퍼콘덴서에 충전되는 단계(S420); 상기 열전 발전 모드 제어부에 의해 상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되는 지의 여부가 결정되는 단계(S430); 및 상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되면 상기 배터리가 충전되는 단계(S440);를 포함하며, 상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되지 않으면 상기 슈퍼콘덴서 충전 단계(S420)로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 진행 단계(S500)는 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 온도 조절 장치의 필요 전력이 배터리의 최대 방전 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S510); 상기 온도 조절 장치의 필요 전력이 상기 배터리의 최대 방전 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 상기 배터리의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S520); 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S530); 및 상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 알람 장치가 작동되는 단계(S540);를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 단계(S520)에서 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력 이상일 경우 상기 배터리가 방전되는 단계(S550); 및 상기 배터리로부터 방전된 전력이 상기 온도 조절 장치에 인가되어 작동됨으로써 상기 연료 전지 스택을 설정된 온도 범위로 유지시키는 단계(S560);를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 단계(S530)에서 상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력이상일 경우, 상기 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S570)를 더 포함하고, 상기 슈퍼콘덴서 방전 단계(S570) 후, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 단계(S510)에서 상기 온도 조절 장치의 필요 전력이 상기 배터리의 최대 방전 전력 이상일 경우, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 상기 배터리의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S580); 및 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S590);를 더 포함하고, 상기 단계(S590)에서 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 알람 장치 작동단계(S540)로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 단계(S580)에서 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력이상이면, 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S591)를 더 포함하고, 상기 방전 단계(S591) 후에, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 있어서, 상기 단계(S590)에서 상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력 이상이면, 상기 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S592)를 더 포함하고, 상기 방전 단계(S592) 후에, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행될 수 있다.
본 발명의 실시형태들에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 의하면, 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 온도를 조절하도록 구성된 온도 조절 장치; 상기 연료 전지 스택으로부터 발생된 열을 이용하여 전기를 발생시키도록 구성된 열전 장치; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하도록 구성된 배터리; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하며 상기 배터리에 비해 보다 높은 전력을 공급하도록 구성된 슈퍼콘덴서; 상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하도록 구성된 연료 전지 스택 온도 감지부; 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 감지하도록 구성된 온도 조절 장치 필요 전력 감지부; 감지된 상기 연료 전지 스택의 온도를 설정 온도 범위와 비교하거나 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 설정 전력과 비교하여 열전 발전 모드 및 연료 전지 스택 온도 조절 모드 중 어느 하나를 결정하여 제어신호를 출력하도록 구성된 제어부; 상기 제어부로부터 연료 전지 스택 온도 조절 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서 중 하나 이상에 충전된 전력을 상기 온도 조절 장치에 제공하여 구동시킴으로써 상기 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 설정된 온도 범위를 유지하도록 하는 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부; 및 상기 제어부로부터 열전 발전 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키도록 구성된 열전 발전 모드 제어부;를 포함하여 구성됨으로써, 설치 부피가 작고 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템의 블록구성도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템에 의해 구현되는 연료 전지 스택의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 도 2의 열전 발전모드 진행 스텝에 대한 상세 플로우챠트이다.
도 4는 도 2의 연료 전지 스택 온도 조절 모드 진행 스텝에 대한 상세 플로우챠트이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템의 블록구성도이다.
본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 온도 조절 장치(410), 열전 장치(400), 배터리(B), 슈퍼콘덴서(S), 연료 전지 스택 온도 감지부(100), 온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110), 제어부(200), 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300), 열전 발전 모드 제어부(310) 및 알람 장치(420)를 포함한다.
온도 조절 장치(410)는 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S) 중 하나 이상로부터 전력을 인가받아 동작하여 연료 전지 스택(F)을 냉각 또는 가열하여서 온도를 조절하는 역할을 하며, 예컨대 펠티어 소자로 구성할 수 있다,
열전 장치(400)는 연료 전지 스택(F)으로부터 발생되는 폐열을 이용하여 전기를 발생시켜 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S)에 전기를 공급하는 역할을 하며, 열전 소자를 이용하여 구성할 수 있다.
배터리(B)는 열전 장치(400)로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하여 온도 조절 장치(410)에 구동 전력을 제공하는 역할을 한다.
슈퍼콘덴서(S)는 열전 장치(400)로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하여 온도 조절 장치(410)에 구동 전력을 제공하는 역할을 하며, 배터리(B)에 비해 보다 높은 전력을 공급할 수 있다. 슈퍼콘덴서(S)는 배터리(B)에 비해 전력밀도가 상당히 높으므로, 높은 주변 온도 또는 높은 부하 조건으로 인해 연료 전지의 작동 온도가 높은 경우, 배터리(B)에 비해 더 높은 필요 전력을 공급할 수 있다.
연료 전지 스택 온도 감지부(100)는 연료 전지 스택(F)의 온도를 감지하여 제어부(200)에 제공하는 역할을 한다.
온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110)는 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력을 감지하여 제어부(200)에 제공하는 역할을 한다.
제어부(200)는 시스템 전체를 제어하는 마이컴으로서, 연료 전지 스택 온도 감지부(100)에 의해 감지된 연료 전지 스택(F)의 온도를 설정 온도 범위와 비교하거나, 또는 온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110)에 의해 감지된, 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력을 설정 전력과 비교하여, 열전 발전 모드 및 연료 전지 스택 온도 조절 모드 중 어느 하나를 결정하여 이에 상응하는 제어신호를 출력하는 역할을 한다.
제어부(200)는 연료 전지 스택(F)의 온도가 설정 온도 범위 내이거나 또는 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하이면, 열전 발전 모드 제어부(310)에 제어신호를 출력하여 열전 발전 모드를 진행시킨다.
제어부(200)는 연료 전지 스택(F)의 온도가 설정 온도 범위를 벗어나거나 또는 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력보다 크면, 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)에 제어신호를 출력하여 연료 전지 스택 온도 조절 모드를 진행시킨다.
연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 제어부(200)에 의해 연료 전지 스택 온도 조절 모드가 결정될 때 동작되어 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S) 중 하나 이상에 충전된 전력을 온도 조절 장치(410)에 제공하여 구동시킴으로써 연료 전지 스택(F)을 냉각 또는 가열하여 설정된 온도 범위를 유지하게 하는 역할을 한다.
열전 발전 모드 제어부(310)는 제어부(200)에 의해 열전 발전 모드가 결정될 때 동작되어 열전 장치(400)로부터 발생된 전기를 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S)에 충전시키는 역할을 한다
알람 장치(420)는 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작을 경우 배터리(B) 및 슈퍼콘데서(S) 중 하나 이상으로부터 전원을 인가받아 알람신호(경고음 및 경고영상 중 하나 이상)를 발생하는 역할을 한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템에 의해 구현되는 연료 전지 스택의 온도 조절 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템에 의해 구현되는 연료 전지 스택의 온도 조절 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이고, 도 3은 도 2의 열전 발전모드 진행 스텝에 대한 상세 플로우챠트이며, 도 4는 도 2의 연료 전지 스택 온도 조절 모드 진행 스텝에 대한 상세 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 나타낸다.
먼저, 연료 전지 스택 온도 감지부(100)에 의해 연료 전지 스택(F)의 온도가 감지되고(S100), 온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110)에 의해 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 감지된다(S200).
이어서, 제어부(200)는 연료 전지 스택 온도 감지부(100)에 의해 감지된 연료 전지 스택(F)의 온도가 설정 온도 범위 내인지, 또는 온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110)에 의해 감지된 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하 인지의 여부를 결정한다(S300).
상기 스텝(S300)에서 연료 전지 스택(F)의 온도가 설정 온도 범위 내이거나 또는 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하이면(YES), 제어부(200)는 열전 발전 모드 제어부(310)에 제어신호를 출력하여 열전 발전 모드를 진행시킨다(S400).
한편, 상기 단계(S300)에서 연료 전지 스택(F)의 온도가 설정 온도 범위를 벗어나거나 또는 온도 조절 장치(410)를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력보다 크면(NO), 제어부(200)가 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(100)에 제어신호를 출력하여 연료 전지 스택 온도 조절 모드를 진행시킨다(S500).
상기 스텝(S400, S500)후에 스텝(S100)으로 진행된다.
상기 스텝(S400)에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 열전 장치(400)는 연료 전지 스택(F)으로부터 발생되는 열을 이용하여 전기를 발생시키고(S410), 발생된 전기가 슈퍼콘덴서(S)에 충전된다(S420).
이어서, 열전 발전 모드 제어부(310)는 슈퍼콘덴서(S)가 완 충전(full charge)되는 지의 여부를 결정한다(S430).
상기 스텝(S430)에서 슈퍼콘덴서(S)가 완 충전되면(YES), 배터리(B)가 충전된다(S440).
한편, 상기 스텝(S430)에서 슈퍼콘덴서(S)가 완 충전되지 않으면(NO), 상기 스텝(S420)으로 진행된다.
상기 스텝(S500)에 대해 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 온도 조절 장치(410)의 필요 전력이 배터리(B)의 최대 방전 전력보다 작은 지의 여부를 결정한다(S510).
상기 스텝(S510)에서, 온도 조절 장치(410)의 필요 전력이 배터리(B)의 최대 방전 전력보다 작으면(YES), 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부를 결정한다(S520).
상기 스텝(S520)에서 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면(YES), 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부를 결정한다(S530).
상기 스텝(S530)에서 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면(YES), 알람 장치(420)가 작동되어 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S)가 비정상 상태임을 알린다(S540).
한편, 상기 스텝(S520)에서 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력 이상일 경우(NO), 배터리(B)가 방전되고(S550), 방전된 전력이 온도 조절 장치(410)에 인가되어 작동됨으로써 연료 전지 스택(F)을 설정된 온도 범위로 유지시킨다(S560).
한편, 상기 스텝(S530)에서 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력이상일 경우(NO), 슈퍼콘덴서(S)가 방전되고(S570), 상기 스텝(S560)이 진행된다.
한편, 상기 스텝(S510)에서 온도 조절 장치(410)의 필요 전력이 배터리(B)의 최대 방전 전력 이상일 경우(NO), 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부를 결정한다(S580).
상기 스텝(S580)에서 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면(YES), 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300)는 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부를 결정한다(S590).
상기 단계(S590)에서 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면(YES), 상기 스텝(S540)으로 진행된다.
한편, 상기 스텝(S580)에서 배터리(B)의 전력이 설정된 최소 전력이상이면(NO), 배터리(B) 및 슈퍼콘덴서(S)가 방전된 후(S591), 상기 스텝(S560)으로 진행된다.
한편, 상기 스텝(S590)에서 슈퍼콘덴서(S)의 전력이 설정된 최소 전력 이상이면(NO), 슈퍼콘덴서(S)가 방전된 후(S592), 상기 스텝(S560)으로 진행된다.
본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템 및 그 방법에 의하면, 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 온도를 조절하도록 구성된 온도 조절 장치; 상기 연료 전지 스택으로부터 발생된 열을 이용하여 전기를 발생시키도록 구성된 열전 장치; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하도록 구성된 배터리; 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하며 상기 배터리에 비해 보다 높은 전력을 공급하도록 구성된 슈퍼콘덴서; 상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하도록 구성된 연료 전지 스택 온도 감지부; 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 감지하도록 구성된 온도 조절 장치 필요 전력 감지부; 감지된 상기 연료 전지 스택의 온도를 설정 온도 범위와 비교하거나 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 설정 전력과 비교하여 열전 발전 모드 및 연료 전지 스택 온도 조절 모드 중 어느 하나를 결정하여 제어신호를 출력하도록 구성된 제어부; 상기 제어부로부터 연료 전지 스택 온도 조절 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서 중 하나 이상에 충전된 전력을 상기 온도 조절 장치에 제공하여 구동시킴으로써 상기 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 설정된 온도 범위를 유지하도록 하는 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부; 및 상기 제어부로부터 열전 발전 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키도록 구성된 열전 발전 모드 제어부;를 포함하여 구성됨으로써, 설치 부피가 작고 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 연료 전지 스택 온도 감지부
110: 온도 조절 장치 필요 전력 감지부
200: 제어부
300: 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부
310: 열전 발전 모드 제어부
F: 연료 전지 스택
400: 열전 장치
410: 온도 조절 장치
420: 알람 장치
B: 배터리
S: 슈퍼콘덴서

Claims (10)

  1. 연료 전지 스택(F)을 냉각 또는 가열하여 온도를 조절하도록 구성된 온도 조절 장치(410);
    상기 연료 전지 스택으로부터 발생된 열을 이용하여 전기를 발생시키도록 구성된 열전 장치(400);
    상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하도록 구성된 배터리(B);
    상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 충전 및 방전하며 상기 배터리에 비해 보다 높은 전력을 공급하도록 구성된 슈퍼콘덴서(S);
    상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하도록 구성된 연료 전지 스택 온도 감지부(100);
    상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 감지하도록 구성된 온도 조절 장치 필요 전력 감지부(110);
    감지된 상기 연료 전지 스택의 온도를 설정 온도 범위와 비교하거나 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력을 설정 전력과 비교하여 열전 발전 모드 및 연료 전지 스택 온도 조절 모드 중 어느 하나를 결정하여 제어신호를 출력하도록 구성된 제어부(200);
    상기 제어부로부터 연료 전지 스택 온도 조절 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서 중 하나 이상에 충전된 전력을 상기 온도 조절 장치에 제공하여 구동시킴으로써 상기 연료 전지 스택을 냉각 또는 가열하여 설정된 온도 범위를 유지하도록 하는 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부(300); 및
    상기 제어부로부터 열전 발전 모드가 결정될 때 제어신호를 인가받아 동작되어 상기 열전 장치로부터 발생된 전기를 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서에 충전시키도록 구성된 열전 발전 모드 제어부(310);를 포함하고,
    상기 제어부는
    감지된 상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내인지 또는 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하 인지의 여부를 결정하고,
    상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내이거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하이면, 상기 열전 발전 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 열전 발전 모드를 진행시키는 한편,
    상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 설정 온도 범위를 벗어나거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 상기 설정 전력보다 크면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 연료 전지 스택 온도 조절 모드를 진행시키는, 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 및 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작을 경우 알람신호를 발생하도록 구성된 알람 장치(420)를 더 포함하는, 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템.
  3. 제 1 항에 기재된 연료 전지 스택의 온도 조절 시스템을 이용한 연료 전지 스택의 온도 조절 방법으로서,
    연료 전지 스택 온도 감지부에 의해 상기 연료 전지 스택의 온도가 감지되는 단계(S100);
    온도 조절 장치 필요 전력 감지부에 의해 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 감지되는 단계(S200);
    제어부가 감지된 상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내인지 또는 감지된 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하 인지의 여부를 결정하는 단계(S300);
    상기 단계(S300)에서 상기 연료 전지 스택의 온도가 설정 온도 범위 내이거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 설정 전력 이하이면, 상기 제어부는 열전 발전 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 열전 발전 모드를 진행시키는 단계(S400); 및
    상기 단계(S300)에서 상기 연료 전지 스택의 온도가 상기 설정 온도 범위를 벗어나거나 또는 상기 온도 조절 장치를 구동하기 위한 필요 전력이 상기 설정 전력보다 크면, 상기 제어부가 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 제어신호를 출력하여 연료 전지 스택 온도 조절 모드를 진행시키는 단계(S500);를 포함하는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모드 진행 단계(S400)는
    열전 장치가 작동하여 상기 연료 전지 스택으로부터 발생되는 열을 이용하여 전기를 발생시키는 단계(S410);
    상기 열전 장치에 의해 발생된 전기가 슈퍼콘덴서에 충전되는 단계(S420);
    상기 열전 발전 모드 제어부에 의해 상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되는 지의 여부가 결정되는 단계(S430); 및
    상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되면 상기 배터리가 충전되는 단계(S440);를 포함하며,
    상기 슈퍼콘덴서가 완 충전되지 않으면 상기 슈퍼콘덴서 충전 단계(S420)로 진행되는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 진행 단계(S500)는
    상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 온도 조절 장치의 필요 전력이 배터리의 최대 방전 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S510);
    상기 온도 조절 장치의 필요 전력이 상기 배터리의 최대 방전 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 상기 배터리의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S520);
    상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S530); 및
    상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 알람 장치가 작동되는 단계(S540);를 포함하는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계(S520)에서 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력 이상일 경우 상기 배터리가 방전되는 단계(S550); 및
    상기 배터리로부터 방전된 전력이 상기 온도 조절 장치에 인가되어 작동됨으로써 상기 연료 전지 스택을 설정된 온도 범위로 유지시키는 단계(S560);를 포함하는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계(S530)에서 상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력이상일 경우, 상기 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S570)를 더 포함하고,
    상기 슈퍼콘덴서 방전 단계(S570) 후, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행되는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 단계(S510)에서 상기 온도 조절 장치의 필요 전력이 상기 배터리의 최대 방전 전력 이상일 경우, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 상기 배터리의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S580); 및
    상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 연료 전지 스택 온도 조절 모드 제어부에 의해 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작은 지의 여부가 결정되는 단계(S590);를 더 포함하고,
    상기 단계(S590)에서 슈퍼콘덴서의 전력이 설정된 최소 전력보다 작으면, 상기 알람 장치 작동단계(S540)로 진행되는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계(S580)에서 상기 배터리의 전력이 상기 설정된 최소 전력이상이면, 상기 배터리 및 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S591)를 더 포함하고,
    상기 방전 단계(S591) 후에, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행되는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계(S590)에서 상기 슈퍼콘덴서의 전력이 상기 설정된 최소 전력 이상이면, 상기 슈퍼콘덴서가 방전되는 단계(S592)를 더 포함하고,
    상기 방전 단계(S592) 후에, 상기 연료 전지 스택의 설정된 온도 범위 유지 단계(S560)로 진행되는, 연료 전지 스택의 온도 조절 방법.
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