KR102575714B1 - 연료전지용 워터트랩장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지용 워터트랩장치는, 연료전지 스택에 연결되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징; 상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구; 상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구; 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러; 및 상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구;를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 설정된 수위범위의 하한값에 대응하는 제1설정진동수 및 설정된 수위범위의 상한값에 대응하는 제2설정진동수를 설정하고, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 측정된 생성수의 수위가 제2설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브를 개방하며, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 측정된 생성수의 수위가 제1설정진동수 보다 작으면 상기 배출밸브를 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

Description

연료전지용 워터트랩장치 및 그 제어방법{WATER TRAP APPARATUS FOR FUEL CELL AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 워터트랩장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 워터트랩 내에 수용된 생성수의 수위를 매우 정확하게 검출할 수 있고, 워터트랩 내에 잔존하는 생성수의 결빙 여부 등을 정확하게 검출하는 연료전지용 워터트랩장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응에 의해 생성된 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학장치이다. 예를 들면, 연료전지는 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.
연료전지는 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함할 수 있다.
이러한 연료 전지는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
그리고, 연료전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 연속적으로 배열된 복수의 단위 전지를 포함한다. 각 단위전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 가지며, 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 배치된 수소극 및 공기극 등으로 구성되어 있다.
연료전지는 연료전지 스택에서 생성된 생성수(product water)를 포집하는 워터트랩(water trap)을 포함할 수 있고, 워터트랩은 생성수를 일시적으로 수용하고 적절한 시점에서 배출하도록 구성됨으로써 플러딩(flooding)에 의한 연료전지 스택의 출력 제한을 방지하도록 구성될 수 있다.
연료전지 스택으로부터 생성수가 배출될 때 워터트랩은 수소가스/질소가스 혼합물이 생성수와 함께 배출됨을 최소화하도록 구성될 수 있다.
워터트랩은 생성부의 수위를 검출하는 정전용량형 레벨센서 및 정전용량형 레벨센서가 전기적으로 접속된 컨트롤러를 가지고, 컨트롤러는 정전용량형 레벨센서에 의해 검출된 생성수의 수위가 설정된 수위범위를 유지하도록 생성수를 배출하도록 구성될 수 있다.
하지만, 종래의 워터트랩은 차량 진동, 도로의 경사도, 생성수가 워터트랩으로 유입되는 경로 등에 따라 정전용량형 레벨센서가 오작동하거나 비정상적인 수위로 검출할 가능성이 높은 단점이 있었다.
그리고, 종래의 워터트랩은 정전용량형 레벨센서가 측정범위 이상의 수위를 넘어설 경우에는 생성수의 수위를 검출할 수 없으므로, 만수위를 넘어설 경우에는 생성수가 배출되지 못하여 플러딩을 유발할 가능성이 높은 단점이 있었다.
또한, 종래의 워터트랩은 차량의 엔진이 정지할 때 워터트랩 내의 물이 충분히 배출되지 못하면 저온환경에서는 워터트랩 내에 잔존한 생성수가 결빙될 수 있고, 이러한 결빙을 효과적으로 검출할 수 없으므로 워터트랩의 배출기구의 고장 또는 막힘 등이 발생할 수 있으며, 이로 인해 플로딩으로 인한 연료전지 스택의 출력 제한이 심하게 발생하거나 연료전지의 작동이 불가능해지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 외부 요건 등의 영향을 받지 않으면서 워터트랩 내에 수용된 생성수의 수위를 매우 정확하게 검출할 수 있고, 정확한 수위의 검출을 통해 워터트랩으로부터 생성수를 효율적으로 배출할 수 있으며, 워터트랩 내에 잔존하는 생성수의 결빙 여부 등을 검출함으로써 워터트랩의 배출기구의 고장 또는 막힘 등을 효과적을 방지할 수 있는 연료전지용 워터트랩장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 연료전지용 워터트랩장치로서,
연료전지 스택에 연결되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징;
상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구;
상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구;
상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러; 및
상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구;를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 설정된 수위범위의 하한값에 대응하는 제1설정진동수 및 설정된 수위범위의 상한값에 대응하는 제2설정진동수를 설정하고, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 측정된 생성수의 수위가 제2설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브를 개방하며, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 측정된 생성수의 수위가 제1설정진동수 보다 작으면 상기 배출밸브를 폐쇄하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 진동발생기구는 상기 워터트랩 하우징의 길이방향에 대해 직교하는 방향으로 진동을 발생하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 진동발생기구는 상기 워터트랩 하우징의 길이방향과 평행한 방향으로 진동을 발생하도록 구성될 수 있다.
상기 워터트랩 하우징의 외면에 배치된 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 배출밸브는 노말 클로즈 밸브(normally-closed valve)로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징과, 상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구와, 상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구와, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러와, 상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구를 포함한 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법으로,
상기 워터트랩 하우징의 설정된 수위범위의 하한값에 대응하는 제1설정진동수 및 설정된 수위범위의 상한값에 대응하는 제2설정진동수를 설정하고,
상기 배출밸브가 폐쇄된 상태에서 진동발생기구 및 진동수 측정기구에 의해 1차측정 고유진동수를 측정하며,
상기 1차측정 고유진동수가 상기 제2설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브를 개방하고,
상기 배출밸브가 개방된 상태에서 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 2차측정 고유진동수를 측정하며,
상기 2차측정 고유진동수가 상기 제1설정진동수 보다 작으면 상기 배출밸브를 폐쇄할 수 있다.
상기 2차측정 고유진동수가 상기 제2설정진동수 보다 크면 상기 컨트롤러는 상기 워터트랩 하우징 내에서 생성수의 결빙 또는 배출기구의 고장을 진단할 수 있다.
상기 2차측정 고유진동수가 상기 제1설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브의 개방을 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징과, 상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구와, 상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구와, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러와, 상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구를 포함한 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법으로,
생성수가 결빙되지 않은 조건에서 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 복수의 제1고유진동수 및 생성수가 결빙된 조건에서 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 복수의 제2고유진동수를 상기 컨트롤러의 메모리에 입력하고,
상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 워터트랩 하우징의 고유진동수를 측정하며,
상기 측정된 고유진동수를 상기 제1고유진동수 및 상기 제2고유진동수와 비교함으로써 워터트랩 하우징 내의 생성수가 결빙되었는지 여부를 판단하고,
상기 측정된 고유진동수가 상기 제2고유진동수와 동일하거나 유사한 값이면 히터를 구동시켜 결빙된 생성수를 해빙할 수 있다.
본 발명에 의하면, 외부 요건 등의 영향을 받지 않으면서 워터트랩 내에 수용된 생성수의 수위를 매우 정확하게 검출할 수 있고, 정확한 수위의 검출을 통해 워터트랩으로부터 생성수를 효율적으로 배출할 수 있으며, 워터트랩 내에 잔존하는 생성수의 결빙 여부 등을 검출함으로써 워터트랩의 배출기구의 고장 또는 막힘 등을 효과적을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치가 연료전지 스택에 연결된 구조를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동발생기구가 워터트랩장치에 장착된 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동발생기구가 워터트랩장치에 장착된 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치의 워터트랩 하우징에서 생성수의 수위들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치의 워터트랩 하우징에서 생성수가 결빙된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치의 결빙여부를 판단하는 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치(10)는 연료전지 스택(5)에 연결될 수 있고, 워터트랩장치(10)는 연료전지 스택(5)에서 생성된 생성수를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 워터트랩장치(10)는 연료전지 스택(5)에 연결된 워터트랩 하우징(11)과, 워터트랩 하우징(11)에 부착된 진동발생기구(13)와, 진동발생기구(13)에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구(15)와, 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)가 전기적으로 연결된 컨트롤러(16)와, 워터트랩 하우징(11)의 하단에 연결된 배출기구(20)를 포함할 수 있다.
워터트랩 하우징(11)은 연료전지 스택(5)으로부터 배출된 생성수를 수용하도록 연료전지 스택(5)에 연결될 수 있다. 워터트랩 하우징(11)은 생성수를 수용하는 수용공간을 가진 용기로 이루어질 수 있다.
진동발생기구(13)는 워터트랩 하우징(11)의 일측 외면에 부착될 수 있고, 진동발생기구(13)는 진동을 발생함으로써 워터트랩 하우징(11)을 가진시키도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 진동발생기구(13)는 피에조일렉트릭 진동자(piezoelectric vibrator)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 진동발생기구(13)는 도 3에 도시된 바와 같이, 워터트랩 하우징(11)의 길이방향에 대해 직교하는 방향(V1)으로 진동을 발생하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 진동발생기구(13)는 도 4에 도시된 바와 같이, 워터트랩 하우징(11)의 길이방향과 평행한 방향(V2)으로 진동을 발생하도록 구성될 수 있다. 진동발생기구(13)가 워터트랩 하우징(11)의 외면을 길이방향을 따라 문질러 줌으로써 워터트랩 하우징(11)의 길이방향과 평행한 방향(V2)으로 진동을 발생할 수 있고, 이를 통해 진동발생기구(13)에 의해 발생한 진동이 워터트랩 하우징(11)의 길이방향을 따라 전체적으로 균일하고 신속하게 전달될 수 있다.
한편, 워터트랩 하우징(11)은 진동발생기구(13)에 의해 발생한 진동을 원활하게 전달할 수 있는 재질로 구성됨이 바람직하다. 예컨대, 워터트랩 하우징(11)은 유리 재질로 구성될 수 있다. 그외에도 워터트랩 하우징(11)은 금속, 경질고분자, 나무 등으로 구성될 수도 있다.
진동수 측정기구(15)는 진동발생기구(13)에 의해 발생된 진동을 수신하여 워터트랩 하우징(11)의 고유진동수를 측정하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 진동수 측정기구(15)는 피에조일렉트릭 진동자(piezoelectric vibrator)를 이용한 센서일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)는 서로 이격되게 배치될 수 있다. 진동발생기구(13)는 워터트랩 하우징(11)의 상단과 인접한 위치에 부착될 수 있고, 진동수 측정기구(15)는 워터트랩 하우징(11)의 하단과 인접한 위치에 부착될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 진동발생기구(13)가 진동을 발생하면 그 진동에 의한 가진진동수가 워터트랩 하우징(11)의 고유진동수와 일치함으로써 공진이 발생할 수 있고, 이를 통해 진동수 측정기구(15)는 워터트랩 하우징(11) 내에 수용된 생성수의 수위별로 서로 다른 복수의 고유진동수를 측정할 수 있다.
한편, 워터트랩 하우징(11)은 워터트랩 하우징(11)에 수용된 생성수의 수위별로 대응한 복수의 고유 진동수를 가질 수 있다. 즉, 워터트랩 하우징(11)은 유리 하프(glass harp) 또는 유리 실리폰(glass xylophone) 등과 같이 생성수의 수위에 따라 서로 다른 복수의 고유 진동수를 가질 수 있다.
이에 따라, 진동수 측정기구(15)는 도 5에 도시된 바와 같이, 생성수의 수위별로 고유진동수(f0, f1, f2,...ffull)를 측정할 수 있고, 각 고유진동수(f0, f1, f2,...ffull)는 워터트랩 하우징(11)에 수용된 생성수의 수위(L0, L1, L2,...Lfull)에 따라 정해질 수 있다. 여기서, L0는 워터트랩 하우징(11)의 수위가 0인 경우를 지칭하고, Lfull는 워터트랩 하우징(11)의 수위가 만수위인 경우를 지칭하며, L1는 유지하고자 하는 생성수의 설정된 수위범위(L1-L2)의 하한수위를 지칭하고, L2는 유지하고 하는 생성수의 설정된 수위범위(L1-L2)의 상한수위를 지칭한다.
컨트롤러(16)는 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)를 제어하도록 구성될 수 있고, 컨트롤러(16)는 마이크로프로세서 또는 중앙 프로세싱 유닛, ROM(read only memory), RAM(random access memory), EPROM(electrically programmable read only memory), high speed clock 등을 포함할 수 있다.
컨트롤러(16)는 진동수 측정기구(15)로부터 고유진동수를 수신할 수 있고, 이를 통해 워터트랩 하우징(11)에 수용된 생성수의 수위를 계산할 수 있다. 그리고, 컨트롤러(16)는 계산된 생성수의 수위와 관련된 정보를 ROM, RAM, EPROM 등과 같은 메머리에 저장하며 연료전지 시스템의 제어부(미도시)로 전송할 수 있다.
배출기구(20)는 워터트랩 하우징(11)로부터 생성수를 선택적으로 배출하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 배출기구(20)는 워터트랩 하우징(11)의 하단과 인접한 위치에 연결된 배출관(21) 및 배출관(21)을 개방 내지 폐쇄하는 배출밸브(22)를 포함할 수 있다.
배출밸브(22)는 평상시에는 폐쇄된 노말 클로즈 밸브(normally-closed valve)로 구성될 수 있다.
배출밸브(22)는 컨트롤러(16)에 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 컨트롤러(16)는 워터트랩 하우징(11)에 수용된 생성수의 수위에 따라 배출밸브(22)의 개방 및 폐쇄를 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 생성수가 워터트랩 하우징(11) 내에서 설정된 수위범위를 초과할 경우에는 컨트롤러(16)는 배출기구(20)의 배출밸브(22)를 개방시키도록 제어함으로써 워터트랩 하우징(11)으로부터 생성수가 배출될 수 있고, 이를 통해 워터트랩 하우징(11)은 설정된 수위를 유지할 수 있다.
컨트롤러(16)는 워터트랩 하우징(11) 내에서 생성수의 수위가 설정된 수위범위(L1-L2)를 유지하도록 배출기구(20)의 배출밸브(22)를 제어할 수 있다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러(16)는 워터트랩 하우징(11) 내에서 설정된 수위범위(L1-L2)의 하한값인 제1설정수위(L1) 및 설정된 수위범위(L1-L2)의 상한값인 제2설정수위(L2)를 설정할 수 있다. 컨트롤러(16)는 제1설정수위(L1)에 대응한 제1설정진동수(f1) 및 제2설정수위(L2)에 대응한 제2설정진동수(f2)를 설정할 수 있으며, 제2설정진동수(f2)는 제1설정진동수(f1) 보다 큰 값이다. L0는 워터트랩 하우징(11) 내에서 생성수의 수위가 0인 경우를 나타내고, f0는 L0에 대응한 고유진동수이며, Lfull는 워터트랩 하우징(11) 내에서 생성수가 만수위인 경우를 나타내고, ffull는 Lfull에 대응한 고유진동수이다.
컨트롤러(16)는 생성수의 수위변화에 따라 배출밸브(22)를 개방 내지 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 일 예에 따르면, 배출밸브(22)가 폐쇄된 상태에서 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)에 의해 측정된 1차측정 고유진동수(fcl)가 제2설정진동수(f2) 보다 크면(즉, 생성수의 수위(L)가 제2설정수위(L2) 보다 크면) 컨트롤러(16)는 배출밸브(22)를 개방하고, 배출밸브(22)가 개방된 상태에서 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)에 의해 측정된 2차측정 고유진동수(fop)가 제1설정진동수(f1) 보다 작아지면(즉, 생성수의 수위(L)가 제1설정수위(L1) 보다 작아지면) 컨트롤러(16)는 배출밸브(22)를 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 워터트랩 하우징(11) 내에 수용된 생성수의 수위(L)는 설정된 수위범위(L1-L2) 이내로 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 워터트랩장치(10)는 워터트랩 하우징(11)의 외면에 부착되거나 워터트랩 하우징(11)의 외면에 인접하게 배치된 히터(18)를 포함할 수 있다.
히터(18)는 저온 조건에서 워터트랩 하우징(11) 내에 잔류한 생성수가 결빙됨에 따라 얼음이 생성된 경우에 히터(18)의 작동에 의해 워터트랩 하우징(11)에 열이 인가될 수 있고, 이를 통해 얼음이 녹아 액체 상태의 생성수로 변화될 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 워터트랩장치(10)의 제어방법을 도시한 순서도이다.
컨트롤러(16)는 생성수의 수위를 설정된 수위범위(L1-L2)로 유지하도록 구성될 수 있다. 컨트롤러(16)는 설정된 수위범위(L1-L2)의 하한값인 제1설정수위(L1), 제1설정수위(L1)에 대응한 제1설정진동수(f1), 수위범위(L1-L2)의 상한값인 제2설정수위(L2), 및 제2설정수위(L2)에 대응한 제2설정진동수(f2)를 설정한다(S1). 여기서, 제2설정진동수(f2)는 제1설정진동수(f1) 보다 큰 값이다.
한편, 배출밸브(22)는 노말 클로즈 밸브(normally-closed valve)로 구성됨에 따라 평상시에는 폐쇄된 상태를 유지한다.
연료전지 차량의 시동 이후에 배출밸브(22)가 폐쇄된 상태에서 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)에 의해 생성수의 변동되는 수위에 따른 워터트랩 하우징(11)의 고유진동수(fcl)를 측정한다(S2). 이하에서는 설명의 편의를 위하여 배출밸브(22)가 폐쇄된 상태에서 측정된 고유진동수(fcl)를 "1차측정 고유진동수(fcl)"로 지칭한다. 1차측정 고유진동수(fcl)는 워터트랩 하우징(11) 내에 수용된 생성수의 변동하는 수위에 따라 가변될 수 있으므로 일정 시간 간격으로 실시간으로 측정될 수 있다.
컨트롤러(16)는 1차측정 고유진동수(fcl)가 제2설정진동수(f2) 보다 큰지를 판단한다(S3).
1차측정 고유진동수(fcl)가 제2설정진동수(f2) 보다 크면(fcl>f2) 컨트롤러(16)는 배출기구(20)의 배출밸브(22)를 개방하도록 제어한다(S4). 1차측정 고유진동수(fcl)가 제2설정진동수(f2) 이하이면(f≤f2) 컨트롤러(16)는 배출기구(20)의 배출밸브(22)를 폐쇄한 상태를 유지하도록 제어한다(S5).
배출밸브(22)가 개방된 상태에서 설정시간이 경과한 후에 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)에 의해 고유진동수(fop)를 측정한다(S6). 이하에서는 배출밸브(22)가 개방된 상태에서 측정된 고유진동수(fop)를 "2차측정 고유진동수(fop)"로 지칭한다. 2차측정 고유진동수(fop)는 워터트랩 하우징(11) 내에 수용된 생성수의 변동하는 수위에 따라 가변될 수 있으므로 일정 시간 간격으로 실시간으로 측정될 수 있다.
컨트롤러(16)는 2차측정 고유진동수(fop)가 제2설정진동수(f2) 보다 큰지를 판단한다(S7).
2차측정 고유진동수(fop)가 제2설정진동수(f2) 보다 크면(fop>f2) 컨트롤러(16)는 설정시간 동안에 워터트랩 하우징(11)으로부터 생성수가 정상적으로 배출되지 못한 것으로 판단하고, 이에 컨트롤러(16)는 생성수의 결빙 또는 배출기구(20)의 고장을 진단한다(S8).
2차측정 고유진동수(fop)가 제2설정진동수(f2) 보다 작으면(fop<f2) 컨트롤러(16)는 설정시간 동안에 생성수가 워터트랩 하우징(11)으로부터 정상적으로 배출된 것으로 진단하고, 이에 컨트롤러(16)는 2차측정 고유진동수(fop)가 제1설정진동수(f1)보다 작은지를 판단한다(S9).
2차측정 고유진동수(fop)가 제1설정진동수(f1)보다 작으면(fop<f1) 컨트롤러(16)는 배출밸브(22)를 폐쇄하도록 제어한다(S10). 이에 워터트랩 하우징(11) 내의 생성수의 수위는 설정범위(L1-L2) 내에서 유지될 수 있다.
2차측정 고유진동수(fop)가 제1설정진동수(f1) 보다 크면(fop>f1) 컨트롤러(16)는 S4단계로 리턴함으로써 배출밸브(22)의 개방을 유지하도록 제어할 수 있다.
한편, 저온 조건에서 연료전지 차량이 정지하면 워터트랩 하우징(11) 내에서 생성수가 결빙할 수 있고, 이러한 생성수의 결빙으로 인해 워터트랩 하우징(11) 내에는 일정 높이로 얼음이 형성될 수 있다.
도 7에 예시된 바와 같이, 워터트랩 하우징(11) 내에서 생성수가 결빙된 경우에도 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)는 생성수의 결빙높이별로 서로 다른 복수의 고유진동수(F1, F2, Fn....Ffull)를 측정할 수 있다.
도 8은 생성수의 결빙 여부를 판단하는 워터트랩장치(10)의 제어방법을 도시한 순서도이다.
생성수가 결빙되지 않은 조건에서 워터트랩 하우징(11)의 일정한 높이간격(예컨대, 5mm 간격)으로 측정된 복수의 제1고유진동수(fn) 및 생성수가 결빙된 조건에서 워터트랩 하우징(11)의 일정한 높이간격(예컨대, 5mm 간격)으로 측정된 복수의 제2고유진동수(Fn)를 컨트롤러(16)의 메모리에 입력한다(S11). 상술한 제1고유진동수(fn) 및 제2고유진동수(Fn)는 다양한 조건에서 맵핑된 데이터 형태로 컨트롤러(16)의 메모리에 입력될 수 있다.
연료전지 차량의 시동 이전에 진동발생기구(13) 및 진동수 측정기구(15)에 의해 워터트랩 하우징(11)의 고유진동수(fm)를 측정한다(S12).
컨트롤러(16)는 측정된 고유진동수(fm)를 제1고유진동수(fn) 및 제2고유진동수(Fn)와 비교함으로써 워터트랩 하우징(11) 내의 생성수가 결빙되었는지 여부를 판단한다(S13).
측정된 고유진동수(fm)가 제1고유진동수(fn)와 동일하거나 유사한 값이면 컨트롤러(16)는 생성수가 결빙되지 않은 것으로 판단하고, 이에 도 6의 S1단계로 진입한다.
측정된 고유진동수(fm)가 제2고유진동수(Fn)와 동일하거나 유사한 값이면 컨트롤러(16)는 생성수가 결빙된 것으로 판단하고, 히터(18)를 구동시켜 워터트랩 하우징(11)을 히팅함(S14)으로써 결빙된 생성수를 해빙한다. 이러한 해빙한 후에는 도 6의 S1단계로 진입한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
5: 연료전지 스택
10: 워터트랩장치
11: 워터트랩 하우징
13: 진동발생기구
15: 진동수 측정기구
16: 컨트롤러
20: 배출기구
21: 배출관
22: 배출밸브

Claims (9)

  1. 연료전지 스택에 연결되고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징;
    상기 워터트랩 하우징의 외면에 배치된 히터;
    상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구;
    상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구;
    상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러; 및
    상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 설정된 수위범위의 하한값에 대응하는 제1설정진동수 및 설정된 수위범위의 상한값에 대응하는 제2설정진동수를 설정하고, 상기 배출밸브가 폐쇄된 상태에서 진동발생기구 및 진동수 측정기구에 의해 1차측정 고유진동수를 측정하며, 상기 1차측정 고유진동수가 상기 제2설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브를 개방하고, 상기 배출밸브가 개방된 상태에서 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 2차측정 고유진동수를 측정하며, 상기 2차측정 고유진동수가 상기 제1설정진동수 보다 작으면 상기 배출밸브를 폐쇄하도록 구성되고,
    상기 컨트롤러는 상기 워터트랩 하우징의 고유진동수를 제1고유진동수 및 제2고유진동수와 비교함으로써 워터트랩 하우징 내의 생성수가 결빙되었는지 여부를 판단하고, 상기 워터트랩 하우징의 고유진동수가 제2고유진동수와 동일하거나 유사한 값이면 상기 히터를 구동시켜 결빙된 생성수를 해빙하도록 구성되며,
    상기 제1고유진동수는 생성수가 결빙되지 않은 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 값이며, 상기 제2고유진동수는 생성수가 결빙된 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 값인 연료전지용 워터트랩장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동발생기구는 상기 워터트랩 하우징의 길이방향에 대해 직교하는 방향으로 진동을 발생하도록 구성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동발생기구는 상기 워터트랩 하우징의 길이방향과 평행한 방향으로 진동을 발생하도록 구성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출밸브는 노말 클로즈 밸브(normally-closed valve)로 구성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  6. 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징과, 상기 워터트랩 하우징의 외면에 배치된 히터와, 상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구와, 상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구와, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러와, 상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구를 포함한 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법으로,
    상기 워터트랩 하우징의 고유진동수를 제1고유진동수 및 제2고유진동수와 비교함으로써 상기 워터트랩 하우징 내의 생성수가 결빙되었는지 여부를 판단하고,
    상기 워터트랩 하우징의 고유진동수가 상기 제2고유진동수와 동일하거나 유사한 값이면 히터를 구동시켜 결빙된 생성수를 해빙하며,
    상기 워터트랩 하우징의 설정된 수위범위의 하한값에 대응하는 제1설정진동수 및 설정된 수위범위의 상한값에 대응하는 제2설정진동수를 설정하고,
    상기 배출밸브가 폐쇄된 상태에서 진동발생기구 및 진동수 측정기구에 의해 1차측정 고유진동수를 측정하며,
    상기 1차측정 고유진동수가 상기 제2설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브를 개방하고,
    상기 배출밸브가 개방된 상태에서 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 2차측정 고유진동수를 측정하며,
    상기 2차측정 고유진동수가 상기 제1설정진동수 보다 작으면 상기 배출밸브를 폐쇄하고,
    상기 제1고유진동수는 생성수가 결빙되지 않은 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 값이며, 상기 제2고유진동수는 생성수가 결빙된 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 값인 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 2차측정 고유진동수가 상기 제2설정진동수 보다 크면 상기 컨트롤러는 상기 워터트랩 하우징 내에서 생성수의 결빙 또는 배출기구의 고장을 진단하는 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 2차측정 고유진동수가 상기 제1설정진동수 보다 크면 상기 배출밸브의 개방을 유지하는 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법.
  9. 연료전지 스택으로부터 배출된 생성수를 수용하는 워터트랩 하우징과, 상기 워터트랩 하우징에 부착된 진동발생기구와, 상기 진동발생기구에 대해 이격되게 배치된 진동수 측정기구와, 상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구가 전기적으로 연결된 컨트롤러와, 상기 워터트랩 하우징에 연결된 배출관 및 상기 배출관을 개폐하는 배출밸브를 가진 배출기구를 포함한 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법으로,
    생성수가 결빙되지 않은 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 복수의 제1고유진동수 및 생성수가 결빙된 조건에서 상기 워터트랩 하우징의 일정한 높이간격으로 측정된 복수의 제2고유진동수를 상기 컨트롤러의 메모리에 입력하고,
    상기 진동발생기구 및 상기 진동수 측정기구에 의해 상기 워터트랩 하우징의 고유진동수를 측정하며,
    상기 측정된 고유진동수를 상기 제1고유진동수 및 상기 제2고유진동수와 비교함으로써 워터트랩 하우징 내의 생성수가 결빙되었는지 여부를 판단하고,
    상기 측정된 고유진동수가 상기 제2고유진동수와 동일하거나 유사한 값이면 히터를 구동시켜 결빙된 생성수를 해빙하는 연료전지용 워터트랩장치의 제어방법.
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