KR20040001981A - 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템을 구성하는 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하여 라디에이터(Radiator)의 방열 부하를 감소시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 연료 전지 시스템의 방열 제어장치에 있어서, 상기 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하는 스택 출력 검출부와; 상기 스택 출력 검출부를 통해 입력되는 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기되도록 구동 제어신호를 발생하는 방열 제어부와; 상기 스택과 응축기의 배기 흐름 라인에 장착되며, 상기 방열 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하는 배기 제어밸브를 포함하여 구성한다.

Description

연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법{HEAT RADIATE CONTROLLING DEVICE FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 현재 연료 전지 시스템의 공기 공급 라인은 도 1에 도시된 바와 같이 구성된다.

이를 자세히 설명하면, 공기 공급기(110)에 의해 공급된 공기는 가습기(120)에서 가습되어 스택(130)에 공급되고 스택(130)에서 반응에 참여한 후 배기되기 전에 응축기(140)에서 가습을 위한 물을 회수하고 나머지는 배기된다.

각각의 부품들의 기능을 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, 가습기(120)는 공기와 물을 받아 공기를 가습한다.

그리고, 외부에서 열을 공급한다.

여기서, 공급되는 열은 물의 증발잠열에 해당한다.

스택(130)은 가습된 공기(산소)와 수소를 공급받아 화학반응에 의하여 전기 에너지, 물 및 열에너지를 생산한다.

응축기(140)는 스택(130)에서 배출되는 고온 다습한 배기를 냉각수에 의해 냉각시켜 응축된 물을 회수하여 가습기(120)에 공급한다.

열 교환에 의하여 배기에서 다량의 열(잠열)이 배기에서 냉각수로 전달된다.

물 탱크(150)(Water Tank)는 연료 전지 시스템에서 필요로 하는 물을 공급하거나 저장하는 버퍼(Buffer)기능을 한다.

라디에이터(Radiator)는 일반적인 내연기관과 비슷하게 연료 전지 시스템에서도 시스템 내에서 발생한 열을 외부로 방출하는 기능을 한다.

주된 방열 부하는 스택(130)에서 발생하는 열과 응축기(140)에서 공급되는 열이다.

현재 연료 전지 시스템의 운전온도는 대략 70~80℃정도이다.

따라서, 일반적인 내연기관에 비하여 냉각수와 대기와의 온도차가 적어지므로 냉각에 불리해진다.

도 2에 도시된 바와 같이 최대 출력 영역에서는 스택(130)의 발생 열량 증가와 응축기(140)에서 배기와의 열교환량의 증가에 의해 라디에이터에서 방출해야 하는 열량이 급격히 증가하게 된다.

이로 인하여 최대 출력 영역에서 시스템의 온도 균형(Thermal Balance)을 만족시키기 위하여 라디에이터의 방열 성능을 위한 여러 가지 개발이 이루어지고 있으나, 상당한 어려움을 겪고 있다.

도 2의 그래프에서 보는 바와 같이, 출력이 증가할수록 셀 전압(Cell Voltage)은 감소한다.

여기서, 셀 전압(Cell Voltage)의 감소는 연료 전지 효율의 감소를 의미한다.

스택(130)에서 발생하는 열량은 급격히 증가한다.

출력이 증가할수록 효율이 감소하므로 절대적인 열량은 급격한 증가를 보인다.

또한, 응축기(140)에서 유입되는 열량이 증가한다.

이로 인해 라디에이터의 방열 부하는 급격히 증가하게 된다.

따라서, 시스템의 온도 균형을 유지하기 위하여 방열을 극대화하기 위한 방열 시스템이 전체적으로 커지거나, 또는 시스템의 최대 출력을 제한하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은 연료 전지 시스템을 구성하는 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하여 라디에이터(Radiator)의 방열 부하를 감소시킬 수 있는 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지 시스템의 공기 공급 라인을 도시한 도면.

도 2는 연료 전지 시스템의 출력과 스택의 발생 열량과의 관계를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 구성을 도시한 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지 시스템의 방열 제어장치에 있어서, 상기 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하는 스택 출력 검출부와; 상기 스택 출력 검출부를 통해 입력되는 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기되도록 구동 제어신호를 발생하는 방열 제어부와; 상기 스택과 응축기의 배기 흐름 라인에 장착되며, 상기 방열 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하는 배기 제어밸브를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료 전지 시스템의 방열 제어방법에 있어서, 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하는 단계와; 상기 검출된 스택의 출력과 설정범위를 비교하는 단계와; 상기 비교된 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기시키는 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 구성 및 동작을 설명한다.

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템의 방열 제어장치에 있어서, 스택 출력 검출부(310), 방열 제어부(320), 배기 제어밸브(330)를 포함하여 구성한다.

스택 출력 검출부(310)는 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출한다.

방열 제어부(320)는 스택 출력 검출부(310)를 통해 입력되는 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기되도록 구동 제어신호를 발생한다.

배기 제어밸브(330)는 도 3에 도시된 바와 같이 스택과 응축기의 배기 흐름 라인에 장착되며, 방열 제어부(320)로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하는 기능을 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 구성을 이용하여 라디에이터(Radiator)의 방열 부하를 감소시키는 방법에 관한 것이다.

최대 출력 영역의 운전영역을 사용하는 경우는 전체 운전시간을 볼 때 극히 일부의 시간에 지나지 않으며, 또한 연료 전지 시스템에 의해 구동되는 전기 파워 트레인(Electric Power Train)의 최대 출력을 내는 시간이 정해져 있다.

연료 전지 시스템의 효율(Cell Voltage)은 출력이 증가할수록(전류 증가) 감소하므로 출력이 증가할 경우, 방출해야 할 열량은 현저히 증가하게 된다.

방출해야 할 열량의 증가는 스택에서 발생하는 열량의 증가와 응축기에서 배기와의 열교환에 의한 열량의 증가로 볼 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방열 제어부(320)는 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하고, 검출된 스택의 출력과 설정범위(스택의 최대 출력 영역 또는 라디에이터의 방열 부하 한계값)를 비교하여 비교된 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 도 3에 도시된 바와 같이 스택에서 방출되는 배기 중 일부 또는 전부를 응축기를 통해 배기 중에 포함된 물을 회수하는 과정을 거치지 않고 직접 대기로 방출하는 제어동작을 수행한다.

즉, 방열 제어부(320)는 스택의 최대 출력 범위에서 고온 다습한 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기시켜 라디에이터의 열부하를 경감시키는 제어동작을 수행한다.

한편, 방열 제어부(320)는 물 탱크(Water Tank)에 저장된 물이 일정 수준 이하가 되면 응축기를 통과시키지 않고 배기시키는 배기의 양을 줄여 물 균형(Water Balance)을 유지한다.

예를 들면, 물 탱크의 수위에 따라 바이패스(By-pass)량을 조절한다.

그러나, 물의 증발 잠열이 대략 2300KJ/Kg이므로 물 탱크에 일정량의 여유 분의 물을 보유하고 있다면, 연료 전지 시스템에 큰 무리 없이 최대 출력 영역에서 일정시간동안 운전할 수 있다.

여기서, 물 탱크의 크기 및 비축 물량은 물 균형(Water Balance)을 고려하여 설계할 수 있음에 유의해야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 방열 제어장치 및 방법은 라디에이터 방열 부하가 경감되어 방열 조건(온도차, 유량 및 동일한 라디에이터 등)이 동일하더라도 연료 전지 시스템의 최대 출력 영역의 운전시간을 증가시킬 수 있다.

또한, 바이패스(By-pass)시켜 배기시킬 경우 공기 공급기의 부하를 경감시킬 수 있다.

또한, 라디에이터의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연료 전지 시스템의 방열 제어장치에 있어서,

   상기 연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하는 스택 출력 검출부와;

   상기 스택 출력 검출부를 통해 입력되는 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기되도록 구동 제어신호를 발생하는 방열 제어부와;

   상기 스택과 응축기의 배기 흐름 라인에 장착되며, 상기 방열 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 스택으로부터 응축기로 공급되는 배기의 흐름을 단속하는 배기 제어밸브를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 방열 제어장치.
2. 연료 전지 시스템의 방열 제어방법에 있어서,

   연료 전지 시스템을 구성하는 스택의 출력을 검출하는 단계와;

   상기 검출된 스택의 출력과 설정범위를 비교하는 단계와;

   상기 비교된 스택의 출력이 설정범위에 해당되면 스택에서 방출되는 배기의 일부 또는 전부를 응축기를 통과시키지 않고 배기시키는 제어동작을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 방열 제어방법.