KR20060024914A

KR20060024914A - 연료전지 열관리시스템의 평가장치

Info

Publication number: KR20060024914A
Application number: KR1020040073778A
Authority: KR
Inventors: 안상열
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-20

Abstract

본 발명은 연료전지의 온도를 일정하게 유지하기 위해 필요한 열관리시스템의 성능평가를 목업(Mock-up)스택에 의해 수행할 수 있도록 구성한 연료전지 열관리시스템의 평가장치에 관한 것으로서, 연료전지스택의 운전온도를 제어하기 위해 설치되는 열관리시스템을 포함하는 연료전지시스템의 평가장치에 있어서, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따라 발열량을 조절할 수 있고, 그 내부에 냉각수로가 형성된 목업스택과; 상기 목업스택의 냉각수로의 유입구에 설치된 제1 측정수단과; 상기 목업스택의 냉각수로의 유출구에 설치된 제2 측정수단과; 상기 제1 및 제2 측정수단에서 측정된 측정값을 입력받아 열관리시스템의 성능을 평가하는 제어부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, 실제 연료전지스택 대신에 목업스택을 사용하여 열관리시스템의 성능 평가를 수행함으로써 평가비용을 절감시킬 수 있고, 정확한 성능평가가 가능해진다.

연료전지, 목업스택, 열관리시스템, 평가장치, 피드백

Description

연료전지 열관리시스템의 평가장치{Valuation Appratus for Heat Control System of Fuel Cell}

도 1은 연료전지스택의 단위셀의 작용상태를 나타내는 개념도,

도 2는 열관리시스템을 포함한 연료전지시스템을 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 열관리시스템의 평가장치를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 연료전지스택 12: 순환관

14: 방열기 15: 펌프

16: 제1 측정수단 17: 냉각수로

18: 제2 측정수단 20: 단위 전지

21: 전해질막 22: 연료극

23: 공기극 30: 목업(Mock-up)스택

32: 히터 40: 제어부

본 발명은 연료전지 열관리시스템의 평가장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 는 연료전지의 온도를 일정하게 유지하기 위해 필요한 열관리시스템의 성능평가를 목업(Mock-up)스택에 의해 수행할 수 있도록 구성한 연료전지 열관리시스템의 평가장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

특히, 고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행중이다.

차세대의 에너지 변환장치로서 주목을 받고 있는 연료전지중에서 이온 전도성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 분리막 연료전지(Polymer Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 온도에서 출력밀도가 크고, 출력을 기민하게 변경할 수 있으므로, 신속한 시동이 요구되는 자동차의 동력 공급원으로 사용하기에 적합하다.

또한, 고분자 분리막 연료전지에 사용되는 전해질도 고체 타입이어서 취급이 용이하고 안전도가 높다는 장점이 있다.

연료전지의 효율이 대략 50% 정도로 출력만큼의 에너지가 열로 방출되어 연 료전지의 사용중에 고열이 발생되는데, 연료전지의 수명과 성능을 유지하고 가장 안정된 출력상태를 얻기 위해서는, 고분자 전해질 연료전지의 경우 그 온도를 대략 25℃(상온)에서 80℃ 이내의 온도범위에서 유지해야 한다.

도 1은 연료전지스택의 단위 전지의 작용을 개념적으로 나타내기 위해 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 수소가스(H₂) 또는 연료가 연료극(22)측의 유로홈에 공급됨과 동시에 상기 공기극(23)측의 유로홈에 공기가 공급되면 상기 연료극(22)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H+ 과 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소이온은 전해질막(21)을 통해 반대편 공기극(23)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(22)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(23)으로 이동한 수소이온은 공기극(23)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

따라서, 연료전지 스택은 전기화학반응에 의한 발생열로 인한 온도상승을 억제하여 적정한 운전온도인 25~80℃를 유지할 수 있도록 그 내부에 냉각수로를 갖추게 된다.

종래의 열관리시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수를 일정압력으로 연료전지 스택내부로 공급하기 위해 펌핑하는 펌프(15)와, 연료전지에서 발생한 열을 흡수한 냉각수로부터 열을 외부로 발산시키는 방열기(14)와, 상기 냉각수가 순환되는 순환관(15) 및 연료전지스택 내부의 냉각수로(17)를 포함하여 구성된다.

연료전지에서는, 스택에서 화학반응에 의해 발생되는 열량이 기존의 내연기 관에 비해 동일 출력기준으로 두배 이상 많으므로 방열기의 크기 및 용량을 크게 해야 하지만, 차량 전체의 무게 증가 및 장착공간의 제약을 받게 된다.

또한, 연료전지스택은 안정된 출력을 얻기 위해 적정 온도 범위인 25~80℃에서 유지시켜야 하므로, 연료전지 차량의 설계에 있어서 열관리시스템의 성능이 미치는 영향이 매우 크고, 따라서 연료전지 차량설계를 위한 기초작업으로 열관리시스템의 성능평가작업을 선행하여 수행해야 한다.

그러나, 상기한 종래의 연료전지 열관리시스템의 성능평가는 실제 연료전지스택을 사용하여 전체 시스템의 일부로 평가하여야 했으므로, 평가비용이 매우 비싸고 평가기간이 장기화 될 뿐 아니라, 다른 많은 변수에 의해 열관리시스템만의 정확한 평가가 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 목업(Mock-up)스택을 이용하여 평가비용을 저감시켰을 뿐 아니라, 다른 장치를 배제하여 열관리시스템만의 성능평가가 가능하도록 함으로써, 연료전지의 열관리시스템에 관하여 신속하고 정확한 평가자료를 제공할 수 있는 연료전지 열관리시스템의 평가장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지스택의 운전온도를 제어하기 위해 설치되는 열관리시스템을 포함하는 연료전지시스템의 평가장치에 있어서, 실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따라 발열량을 조 절할 수 있고, 그 내부에 냉각수로가 형성된 목업스택과; 상기 목업스택의 냉각수로의 유입구에 설치된 제1 측정수단과; 상기 목업스택의 냉각수로의 유출구에 설치된 제2 측정수단과; 상기 제1 및 제2 측정수단에서 측정된 측정값을 입력받아 열관리시스템의 성능을 평가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은 상기 열관리시스템은 냉각수를 펌핑하는 펌프와, 냉각수가 흡수한 열을 외부로 발산시키는 방열기 및 연료전지스택 내부에 형성된 냉각수로를 포함하여 구성된 것이다.

그 외의 다른 특징은 제1 측정수단 및 제2 측정수단은, 냉각수의 압력을 측정하는 압력측정수단과, 냉각수의 온도를 측정하는 수온측정수단을 포함하여 구성되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 연료전지 열관리시스템의 평가장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 모사식에 의해 연료전지스택의 발열량을 임의로 조절할 수 있는 목업스택(30)과, 상기 목업스택(30)에 연결된 열관리시스템과, 상기 목업스택(30)의 냉각수로(17) 입구에 설치된 제1 측정수단(16)과, 상기 목업스택(30)의 냉각수로(17) 출구에 설치된 제2 측정수단(18)과, 상기 제1 및 제2 측정수단에 의해 측정된 값을 비교하여 열관리시스템의 성능을 평가하는 제어부(40)로 구성된 것이다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 목업스택(Mock-up)(30)은 실제 연료전지스택에 서 발생하는 전기화학반응을 모사할 수 있도록 제작된 것으로서, 실제 연료전지스택과 유사한 구조를 가지도록 하였다.

그 구성을 살펴보면, 외관은 실제 연료전지스택과 동일한 형태로서 스택 외부에 냉각수로(17)에 대한 입구와 출구가 형성되어있고, 스택 내부에는 히터(32)를 포함하는 이중자켓을 설치하여 실제 연료전지스택의 운전중 전기화학반응에 따른 발열현상을 모사하도록 함으로써, 실제 연료전지스택의 발열량과 동일한 열량을 발생하도록 하였다.

상기 목업스택(30)의 발열량 모사식은, 실제 연료전지스택에 대한 요구 출력량이 0~240 ㎾ 인 경우를 기준으로 [발열량(Watts) = 스택출력×{(1.25 ÷셀 평균전압) - 1 }]과 같은 계산식을 사용한다.

이때, 필요한 냉각수 유량은, 계산식 [냉각수 유량(㎏/h) = 냉각수 흡수열량(㎉/h)÷{(냉각수 비열(㎉/㎏·℃) ×입출구 온도차(℃)}] 으로부터 구한 결과값에 따라, 열관리시스템으로부터 냉각수를 목업스택(30)내로 공급하게 된다.

상기 열관리시스템은 연료전지스택 내부로 냉각수를 펌핑하는 펌프(15)와, 냉각수가 흡수한 열을 외부로 발산시키는 방열기(14)와, 연료전지스택 내부에 형성된 냉각수로(17)와, 상기 구성부품을 통해 냉각수가 순환되도록 설치되는 순환관(12) 등으로 구성된다.

또한, 상기 제1 측정수단(16)은 냉각수의 압력을 측정하는 압력측정수단과, 냉각수의 온도를 측정하는 수온측정수단을 포함하여 구성되고, 상기 제2 측정수단(18)도 냉각수의 압력을 측정하는 압력측정수단과, 냉각수의 온도를 측정하는 수온 측정수단을 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 제1 및 제2 측정수단(16,18)에 포함된 수온측정수단에 의해 냉각수의 온도변화를 측정할 뿐 아니라, 압력측정수단에 의해 측정된 냉각수의 압력을 데이터로 하여 냉각수 유량을 계산에 의해 구할 수 있다.

상기 제어부(40)는 상기 제1 측정수단(16)에서 측정된 수온과 제2 측정수단(18)에서 측정된 수온을 비교하여 차이값을 계산한 후, 이를 바탕으로 열관리시스템의 성능을 평가하기 위해 설치되는 것이다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 도 3를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

연료전지 자동차의 운전상태에 따른 요구출력에 따라 연료전지스택의 발생출력이 달라지게 되고, 이에 따라 열관리시스템의 방열성능 및 냉각수 송출능력이 맞춰지게 된다.

따라서, 실제 열관리시스템의 설치 전에 열관리시스템의 이론 성능값을 계산하고, 이를 바탕으로 측정된 실제 성능값과 이론 성능값과 비교하여 평가하면, 실제 연료전지스택의 출력량 및 발열량에 대응되는 열관리시스템의 설계가 가능해진다.

먼저, 본 발명에 따른 평가장치는, 목업스택(30) 내부에 구비된 히터(32)에 보내지는 전류량을 조절함으로써 연료전지스택의 요구출력량에 따라 발열량을 제어하게 되는데, 이 때 상기 발열량은 [발열량(Watts) = 스택출력×{(1.25 ÷셀 평균전압) - 1 }] 계산식에 따른다.

그 후, 상기 목업스택(30)에 냉각수를 흘려 넣어주면서 목업스택 내부의 냉각수로(17)의 유입구에 설치된 제1 측정수단(16)과 냉각수로(17)의 유출구에 설치된 제2 측정수단(18)에 의해 냉각수의 수온을 측정한다.

이와 같이 측정된 수온을 비교하여 차이값을 계산한 후, [냉각수 유량(㎏/h) = 냉각수 흡수열량(㎉/h)÷{(냉각수 비열(㎉/㎏·℃) ×입출구 온도차(℃)}] 계산식에 의해 필요한 냉각수 유량을 계산하게 된다.

따라서, 실제 열관리시스템에 의한 평가를 거치지 않고 필요한 열관리시스템의 목표성능값을 알수 있다.

그 후 이어서, 상기와 같이 계산된 냉각수 유량을 만족시킬수 있는 실제 열관리시스템을 상기 목업스택에 연결하여 구성한 후, 상기 제1 측정수단(16) 및 제2 측정수단(18)에 의해 목업스택(30) 냉각수로(17)의 유입구 및 유출구에서 냉각수 온도 및 압력을 측정하여 이론 성능값과 비교함으로써 실제 열관리시스템의 성능과 목표 성능값과의 오차값을 알 수 있도록 한다.

이와 같이, 측정된 오차값을 줄이도록 열관리시스템을 개선하면, 목표 성능값에 근접한 실제 열관리시스템을 설계할 수 있게 되는 것이다.

다른 실시예에서는, 본 발명에 따른 목업스택을 사용하는 열관리시스템의 평가장치에 실제 열관리시스템을 연결 설치하고 작동시키면서, 이론 냉각수유량을 계산하고, 이를 바탕으로 실제 열관리시스템의 오차값을 계산한 후, 피드백 제어(Feedback Control)에 의해 열관리시스템의 토출량 및 방열량을 조절하거나 순환관의 직경을 조절함으로써, 열관리시스템의 최적화를 도모할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니한다.

상술한 본 발명에 따른 연료전지 열관리시스템의 평가장치에 의하면, 실제 연료전지스택 대신에 목업스택을 사용하여 열관리시스템의 성능 평가를 수행함으로써 평가시간 및 비용을 절감시킬 수 있을 뿐 아니라, 미리 계산된 목표 성능값과 실제 성능값을 비교하여 정확한 성능평가를 수행할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 궁극적으로 피드백 제어를 통하여 열관리시스템의 성능을 목표치에 가깝게 조정함으로써, 최적의 열관리시스템을 설계할 수 있게 된다.

Claims

연료전지스택의 운전온도를 조절하는 열관리시스템의 평가장치에 있어서,

실제 화학반응을 수반하지 않고도 연료전지자동차의 요구 출력에 따라 발열량을 조절할 수 있고, 그 내부에 냉각수로가 형성된 목업스택과;

상기 목업스택의 냉각수로의 유입구에 설치된 제1 측정수단과;

상기 목업스택의 냉각수로의 유출구에 설치된 제2 측정수단과;

상기 제1 및 제2 측정수단에서 측정된 측정값을 입력받아 열관리시스템의 성능을 평가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리시스템의 평가장치.
제1항에 있어서,

상기 목업스택의 내부에는 다수개의 히터가 구비되고, 상기 히터는 상기 제어부에 의해 요구출력량에 따라 발열량을 조절되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리시스템의 평가장치.
제1항에 있어서,

제1 측정수단은, 냉각수의 압력을 측정하는 압력측정수단과, 냉각수의 온도를 측정하는 수온측정수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리시스템의 평가장치.
제1항에 있어서,

제2 측정수단은, 냉각수의 압력을 측정하는 압력측정수단과, 냉각수의 온도를 측정하는 수온측정수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열관리시스템의 평가장치.