KR20100103990A - 연료전지 시스템의 연료 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소를 연료로 사용하는 차량용 연료전지 시스템에서, 공급되는 연료의 유량 및 압력에 효과적으로 조절하여 연료전지 스택으로 연료를 공급할 수 있는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것이다.

이에 따라, 본 발명에서는 독립적으로 작동되는 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되며, 서로 다른 크기의 노즐 직경을 갖는 복수 개의 이젝터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공함으로써 부하에 따라 독립된 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브 개폐를 조절하여 공급되는 수소 연료의 압력/유량을 보다 정밀하게 제어할 수 있으며, 전기적인 제어 방식을 따르는 구성을 통하여 부하 변동에 대하여 향상된 응답성능을 갖는 연료 공급 장치를 제공한다. 또한, 본 발명에서는 비례 제어 솔레노이드 밸브를 니들 형상으로 형성하여 저유량 구간에서 보다 정밀한 공급 유량 제어를 구현하였으며, 공급 유량의 동적인 특성을 이용하여 연료전지 성능을 향상시키고, 디더링 제어에 의하여 응답성을 향상시킬 수 있는 제어기를 포함하도록 구성하여 성능 향상을 구현하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

연료전지 자동차, 연료전지 시스템, 연료 공급 장치, 연료 공급 밸브, 비례 제어 솔레노이드 밸브, 복동식 솔레노이드 밸브

Description

연료전지 시스템의 연료 공급 장치{Fuel supply device for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에서 공급되는 연료의 유량 및 압력을 효과적으로 조절하면서 연료전지 스택으로 연료를 공급할 수 있도록 구성된 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 관한 것이다.

연료전지 차량은 연료전지 스택(Stack)으로 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급하고, 이를 반응시켜 발생된 전기에너지로서 구동되는 차량으로서, 이러한 연료전지 차량에서는 연료전지 스택으로 연료인 수소를 공급하기 위한 연료 공급 장치가 필요하다.

연료전지 차량의 연료인 수소는 가스 상태에서 그 부피가 매우 크므로, 액체 수소, 금속 수소화물과 같은 액체, 고체 상태로 저장된 수소 연료를 사용하거나, 고압으로 압축하여 저장된 수소 가스를 이용한다. 특히, 고압 수소 가스로서 저장 하는 연료전지 시스템의 경우, 이러한 고압 가스를 바로 연료전지 스택에 공급할 수 없으므로 통상 2단계에 걸쳐 압력을 낮추어 저압(통상 1bar 미만)의 수소 가스를 상기 연료전지 스택에 공급하는데, 감압된 저압의 수소 가스는 이젝터(Ejector)를 통해 연료전지 스택으로 공급되어 상기 연료전지 스택에 공급된 공기 중 산소와 반응하여 전기 에너지를 생성한다.

상기 이젝터는 저압의 수소 가스를 연료전지 스택으로 공급하는 기능 외에, 고압의 수소 가스가 노즐(축소 노즐 또는 축소 확대노즐)을 통과함에 따른 고속의 수소 제트(Jet)가 만드는 저압을 이용하여 스택 내의 미반응 수소 가스를 흡입하여 재순환 시키는 기능을 수행하는 장치이다.

이러한 이젝터의 설계 시에 중요한 요소 중의 하나는 노즐의 형상으로, 대부분의 특성이 이러한 노즐의 형상으로부터 결정되며, 이에 대한 가장 중요한 설계 인자는 노즐 목의 크기와 노즐의 상류, 즉, 이젝터 입구의 압력이다. 노즐의 형상과 관련하여, 축소형의 노즐은 아음속 유동으로 저압/저유량에 적합하고 축소 확대 노즐은 초음속 유동을 만들고 고압/고유량에 적합하다. 즉, 노즐 목의 단면적이 크고, 상류압이 클수록 많은 유량의 수소 가스가 흐를 수 있으므로, 작은 유량으로 운전할 때에는 이젝터 노즐이 작을수록 효율이 높아지고, 큰 유량 운전 조건에서는 노즐 목이 클수록 효과적이다. 따라서, 출력에 대한 운전영역이 매우 넓은 연료전지 차량의 경우에는, 이러한 노즐 목의 크기를 구분하여 고부하 운전을 위한 고유량용 이젝터와 저부하 운전과 같은 저유량 통과시에 사용되는 저유량용 이젝터를 복수로 구비하여 재순환량을 확보할 수 있는 기능을 갖는 연료 공급 장치의 구성이 요구된다.

미국 특허 등록 제7,309,537호는 연료 공급 장치의 구성으로서, 시스템의 연료 공급을 조절하기 위하여 공기극(Cathode)의 압력을 레귤레이터의 기준압으로 활용하여 이젝터 입구압을 기계적으로 조절함으로써 공급되는 수소 연료의 공급 유량을 제어하는 연료 공급 장치를 제안하고 있다.

도 1과 도 2는 미국 특허 등록 제7,309,537호의 유체 유동 재순환 연료 전지 시스템의 구체적인 구성을 도시하고 있는 것으로, 도 1은 연료 공급 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 연료 공급 장치 중 레귤레이터의 구체적인 구성을 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 미국 특허 등록 제7,309,537호에서는 입구(11)를 통하여 공급되는 수소의 압력을 조절하는 레귤레이터(10)와 상기 레귤레이터의 두 출구(12, 13) 측에 형성되어 연료전지 스택의 연료극(Anode)으로 수소를 공급하는 두 개의 이젝터(41, 42)를 포함하도록 구성된다. 이 때, 상기 레귤레이터는 공기극(Cathode)의 압력에 따라 이젝터로의 압력/유량을 조절할 수 있도록 구성되어, 저유량용 이젝터(42) 및 고유량용 이젝터(41)를 선별적으로 작동할 수 있도록 구성된다.

이러한 작동을 하는 상기 레귤레이터(10)의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이, 수소가 공급되는 단일한 입구(11)에 대하여 수소를 이젝터로 공급하는 두 개의 출구(12, 13)를 구비하도록 구성되어, 상기 입구와 상기 두 출구를 연결하는 연결로에 형성된 밸브를 포함하도록 구성한다. 상기 밸브는 도 2에서처럼, 제1스템(16) 이 제2스템(20)의 내부에 포함되어 있는 2중 스템 구조로 설계되어, 제1유로(15) 및 제2유로(14)의 공간을 개폐할 수 있도록 상기 제1스템(16)에 연결된 제1플러그(19) 및 제2스템(20)에 연결된 제2플러그(22)를 포함하며, 상기 제1유로(15)는 저유량용 이젝터(42)로 연결되는 저용량용 출구(13)와 연결되고, 상기 제2유로(14)는 고유량용 이젝터(41)로 연결되는 고용량용 출구(12)와 연결되도록 구성한다. 또한, 상기 레귤레이터의 상부에 형성된 산소 기준 챔버(31), 연료 기준 챔버(33) 및 멤브레인(32)의 구성에 따라 공기극의 압력에 연동되도록 구성하여, 멤브레인(32) 및 제1스템(16)의 제1접촉단(17), 그리고, 제1스템(16)의 돌기부(18) 및 제2스템(20)의 제2접촉단(21)의 접촉부에 가해지는 힘에 의하여 밸브가 순차적으로 개방되도록 구성된다. 따라서, 이러한 2중 스템 구조에 의하여 공기극의 압력을 기준으로 일정 차압을 유지하는 레귤레이터로 이젝터 상류압을 자동 제어함으로써 연료극의 수소공급량을 결정할 수 있어, 공기극 압력 조절만으로 연료극의 압력/유량을 자동 제어할 수 있는 연료 공급 장치를 구현할 수 있다.

다만, 미국 특허 등록 제7,309,537호에서 제시하고 있는 연료 공급 장치는 공기극의 압력이 배관을 통하여 전달되므로, 이에 반응하여 레귤레이터에서 변화된 압력 작동이 발생하는 과정에서 시간 지연이 필연적으로 발생하며, 이에 따라 연료극의 수소 공급이 공기극의 산소 공급보다 늦어짐에 따라 연료 질식소화(Fuel starvation)이 발생할 우려가 있었다. 또한, 이러한 시간 지연에 따라, 운전자의 요구에 대한 빠른 응답성이 요구되는 연료전지 자동차에서는 운전자의 운전 의지에 따른 즉각적인 반응성과 관련하여 명백한 적용의 한계가 존재하였다. 그리고, 종래 의 연료 공급 장치는 스택 입구압과 배관 등의 특성치가 수소 공급 유량 및 압력에 영향을 주어 정밀한 제어가 어려운 문제점이 존재하였으며, 이중 스템 구조 설계에 따라 마찰부분이 발생하여 부품의 내구성이 떨어지고, 이물질이 스택으로 유입될 수 있는 바 추가 필터의 장착이 요구되는 문제점이 있었다. 더불어, 이러한 이중 스템 구조는 그 구조의 복잡성으로 인하여 제작상의 여러 난점이 존재하였다.

이에 본 발명에서는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 독립적인 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브 및 각 밸브에 연결된 복수 개의 대응되는 이젝터들을 포함하도록 구성하여, 부하에 따라 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 조절하여 공급되는 수소 연료의 압력/유량을 정밀하게 제어할 수 있으며, 부하 변동에 대하여 향상된 응답성능을 갖는 연료 공급 장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.

본 발명은 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 독립적으로 작동되는 분리된 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와; 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되는 분리된 복수 개의 이젝터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

또한, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방단은 니들 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

그리고, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 하나의 하우징 내에 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

또한, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저부하 운전시 작동하는 제1비례 제어 솔레노이드 밸브와; 고부하 운전시 작동하는 제2비례 제어 솔레노이드 밸브로 구성되며, 상기 복수 개의 이젝터는 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결된 제1이젝터와; 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결되고, 상기 제1이젝터에 비하여 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

이 경우, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 연료전지 시스템의 최대 연료소모량에 대한 유량의 10 내지 50%의 유량 범위에서, 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 저부하 구간에서 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 고부하 구간으로 전환되도록 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

여기서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 공급되는 유량 및 압력의 크기가 시간에 대하여 변동되는 사인파 형상의 파동으로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

그리고, 상기 제어기는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 디더링 제어 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 연료 공급 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 직접 스택 입구압을 측정한 다음, 복동식 비례제어 솔레노이드 밸브에 의하여 원하는 유량과 압력 조건을 자유롭게 조절할 수 있어 연료 공급의 정밀 제어가 가능하며, 넓은 운전 구간에서 향상된 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 전기적 제어로 인해 빠른 응답성을 갖는 비례제어 솔레노이드 밸브 및 와전류 제거를 위한 디더링 제어를 통하여, 부하에 따른 빠른 응답 성능을 제공할 수 있어, 시스템 부하 변동에 대응하여 신속하게 적절한 량의 공기와 수소 연료를 공급할 수 있어 시스템 성능 및 내구성을 향상시킨다.

셋째, 서로 크기가 다른 다수의 이젝터를 사용할 수 있어, 고부하 운행 구간에서는 큰 노즐 직경의 이젝터에 의하여 연료를 공급하여 고출력을 위한 충분한 흡입성능을 확보할 수 있으며, 저부하 운행 구간에서는 충분히 작은 노즐 직경을 갖는 이젝터를 통하여 연료를 공급할 수 있어 수소 재순환량을 충분히 확보할 수 있어 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.

넷째, 니들 형상의 첨단부를 갖도록 밸브 형상을 설계할 수 있어, 저부하 구간에 대한 작은 유량 제어에 효과적이며, 저부하용 이젝터의 노즐 목 크기를 더 작게 할 수 있어 수소 재순환량이 개선되는 효과가 있다.

다섯째, 연료 공급량의 정밀 제어가 가능하므로, 수소 공급 유량 변화에 따른 동적 특성을 극대화하여, 연료극 내부의 물 배출 및 연료극 내부 채널의 연료 흐름을 균일하게 할 수 있어 연료전지 셀 전압의 안정성을 개선하고, 순간적으로 많은 흡입 유량을 유도하여 수소 재순환량을 증가시키는 효과가 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서, 복동식 솔레노이드 방식의 비례 제어 밸브 및 이에 연동된 복수의 이젝터들을 포함하도록 구성하여, 측정된 스택입구압에 따라 복동식 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하여 변동 부하에 대하여 빠른 응답성을 가지며, 수소 연료의 공급 압력/유량을 정밀하게 제어할 수 있는 연료 공급 장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료전지 시스템을 개략적으로 도시하고 있는 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되는 연료에 대한 연료극 측의 압력 및 공기극 측의 압력의 시스템 부하에 대한 바람직한 실시예의 그래프를 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소 가스를 저장하는 수소 탱크(110)로부터 공급되는 수소 가스가 압력 조절을 위한 비례 제어 밸브(120)를 통하여 적당한 압력으로 감압되어 이젝터들(131, 132)을 통하여 연료전지 스택(140)의 연료극으로 공급되고, 연료전지 스택으로 공급된 수소 가스는 공기 블로워(150)를 통하여 공기극으로 주입된 공기 중 산소와 반응하여 연료전지 스택에서 전기 에너지가 생성되도록 구성된다. 이 때, 반응에 참여하지 못한 수 소는 이젝터 및 재순환 블로워를 통하여 재순환되어 다시 공급되거나 퍼지 밸브(160)를 통하여 외부로 배출된다.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서는 연료전지 스택으로 공급되는 수소 가스의 스택 입구압을 측정할 수 있도록 압력 센서(161)를 연료전지 스택 입구에 설치하고, 스택 입구압의 측정값을 토대로 비례제어 밸브의 개폐 정도를 제어하여 수소 가스의 공급 유량 및 압력을 제어하도록 구성된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 스택 출구압을 측정하기 위한 압력 센서(162)를 설치하고, 이를 통하여 측정된 스택 출구압을 토대로 제어를 수행하도록 구성할 수 도 있이며, 경우에 따라서는 보다 안전한 제어를 위하여 스택 입구압 및 스택 출구압을 병행적으로 측정하여 일측의 측정 이상 발생에도 유연하게 대처할 수 있도록 구성할 수 있다.

이 경우, 공기극 측에 대한 압력과 연료극 측의 압력이 서로 대응되도록 설정하기 위하여, 도 3에서와 같이, 공기 블로워를 통하여 공기극으로 공급되는 공기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서(163)를 설치하여, 도 4에서처럼, 측정된 공기극압에 비하여 연료극압이 일정 수준 높은 압력을 갖도록 설정함이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에서는 연료극으로 수소를 공급할 수 있도록 연결된 다수의 이젝터를 포함하며, 상기 다수의 이젝터들은 각 운전 부하 구간에 따라 효율적으로 작동되도록 서로 다른 직경을 갖는 노즐 및 디퓨져로 구성된 다수의 이젝터로 이루어져, 부하 변동에 따른 연료의 흡입 성능 및 수소 재순환 성능을 충분히 확보할 수 있도록 구성한다. 첨부된 도 3에는 저부하 운전 구간을 위한 작은 노즐 직경의 제1이젝터(131)와 고부하 운전 구간을 위하여 보다 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터(132)의 2개의 이젝터로 구성하였으나, 더욱 정밀한 제어가 요구되는 경우, 3개 이상의 이젝터로 구성할 수 있음은 본 발명에 관한 분야에 통상의 지식을 가진자에게는 자명한 구성에 해당하므로, 구체적인 설명은 생략한다.

도 3에 도시된 연료전지 시스템의 비례 제어 밸브(120)는 선형/비선형의 밸브 위치를 제어하여 상기한 이젝터들로 공급되는 수소 연료의 유량/압력을 조절하는 비례 제어 솔레노이드 밸브로서, 공급 전류를 측정하거나 또는 역기전력(Back ElectroMagnetic Force :BEMF)을 이용하여 무센서 방식으로 밸브 위치를 결정하여 이젝터로 공급되는 수소 가스에 대한 이젝터 입구압을 조절함으로써 수소 공급 유량을 제어한다. 따라서, 솔레노이드 밸브가 갖는 빠른 응답성을 통하여, 본 발명의 연료 공급 장치는 시스템 부하 변동에 빠르게 응답하여 연료전지 시스템의 성능 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 측정된 스택 입구압을 통하여 시스템에서 요구되는 수소 가스의 유량과 압력 조건을 자유로이 조절할 수 있어 보다 정밀한 제어가 가능하다.

본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 바람직한 일구현예는 첨부된 도 5에 도시되어 있다.

도 5는 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 단면도로서, 수소 가스 공급을 제어하기 위한 비례 제어 솔레노이드 밸브가 포함된 연료 공급 장치의 구체적인 구성을 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 공급 장치는 셧 오프(Shut off) 밸브(201)의 개폐에 따라 공급 유로(202)를 통하여 연료 공급 장치 내로 수소 가스가 공급되고, 공급된 수소 가스는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브(210, 220)를 개방함으로써 대응하는 이젝터(미도시) 측으로 유입되도록 구성된다. 상기 연료 공급 장치는 다수의 이젝터에 대응하는 복수개의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함하도록 구성하고, 각각의 제어기를 통하여 각 비례 제어 솔레노이드 밸브가 독립적으로 제어되도록 구성한다. 상기 비례 제어 솔레노이드 밸브 각각은 솔레노이드 코일(211, 221)의 전자기력 및 스프링 탄성(212, 222)에 의하여 작동되는 밸브 스템(213, 223)에 연결된 밸브 플랜져(214, 224)의 상하 운동에 의하여 각각 독립적으로 개폐되며, 밸브 플랜져(214, 224)의 하강시 형성되는 환형 유로(215, 225)를 거쳐 대응하는 이젝터로 연결된 연료 공급홀(216, 226)을 통하여 공급된다.

본 발명에 따른 연료 공급 장치의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 서로 다른 유량 특성을 갖도록 형성된 기하학적 형상 구조를 갖는 밸브 플랜져(214, 224)를 갖도록 설계된다. 본 발명의 바람직한 일구현예로서, 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개의 복동식 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저유량 운전에 적합한 제1비례 제어 솔레노이드 밸브(210)와 고유량 운전에 적합한 제2비례 제어 솔레노이드 밸브(220)로 구성되고, 각각의 밸브 플랜져는 작은 노즐 직경을 갖는 이젝터와 연결되어 저부하 구간에서 작동하도록 설정된 제1비례 제어 솔레노이드 밸브의 제1밸브 플랜져(214)와 큰 노즐 직경을 갖는 이젝터와 연결되어 고부하 구간에서 작동하도록 설정된 제2비례 제어 솔레노이드 밸브의 제2밸브 플랜져(224)로 구성된다. 이 경우, 상기 제1밸브 플랜져는 저부하 운전시 또는 공회전(idle) 운전시와 같은 저부하 구간의 운행에 적합하도록 저유량의 수소 공급이 이루어지도록 형성되며, 이를 위하여 상기 제1밸브 플랜져가 개방되며 형성하는 환형 유로는 작은 유효 단면적을 갖도록 상대적으로 작은 크기로 설계된다. 반대로 고부하 운전시 작동하는 제2밸브 플랜져는 고부하 운전에 적합하도록 큰 부하 조건에서 큰 유량의 수소 가스를 빠르게 연료전지 스택으로 공급하여 연료극 압력추종을 충분히 가속할 수 있도록, 제2밸브 플랜져가 형성하는 환형 유로를 충분히 크게 설계한다. 한편, 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서는 비상 운전을 위한 비상 운전 밸브(203)를 구비하여, 고장 모드에서 비상 운전을 수행할 수 있도록 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서 부하에 따라 두 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 밸브 위치가 조절되면서 변동되는 유량을 도식적으로 나타낸 그래프이다. 도 6에서 그래프의 기울기는 밸브 개방 정도에 따른 유량의 변화율을 의미하는 것으로, 제1비례 제어 솔레노이드 밸브는 작은 기울기를 가지고, 제2비례 제어 솔레노이드 밸브는 큰 기울기를 갖는 직선에 해당한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 저부하용 및 고부하용의 두 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함하는 연료 공급 장치의 경우, 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 소정의 저부하 운전구간에서 작동된 후, 고용량의 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 개방되어 시스템 부하를 충분히 추종할 수 있을 만큼의 수소 가스 유량을 빠른 응답 속도로 제공하도록 구성된다. 이 때, 각 운전 구간의 작동 범위는 차량 운행 조건에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 바람직하게는, 저유량 운전 구간, 즉, 제1비례 제어 솔레노 이드 밸브의 개방으로 공급되는 연료의 유량은 차량의 최대 연료소모량의 10 ~ 50%에 해당되는 유량으로 설계한다.

도 7은 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 또 다른 바람직한 일구현예에 대한 단면도이다. 도 7의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 도 5에서와 마찬가지로, 솔레노이드 코일(311, 321), 스프링(312, 322)의 작동으로 상하 운동할 수 있는 밸브 스템(313, 323) 및 밸브 플랜져(314, 324)를 구비한 복동식의 비례 제어 솔레노이드 밸브들을 포함하여 구성되며, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 대응되는 이젝터(330, 340)로 연결되도록 구성된다. 따라서, 압력 센서를 통해 측정된 스택 입구압을 기준으로 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방에 따라 입구측에서 공급되는 수소 가스가 이젝터를 경유하여 연료전지 스택으로 공급되도록 구성된다.

반면에, 도 7에 도시된 바와 같은 구성의 비례 제어 솔레노이드 밸브에서는 밸브 스템을 아래로 미는 형태로 구성된 도 5의 구현예와는 달리, 밸브 스템을 위로 당겨서 밸브를 개방하는 형태로서 구성되어, 밸브 형상 설계에 있어서 높은 자유도를 제공한다. 즉, 도 5의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 밸브를 밀어서 여는 방식이므로, 최초 밸브 개방 시, 가장 직경이 넓은 밸브 플랜져 부분에서 가장 작은 유량을 제어할 수 있도록 설계되어야 하기 때문에 설계의 제약을 받을 수 있다. 이에 반해, 도 7의 비례 제어 솔레노이드 밸브들은 밸브 스템을 위로 당겨서 밸브를 개방하는 방식이므로, 밸브 플랜져의 형상을 뾰족한 니들 형상으로 설계할 수 있어 작은 유량 제어가 용이한 장점이 있다. 또한, 밸브 플랜져를 니들 형상으로 구성함 으로써 노즐의 목의 크기를 보다 작게 설계할 수 있어, 작은 유량 조건에서 보다 큰 흡입효율로 인한 충분한 재순환 유량이 확보되는 장점이 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 연료 공급 장치에서는 수소 가스의 공급 압력/유량에 대한 정밀 제어가 가능하며, 시간에 따라 수소 공급 유량의 변화를 주어 공급 유량의 동적인 특성을 극대화시킬 수 있는 연료 공급 장치를 구현할 수 있다.

한편, 도 8은 이러한 방식으로 제어된 연료 공급 장치의 시간에 대한 연료의 유량/압력 곡선으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 부하와 관계 없이 연료전지 스택의 운전 상태를 모니터링하고, 필요에 따라 시간에 대한 수소 공급 유량의 변화 또는 맥동을 줌으로써, 연료극 내부의 물을 배출하고 연료극 내부 채널에서의 연료의 흐름을 균일하도록 할 수 있다. 따라서, 수소 공급 유량이 시간에 따라 변화하도록 제어기로 제어함으로써, 저부하 운전 구간에서는 스택 채널 내의 응축수 배출 및 연료전지의 불안정을 해결할 수 있으며, 고부하 운전 구간에서는 수소 재순환량이 증가와 불안정 유동(unsteady flow)의 특성을 활용할 수 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 사인파 형태로 진동하는 압력 및 유량 곡선을 통하여, 파동에 따른 공급 유량 변동에 의하여 연료극 채널 내부 유로의 응축수를 배출할 수 있으며, 연료전지 스택의 가스확산층(Gas Diffusion Layer) 내부로 연료 공급이 원활해짐에 따라 셀 전압(Cell Voltage) 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 저유량 운전 조건에서는 유량이 작기 때문에, 일시적인 유량 증가가 연료전지 스택 전체 유동이 균일하게 흐르도록 작용할 수 있으며, 불안정 유동(unsteady flow)의 특성을 이용하여 물배출이 가능하다. 그리고, 이젝터 흡입 효율은 유량이 증가함에 따라 비선형적인 특성에 따라 커지므로, 일시적인 유량 증가는 상대적으로 증가한 흡입 유량을 유도하여 보다 큰 재순환량을 확보할 수 있도록 한다.

한편, 고부하 운전 구간에서는, 도 9에 도시된 것처럼, 가속과 같은 연료전지 시스템의 부하 증가에 대하여, 정적인 부하에 따른 연료 유량에 비하여 큰 유량의 수소 가스를 공급하도록 제어하여, 일시적으로 많은 잉여 연료 발생 및 재순환량을 증가시키고 충분한 이론 공연비(Stoichiometric Ratio: SR)를 제공할 수 있으며, 물 배출 성능을 향상시켜 고출력에서 연료극 플러딩(Flooding) 발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 장치의 응답성을 더욱 향상시키기 위해서는, 비례 제어 솔레노이드 밸브에 대한 제어기를 통하여 연료 공급 장치를 디더링(Dithering) 제어할 수 있으며, 첨부된 도 8에서는 이러한 디더링 제어 방식의 제어 신호를 도시하고 있다.

디더링 제어란 주 전류에 비하여 작은 출력의 사인(sine)파를 주 전류에 실어 변조된 파형의 출력 전류로 제어하는 방식이다. 솔레노이드 밸브의 특성 상 일정 상태에서 밸브 위치 제어를 위하여 전류가 솔레노이드 코일에 인가되면 와전류가 발생하여 응답 특성이 지연되게 되는데, 솔레노이드 코일의 여자전류를 밸브 스템이 움직이지 않을 정도(출력 직류전류값의 0.05 ~ 0.15%)로 사인파 변조한 전류 출력을 솔레노이드 코일에 공급하여 와전류를 제거함으로써 응답 특성을 개선할 수 있다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 사인파 형태로 진동하고 있는 주 전류 신호에 주 전류에 비하여 작은 크기의 사인파를 합성하여 변조된 사인파 형태의 전류 신호로서 각 비례 제어 솔레노이드 밸브를 제어하는 제어기를 포함하도록 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료전지 시스템의 개략적인 구성도.

도 2는 종래 기술에 따른 연료 공급 장치의 2중 스템 구조를 포함하는 레귤레이터의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 연료 공급 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 시스템 부하에 대한 압력 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 연료 공급 장치에서 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 밸브 위치에 따라 변동되는 유량에 대한 그래프.

도 7은 본 발명에 따른 비례 제어 솔레노이드 밸브를 포함한 연료 공급 장치의 다른 일구현예의 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 압력/유량 제어 그래프.

도 9는 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 응답성 개선을 위한 디더링 제어의 전류 신호 그래프.

< 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 >

310: 제1비례 제어 솔레노이드 밸브 313: 제1밸브 스템

314: 제1밸브 플랜져 315: 환형 유로

320: 제2비례 제어 솔레노이드 밸브 323: 제2밸브 스템

324: 제2밸브 플랜져 330: 제1이젝터

340: 제2이젝터

Claims (7)

1. 연료전지 시스템의 연료 공급 장치에 있어서,

   독립적으로 작동되는 분리된 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브와;

   상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브에 각각 대응되도록 연결되는 분리된 복수 개의 이젝터를;

   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개방단은 니들 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 하나의 하우징 내에 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 복수 개의 비례 제어 솔레노이드 밸브는 저부하 운 전시 작동하는 제1비례 제어 솔레노이드 밸브와; 고부하 운전시 작동하는 제2비례 제어 솔레노이드 밸브로 구성되며,

   상기 복수 개의 이젝터는 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결된 제1이젝터와; 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브에 연결되고, 상기 제1이젝터에 비하여 큰 노즐 직경을 갖는 제2이젝터로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며,

   상기 제어기는 연료전지 시스템의 최대 연료소모량에 대한 유량의 10 내지 50%의 유량 범위에서, 상기 제1비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 저부하 구간에서 상기 제2비례 제어 솔레노이드 밸브가 작동되는 고부하 구간으로 전환되도록 각 비례 제어 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는 공급되는 유량 및 압력의 크기가 시간에 대하여 변동되는 사인파 형상의 파동으로 공급되도 록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 제어기는 각각의 비례 제어 솔레노이드 밸브를 디더링 제어 방식으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 장치.

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