KR20110045290A

KR20110045290A - 연료전지 시스템의 냉각수 관리장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110045290A
Application number: KR1020090101791A
Authority: KR
Inventors: 김성균
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-05-04

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 전압에 따라 냉각수의 유량을 제어하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리방법이다.

본 발명은 시동 온 상태에서 연료전지 스택의 출력전압을 판독하여 전압의 변화를 검출하는 과정, 전압의 변화에 따라 워터펌프의 회전속도를 제어하여 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 유량을 조정하는 과정, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하여 연료전지 스택의 목표온도를 비교하여 온도차를 검출하는 과정, 상기 온도차에 따라 라디에이터 냉각팬의 속도를 제어하여 냉각수의 방열량을 조정하는 과정을 포함한다.

연료전지 스택, 출력전압, 냉각수 유량, 냉각팬 제어

Description

연료전지 시스템의 냉각수 관리장치 및 방법{APPARATUS FOR COOLING WATER MANAGEMENT OF FUEL CELL SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 전압에 따라 냉각수의 유량을 제어하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로, 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하기 위해 공기를 공급하는 공기공급장치, 냉각수의 순환을 제어하여 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 온도를 최적으로 제어하는 냉각수 관리장치를 포함한다.

종래의 연료전지 시스템에 적용되는 냉각수 관리장치는 연료전지 스택의 입구에 설치되는 온도센서를 통해 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 온도를 검출하고, 연료전지 스택의 출구에 설치되는 온도센서를 통해 연료전지 스택에서 유출되는 냉각수의 온도를 검출하여 연료전지 스택의 입구 및 출구의 온도차에 따라 워터 펌프의 속도를 제어하여 연료전지 스택을 순환하는 냉각수의 유량을 조정하고 있다.

즉, 연료전지 스택의 입구와 출구의 온도 차이가 클수록 워터펌프를 고속으로 회전시켜 연료전지 스택을 순환하는 냉각수의 유량을 증대시켜 연료전지 스택의 온도를 안정되게 유지시킨다.

또한, 연료전지 스택의 출구에 설치되는 온도센서의 정보에 따라 워터펌프의 속도를 제어하여 연료전지 스택을 순환하는 냉각수의 유량을 조정하고 있다.

즉, 연료전지 스택의 출구에서 검출되는 냉각수의 온도가 높을수록 워터펌프의 속도를 고속으로 회전시켜 연료전지 스택을 순환하는 냉각수의 유량을 증대시킨다.

상기한 종래의 연료전지 시스템에 적용되는 냉각수 관리방법은 차량의 순간 가속 등으로 인하여 연료전지 스택에 공기 공급이나 수소의 공급이 증대되어 캐소우드(Cathode) 및 애노드(Anode)의 압력이 증가하는 경우 냉각수는 증가되는 압력에 비하여 온도차를 발생시키지 않으므로 냉각수의 압력은 낮게 제어된다.

따라서, 스택 분리판 사이에서 압력차가 발생하게 되며 이에 따라 연료전지 스택의 내구 수명을 단축시키는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료전지 스택의 전압에 따라 냉각수의 유량을 제어하여 연료전지 스택의 안정성을 제 공하기 위한 것이다.

즉, 연료전지 스택의 출력전압이 증가하면 발열량이 증가하므로, 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 유량을 증대시키고, 연료전지 스택의 출력전압이 낮아지면 발열량이 감소하므로 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 유량을 감소시켜 제어한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지 스택의 출구에서 배출되는 냉각수의 온도에 따라 냉각팬의 속도를 제어하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징은 연료전지 스택과 연료전지 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프, 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도검출기를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지 스택에서 출력되는 전압을 검출하는 전압검출기;

상기 전압검출기에서 제공되는 전압 변화에 따라 발열량의 변화를 추정하여 워터펌프의 회전속도를 제어하는 제어기를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 관리방법,

시동 온 상태에서 연료전지 스택의 출력전압을 판독하여 전압의 변화를 검출하는 과정;

전압의 변화에 따라 워터펌프의 회전속도를 제어하여 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 유량을 조정하는 과정;

연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하여 연료전지 스택의 목표온도를 비교하여 온도차를 검출하는 과정;

상기 온도차에 따라 라디에이터 냉각팬의 속도를 제어하여 냉각수의 방열량을 조정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 연료전지 스택의 전압 변화, 즉 발열량의 변화에 따라 순환되는 냉각수의 유량을 제어함으로써, 급격한 출력 변화에서도 분리판내의 압력차를 최소화하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 연료전지 스택의 발열량이 변화하는 경우에도 연료전지 스택의 입구와 출구의 온도차를 항상 일정하게 유지하며, 하나의 온도센만을 적용함으로써 제작원가를 절감시키는 효과가 있다.

또한, 라디에이터를 통해 방열되는 냉각수의 온도를 상시 일정하게 유지시켜 연료전지 스택의 발전효율을 높여주는 효과가 있다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 관리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 연료전지 스택(101)과 전압검출기(103), 온도검출기(105), 제어기(107), 워터펌프(109), 라디에이터(111) 및 써모스탯(113)을 포함한다.

연료전지 스택(101)은 도시되지 않은 가감속 요구에 따라 수소와 산소를 전기 화학 반응시켜 필요한 전원을 생성하여 부하요소에 제공한다.

전압검출기(103)는 상기 연료전지 스택(101)에서 출력되는 전압을 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(107)에 제공한다.

온도검출기(105)는 상기 연료전지 스택(101)의 냉각수 출구에 배치되어 연료전지 스택(101)에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어기(107)에 제공한다.

제어기(107)는 전압검출기(103)에서 제공되는 전압 변화율에 따라 발열량의 변화를 추출하고, 발열량의 변화에 따라 워터펌프(109)의 회전속도를 제어하여 연료전지 스택(101)을 순환하는 냉각수의 유량을 조정한다.

상기 제어기(107)는 온도검출기(105)에서 제공되는 연료전지 스택(101)에서 배출되는 냉각수의 온도에 따라 라디에이터(111)의 냉각팬 회전속도를 조정하여 냉각수의 온도를 일정한 유지하여 준다.

워터펌프(109)는 제어기(107)의 제어에 따라 회전속도가 조정되어 연료전지 스택(101)에 냉각수를 순환시킨다.

라디에이터(111)는 제어기(107)의 제어에 따라 냉각팬의 회전속도가 조정되 어 냉각수에 흡수된 열을 방열시켜 일정한 온도로 유지시킨다.

써모스탯(113)는 연료전지 스택(101)을 순환하는 냉각수의 온도에 따라 순환경로를 조정하는데, 냉시동의 상태에서는 연료전지 스택(101)을 순환한 냉각수가 라디에이터(111)로 순환되지 않도록 경로를 조정하여 연료전지 스택(101)의 활성화가 빠르게 진행되도록 하고, 냉각수가 일정온도 이상으로 가열되면 냉각수의 순환경로를 라디에이터(111)로 전환한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.

연료전지 시스템이 시동 온 되면 제어기(107)는 전압검출기(103)에서 제공되는 연료전지 스택(101)의 출력 전압을 판독한 다음(S101), 연료전지 스택(101)의 전압변화로부터 발열량을 변화를 추출하고 발열량의 변화에 따라 냉각수의 유량을 결정하여 워터펌프(109)의 회전속도를 결정한다(S102).

이후, 제어기(107)는 냉각수의 유량에 따라 결정되는 회전속도로 워터펌프(109)의 회전속도를 제어함으로써 연료전지 스택(101)의 전압변화에 따라 순환하는 냉각수의 유량을 조정한다(S103).

예를 들어, 연료전지 스택(101)에서 출력되는 전압이 증가하게 되면 연료전지 스택(101)의 전압은 낮아지게 되고, 연료전지 스택(101)의 전압이 낮아지면 연료전지 스택(101)의 효율이 낮아져 결과적으로 발열량이 증가하게 된다.

순간 가속 등에 따라 연료전지 스택(101)의 출력전압이 순간적으로 증가할 경우 요구되는 전압의 출력시키기 위해 연료전지 스택(101)의 애노드 및 캐소드에 공기와 수소의 공급이 급격하게 증가하게 되고, 이에 따라 연료전지 스택의 전압이 떨어져 효율이 낮아지므로 이에 따라 발열량이 증가하게 된다.

따라서, 제어기(107)는 발열량의 증가에 따라 냉각수의 유량을 결정하고, 이에 따라 워터펌프(109)의 회전속도를 결정하여 냉각수 유량을 증가시킨다.

반대의 경우도 마찬가지로, 연료전지 스택(101)에서 출력되는 전압이 감소하게 되면 연료전지 스택(101)의 전압이 높아지게 되고, 연료전지 스택(101)의 전압이 높아지면 연료전지 스택(101)의 효율이 높아져 결과적으로 발열량이 감소하게 된다.

따라서, 제어기(107)는 발열량의 감소에 따라 냉각수의 유량을 결정하고, 이에 따라 워터펌프(109)의 회전속도를 결정하여 냉각수 유량을 감소시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(101)의 전압에 따라 워터펌프(109)의 회전수를 조정하여 연료전지 스택(101)에 공급되는 냉각수 유량을 조정한다.

상기와 같이 연료전지 스택(101)의 전압에 따라 워터펌프(109)의 회전속도를 제어하여 냉각수를 순환시키는 상태에서 연료전지 스택(101)의 냉각수 출구에 배치되는 온도검출기(105)를 통해 연료전지 스택(101)에서 배출되는 냉각수의 온도를 판독하여(S104) 설정된 기준온도 이상인지를 판단한다(S105).

상기 S105의 판단에서 연료전지 스택(101)에서 배출되는 냉각수의 온도가 설정된 기준온도, 바람직하게는 연료전지 스택(101)의 웜업이 완료된 온도 이상으로 판정되면 온도검출기(105)에서 검출되는 냉각수의 온도와 연료전지 스택(101)의 목표온도를 비교하여(S106) 온도차를 연산한다(S107).

상기 온도차가 냉각팬의 속도를 결정하기 위해 설정한 설정온도 미만인지 판 단하여(S108), 설정온도 미만이면 냉각수의 온도가 연료전지 스택(101)의 목표 온도에 미달되는 것으로 판정하여 냉각팬을 감속 제어하여 라디에이터(111)를 통한 방열량을 낮추어 준다(S109).

그러나, 온도차가 설정온도를 초과하는 경우 냉각수의 온도가 연료전지 스택(101)의 목표 온도에 근접되는 것으로 판정하여 냉각팬을 증속 제어하여 라디에이터(111)를 통한 방열을 높여준다(S110).

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(101)에서 배출되는 냉각수의 온도와 연료전지 스택(101)의 목표 온도차이에 따라 냉각팬의 속도를 조정하여 라디에이터(111)를 통한 냉각수의 방열량을 조정한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 관리절차를 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 관리에서 스택 전압과 펌프 속도 관계를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 관리에서 온도차와 냉각팬의 속도 관계를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 스택 103 : 전압검출기

105 : 온도검출기 107 : 제어기

109 : 워터펌프 111 : 라디에이터

113 : 서머스탯

Claims

연료전지 스택과 연료전지 스택에 냉각수를 순환시키는 워터펌프, 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도검출기를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지 스택에서 출력되는 전압을 검출하는 전압검출기;

상기 전압검출기에서 제공되는 전압 변화에 따라 발열량의 변화를 추정하여 워터펌프의 회전속도를 제어하는 제어기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리장치.
제1항에 있어서,

상기 제어기는 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도와 연료전지 스택의 목표 온도에 따라 라디에이터의 냉각팬 회전속도를 제어하여 냉각수의 방열량을 조정하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리장치.
시동 온 상태에서 연료전지 스택의 출력전압을 판독하여 전압의 변화를 검출하는 과정;

전압의 변화에 따라 워터펌프의 회전속도를 제어하여 연료전지 스택에 공급되는 냉각수의 유량을 조정하는 과정;

연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하여 연료전지 스택의 목 표온도를 비교하여 온도차를 검출하는 과정;

상기 온도차에 따라 라디에이터 냉각팬의 속도를 제어하여 냉각수의 방열량을 조정하는 과정;

을 포함하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리방법.
제3항에 있어서,

상기 워터펌프의 회전속도는,

연료전지 스택의 출력전압이 증가하면 효율이 감소되고, 발열량이 증가하는 특성과 연료전지 스택의 출력전압이 감소하면 효율이 증가되고, 발열량이 감소하는 특성을 이용하여 워터펌프의 회전속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리방법.
제3항에 있어서,

상기 라디에이터 냉각팬의 속도는 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수 온도와 연료전지 스택의 목표온도 비교에서 온도차이가 크면 냉각팬의 속도를 감속제어하고, 온도차이가 작으면 냉각팬의 속도를 증속제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각수 관리방법.