KR20130061270A - 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피크 코일을 이용하여 플런저가 순간적인 큰 힘으로 작동되도록 함으로써, 항상 연료전지의 밸브에 대한 결빙 해소가 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 솔레노이드 밸브 및 그 작동 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 시스템에 채택되어 물을 드레인시키는 기능을 하는 솔레노이드 밸브내에 홀드 코일 이외에 별도의 피크 코일을 내장시켜, 결빙시 피크 코일에 전류를 인가함으로써, 플런저가 밸브의 결빙 상태 해소를 위한 순간적인 큰 힘으로 직선 운동하여 결빙 상태에서도 밸브의 원할한 동작이 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법{Solenoid valve for fuel cell and method for controlling the same}

본 발명은 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피크 코일을 이용하여 플런저가 순간적인 큰 힘으로 작동되도록 함으로써, 항상 연료전지의 밸브에 대한 결빙 해소가 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 솔레노이드 밸브 및 그 작동 제어 방법에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

이러한 연료전지 시스템의 동작에 있어서, 연료전지 스택의 수소극(연료극)측에 질소나 물이 축적되어 냉시동시 스택의 성능을 저하시키게 되기 때문에 주기적인 퍼지를 통하여 스택의 안정적인 성능을 확보하여야 한다.

첨부한 도 3에서 보듯이, 상기 연료전지 스택(100)에서 발생 혹은 응축된 물을 제거하기 위하여 연료공급 라인에 워터트랩(102: 리저버)이 장착되어 있는 바, 이 워터트랩(102)은 단순히 스택의 물을 받아서 일정 수위가 되면 물을 빼주는 일종의 물배출 장치로서, 그 배출구쪽에 물 배출을 위하여 개폐되는 솔레노이드 방식의 배출밸브(104)가 장착되어 있다.

따라서, 상기 워터트랩(102)내에 일정량의 물 이상이 저장되면, 이를 최고수위 감지센서(106)에서 감지하는 동시에 워트트랩(102) 바닥쪽의 배출밸브(104)가 열리게 되어, 물의 배출이 이루어진다.

한편, 연료전지 차량의 냉각시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 라디에이터(1)와 열교환기(2)를 냉각수가 순환하는 제1냉각수 순환루트와, 연료전지스택(3)에서 펌프(4)와 리저버(5) 및 열교환기(2)를 냉각수가 순환하는 제2냉각수 순환루트를 갖추고 있고, 또한 연료전지스택과 제2냉각수 순환루트는 별도의 급 해빙 어셈블리(6: Rapid Thaw Assembly)와 드레인통로를 통해 연결되어 있다.

이때, 상기 드레인통로에는 각각 솔레노이드밸브 형식의 드레인밸브(7)가 설치되어 있어서, 외부 기온이 영하로 떨어질 때에 드레인밸브(7)를 개방하여 제2냉각수 순환루트와 연료전지스택에 있는 냉각수를 드레인시켜 냉각수의 결빙을 방지할 수 있고, 반면에 차량의 재시동시에는 드레인밸브(7)가 닫히면서 펌프를 통해 급 해빙 어셈블리(6)내에 저장된 냉각수를 펌핑하여 제2냉각수 순환루트에 냉각수를 채워 넣고 있다.

이와 같이, 연료전지 시스템에는 여러가지 밸브가 장착되는데, 상기와 같이 워터트랩의 배출구에 장착되는 배출밸브 및 냉각수 순환라인의 드레인통로에 장착되는 드레인밸브 등은 모두 솔레노이드 밸브로 채택되고 있다.

상기 솔레노이드 밸브는 물의 배출을 위한 개폐 기능을 수행함에 따라, 동절기시 물의 결빙에 따라 솔레노이드 밸브내의 플런저 작동이 원할하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.

이러한 결빙 문제를 해결하기 위한 종래 방법으로서, 첨부한 도 5에서 보듯이 솔레노이드 밸브의 밸브바디에 별도의 히터(PTC, Cartridge, Silicone rubber heater 등)를 장착하여, 밸브의 결빙시 히터 열을 가하여 결빙을 해소시켜 밸브를 원할하게 동작시키는 방식이 적용되고 있지만, 히터 동작을 통해 결빙상태가 해소될 때까지의 시간이 오래 걸리고, 히터 동작을 위한 전력소모가 불가피한 단점이 있다.

다른 종래 방법으로서, 첨부한 도 6에서 보듯이 밸브바디내에 플런저(plunger)를 기울여서 설치하여, 플런저 면에 수분이 맺히지 않도록 표면처리를 함으로써, 물의 응결에 의해 플런저가 고착되는 것을 방지하여 플런저의 원할한 작동을 유도하였지만, 수분의 완전한 제거가 어렵기 때문에 플런저 부분이 결빙될 수 있고, 이에 신호 입력시 밸브가 열리지 않는 경우가 발생하여 냉시동(cold start up)시 지장을 초래할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템에 채택되어 물을 드레인시키는 기능을 하는 솔레노이드 밸브내에 홀드 코일 이외에 별도의 피크 코일을 내장시켜, 결빙시 피크 코일에 큰 전류를 인가함으로써, 플런저가 밸브의 결빙 상태 해소를 위한 순간적인 큰 힘으로 직선 운동하여 결빙 상태에서도 밸브의 원할한 동작이 이루어질 수 있도록 한 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치 및 그 작동 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는 솔레노이드 밸브의 밸브바디에 승하강 가능하게 내장된 플런저와, 플런저의 외주부에 배치된 홀드 코일과, 플런저의 상단부에 내장된 코어를 포함하는 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치에 있어서, 상기 플런저와 홀드 코일 사이에 결빙시 플런저를 작동시키기 위한 피크 코일을 내장시키되, 이 피크 코일은 홀드 코일에 비하여 코일 직경 및 권선수가 증가된 것으로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치를 제공한다.

본 발명의 솔레노이드 장치는 피크 코일에 전류를 인가하기 위한 전원공급라인에 장착되는 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 솔레노이드 밸브의 결빙상태를 판단하는 단계와; 솔레노이드 밸브의 결빙시, 플런저가 결빙을 해소하며 작동되도록 피크 코일에 홀드 코일에 비하여 큰 전류를 인가하는 단계와; 결빙상태의 해소 후, 피크 코일의 전원공급라인에 장착된 릴레이를 컨트롤러에서 오프 제어하여 피크 코일에 인가되는 전류를 해제하는 단계와; 상기 솔레노이드 밸브의 결빙상태를 판단함에 있어서, 연료전지의 온도를 감지하여 기준온도 이하이면 솔레노이드 밸브가 결빙된 것으로 판정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 피크 코일에 전류가 인가되는 시간은 컨트롤러의 내부소자인 저항 및 콘덴서의 고유값에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 솔레노이드 밸브의 결빙 해제후, 홀드 코일에 인가되는 전류에 의하여 플런저가 작동되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면 솔레노이드 밸브내에 본래의 홀드 코일과 별도로 결빙시 큰 전류가 인가되는 피크 코일을 내설하여, 연료전지의 솔레노이드 밸브에 결빙이 발생된 상태에서 피크 코일에 전류를 인가함으로써, 플런저가 결빙을 해소하면서 순간적인 큰 힘으로 직선 운동하여 결빙 상태에서도 밸브의 원할한 동작이 이루어질 수 있고, 연료전지 차량의 냉시동 시간을 최소화할 수 있다.

또한, 솔레노이드 밸브의 결빙상태에 따라 선택적으로 피크코일을 동작시키기 때문에 밸브의 소비전력을 최소화시킬 수 있다.

또한, 솔레노이드 밸브바디나 플런저 구조의 변경없이 즉, 전체적인 밸브 크기를 증가시키지 않고도 솔레노이드부에 피크 코일만 추가로 부가할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치의 작동 회로도,
도 3 및 도 4는 연료전지 시스템에 솔레노이드 밸브가 장착되는 위치를 설명하는 개략도,
도 5 및 도 6은 종래의 솔레노이드 밸브를 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 시스템에 적용되는 솔레노이드 밸브가 결빙되는 경우, 신속하게 결빙상태를 해소하면서 밸브가 원할하게 작동될 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 솔레노이드 밸브(10)는 밸브바디(11)에 승하강 가능하게 내장된 플런저(12)와, 플런저(12)의 외주부에 배치된 홀드 코일(13)과, 플런저(12)의 상단부에 내장된 코어(14)를 포함하여 구성되고, 평상시 홀드 코일(13)에 전류가 인가되면 코어(14)가 자성을 띠면서 플런저(12)를 위쪽으로 당기게 됨에 따라, 플런저(12)의 하단에 형성된 유로(17)가 열리게 되고, 반면에 홀드 코일(13)에 인가되는 전류가 해제되면 스프링(18)의 탄성복원력에 의하여 플런저(12)가 하강하여 유로(17)가 닫히게 된다.

이렇게 솔레노이드 밸브의 결빙(고착) 상태 즉, 밸브내에 승하강 가능하게 내설된 플런저의 결빙(고착)상태가 되면, 밸브의 원할한 작동이 이루어지지 않아 냉시동성에 영향을 미치면서 연료전지 시스템 전반의 작동 효율이 떨어지게 된다.

본 발명은 솔레노이드 밸브(10)의 결빙(고착) 상태 즉, 밸브내에 승하강 가능하게 내설된 플런저의 결빙(고착)상태를 해소하기 위해서 플런저(12)를 순간적인 큰 힘으로 작동시키고자, 상기 플런저(12)와 홀드 코일(13) 사이에 결빙시 플런저(12)를 작동시키기 위한 피크 코일(15)이 내장된다.

상기 피크 코일(15)은 큰 전류가 흐를 수 있도록 홀드 코일(13)에 비하여 직경 및 권선수를 증가시킨 것으로 채택된다.

이때, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 상기 피크 코일(15)에 전류를 공급하기 위한 전원공급라인에는 컨트롤러(19)에 의하여 온/오프 제어되는 릴레이(16)가 장착된다.

이렇게 솔레노이드 밸브에 큰 전류가 인가될 수 있도록 피크 코일(Peak coil)을 부가적으로 설치함으로써, 밸브의 결빙상태를 신속하게 해소할 수 있으며, 그 작동 과정을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 솔레노이드 밸브(10)의 결빙상태를 판단하는 단계가 선행되는 바, 솔레노이드 밸브(10)의 결빙상태를 판단함에 있어서, 연료전지의 온도를 감지하여 기준온도 이하이면 솔레노이드 밸브(10)가 결빙된 것으로 판정한다.

이렇게 차량의 외기온이나 연료전지 스택의 운전온도를 이용하여 결빙이 발생된 것으로 판정되면 피크 코일에 전류를 인가하고, 결빙이 발생하지 않은 조건으로 판정되면 피크 코일에 전류가 인가되지 않도록 제어하게 된다.

따라서, 솔레노이드 밸브(10)의 결빙시, 플런저(12)가 결빙을 해소하며 작동되도록 피크 코일(15)에 큰 전류가 인가된다.

즉, 상기 피크 코일(15)은 홀드 코일(13)에 비하여 직경 및 권선수를 증가시킨 것이므로 홀드 코일(13)에 인가되던 전류보다 큰 전류가 피크 코일(15)에 인가된다.

이때, 상기 피크 코일(15)에 전류가 인가되는 시간은 컨트롤러(19)의 내부소자인 저항 및 콘덴서의 고유값에 따라 조절 가능하며, 플런저의 결빙상태 해소 후에는 피크 코일(15)의 전원공급라인에 장착된 릴레이(16)를 컨트롤러(19)에서 오프 제어하여 피크 코일(15)에 인가되는 전류를 해제하게 됨으로써, 밸브의 소모전력을 최소로 유지할 수 있다.

따라서, 상기 피크 코일(15)에 큰 전류가 인가되면, 코어(14)가 자성을 띠면서 순간적인 큰 힘으로 플런저(12)를 당기게 됨에 따라, 플런저(12)는 결빙상태를 해소하면서 승강하여 유로(17)가 열리게 된다.

한편, 상기 솔레노이드 밸브(10)의 결빙 해제후, 피크 코일(15)의 전원공급라인에 장착된 릴레이(16)를 컨트롤러(19)에서 오프 제어하여 피크 코일(15)에 인가되는 전류를 해제하게 되고, 이후에는 솔레노이드 밸브(10)의 홀드 코일(13)에 전류가 인가되면서 플런저(12)가 정상적으로 작동하게 된다.

10 : 솔레노이드 밸브
11 : 밸브바디
12 : 플런저
13 : 홀드 코일
14 : 코어
15 : 피크 코일
16 : 릴레이
17 : 유로
18 : 스프링
19 : 컨트롤러

Claims (6)

1. 솔레노이드 밸브(10)의 밸브바디(11)에 승하강 가능하게 내장된 플런저(12)와, 플런저(12)의 외주부에 배치된 홀드 코일(13)과, 플런저(12)의 상단부에 내장된 코어(14)를 포함하는 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치에 있어서,
   상기 플런저(12)와 홀드 코일(13) 사이에 결빙시 플런저(12)를 작동시키기 위한 피크 코일(15)을 내장시키되, 피크 코일(15)은 홀드 코일(13)에 비하여 직경 및 권선수를 증가시킨 것으로 채택된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 피크 코일(15)에 전류를 인가하기 위한 전원공급라인에 장착되는 릴레이(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 연료전지용 솔레노이드 밸브 장치.
   
3. 솔레노이드 밸브(10)의 결빙상태를 판단하는 단계와;
   솔레노이드 밸브(10)의 결빙시, 플런저(12)가 결빙을 해소하며 작동되도록 피크 코일(15)에 홀드 코일에 인가되던 전류보다 큰 전류를 인가하는 단계와;
   결빙상태의 해소 후, 피크 코일(15)의 전원공급라인에 장착된 릴레이(16)를 컨트롤러(19)에서 오프 제어하여 피크 코일(15)에 인가되는 전류를 해제하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 장치 작동 제어 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 솔레노이드 밸브(10)의 결빙상태를 판단함에 있어서, 연료전지의 온도를 감지하여 기준온도 이하이면 솔레노이드 밸브(10)가 결빙된 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 장치 작동 제어 방법.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 피크 코일(15)에 전류가 인가되는 시간은 컨트롤러(19)의 내부소자인 저항 및 콘덴서의 고유값에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 장치 작동 제어 방법.
   
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 솔레노이드 밸브(10)의 결빙 해제후, 홀드 코일(13)에 인가되는 전류에 의하여 플런저(12)가 작동되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 솔레노이드 장치 작동 제어 방법.

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