KR20130064298A - 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 응축수의 원활한 배수로 연료전지의 출력을 유지함은 물론 내구성을 증대할 수 있도록 한 것으로, 경사로의 주행시 경사각도를 감지하는 경사각도 감지단계; 감지된 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인지를 판단하는 경사각도 판단단계; 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인 경우, 그 경사각도에 따라 수소 재순환블로워의 동작을 증대하여 응축수를 배수하는 재순환블로워 출력증대단계;를 포함하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법이 소개된다.

Description

경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법{Water drain method for condensation water of fuel cell}

본 발명은 연료전지에서 발생된 응축수를 경사로에서 원활하게 배출할 수 있는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법에 관한 것이다.

연료전지차는 크게 연료전지시스템, 전기구동시스템, 그리고 차량제어기 등으로 구분할 수 있는데, 연료전지시스템은 주로 에너지를 공급하는 연료전지, 연료전지가 작동하도록 수소를 공급하는 수소시스템, 공기를 공급하는 공기시스템, 그리고 열을 관리하는 열관리시스템으로 구성된다.

전기구동시스템은 연료전지와 병렬로 초기 에너지를 공급하고 차량의 회생제동에너지 저장하는 배터리시스템, 배터리시스템과 연료전지시스템의 전압차이를 중간에서 조절해주는 고전압 DC/DC Converter, 공급된 DC 에너지를 AC로 변환하는 인버터, 변환된 고전압 AC로 차량을 움직이는 구동모터로 구성되어 있다.

연료전지 자동차의 주동력(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다.

상기 연료전지는 분리판, 애노드, 전해질막, 캐소드, 수소/공기/냉각수분배구조물, 애노드유로(anode flow field), 캐소드유로(cahtode flow field), 냉각유로로 구성되어 있다.

연료전지 구동 시 수소는 수소공급원으로부터 공급되고, 수소공급 솔레노이드밸브 및 배관을 거쳐서 연료전지의 애노드유로로 공급된다.

연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환시키며, 이 과정은 퍼지밸브를 닫은 상태에서 수소 재순환블로워을 가동시키게 되면, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관을 따라 이동하고 수소 재순환블로워 및 수소재순환 차단밸브를 거쳐 연료전지 애노드유로로 들어가게 된다.

정해진 시간에 수소 퍼지밸브를 열어 전해질막을 통해 넘어온 질소와 수분을 배출시키게 되고, 공기는 대기로부터 공급되고 배관을 거쳐 공기블로워에 공급되며, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관을 통해 연료전지의 캐소드유로로 공급되게 된다.

애노드유로의 수소(H2)는 애노드의 촉매에서 H+ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막을 통해 캐소드측으로 넘어가게 된다. 캐소드유로에 존재하는 O₂가 캐소드의 촉매에서 O-이온으로 변환되고, 상기 H+이온과 O-이온이 반응해서 H₂0로 변환되게 된다.

한편, 종래의 연료전지 차량에서는 캐소드 뿐만 아니라 애노드측에서도 운전 조건에 따라 수증기의 응축이 일어나며, 이러한 응축수를 제거함으로써 연료전지 시스템의 내구 수명 연장 및 성능 향상에 기여할 수 있다.

연료전지 시스템의 캐소드 및 애노드측에서 발생된 물은 공기나 수소의 유로를 막아 셀간 언밸런스를 형성하여 셀의 성능저하를 야기하고, 반복 발생시 궁극적으로는 셀의 열화를 가속시킬 수 있으므로 빠르게 스택에서 물을 제거하여야만 한다.

종래의 연료전지차량에서는 생성된 응축수를 배수시키는 방법으로 재순환블로워를 통하여 배수하거나 퍼지에 의한 배수를 통해 응축수를 배수시키고 있으나, 경사로에서의 차량상태 및 스택의 상태에 관계없이 이루어짐에 따라 셀 성능이 저하되어 출력이 낮아짐은 물론 플러딩(flooding)을 유발하여 내구성을 저하시키는 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 경사로에서 경사각도에 의해 연료전지에서 발생되는 응축수가 한쪽으로 쏠리는 현상을 방지함으로써 연료전지의 출력을 유지함은 물론 내구성을 증대할 수 있는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법은 경사로의 주행시 경사각도를 감지하는 경사각도 감지단계; 감지된 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인지를 판단하는 경사각도 판단단계; 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인 경우, 그 경사각도에 따라 수소 재순환블로워의 동작을 증대하여 응축수를 배수하는 재순환블로워 출력증대단계;를 포함한다.

상기 재순환블로워 출력증대단계는, 경사각도에 따른 재순환블로워의 스케일팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계와, 평지에서의 재순환블로워 회전수에 경사로에서 요구되는 스케일 팩터를 곱하여 재순환블로워 회전수를 증대시키는 회전수 증대단계를 포함할 수 있다.

경사로에서의 차량 요구출력을 계산하는 요구출력 계산단계; 차량의 요구출력이 높은 경우, 그 요구출력에 따라 퍼지 주기를 증대시키는 퍼지주기 변경단계를 더 포함할 수 있다.

상기 퍼지주기 변경단계는 차량의 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인지를 판단하는 요구출력 판단단계를 통해 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인 경우에 상기 퍼지주기 변경단계를 거치도록 할 수 있다.

상기 퍼지주기 변경단계는, 차량 요구출력에 따른 퍼지주기 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계와, 평지에서의 퍼지주기에 경사로에서 요구되는 스케일 팩터를 곱하여 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 증대단계를 포함할 수 있다.

차량 요구출력은 경사로에서의 악셀위치를 감지하여 그 감지된 위치에 따라 차량의 요구출력을 계산하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 방법으로 이루어진 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법에 따르면, 응축수의 배수를 경사각도에 따라 제어함으로써 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하드웨어나 소프트웨어의 추가설치 없이 기존의 시스템을 그대로 이용할 수 있음으로써 추가 비용이 발생하지 않으며, 타사 대비 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평지에서의 응축수 고임 위치를 보인 상태도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사로에서의 응축수 고임 위치를 보인 상태도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법에 대하여 살펴본다.

본 발명의 일 실시예에 따른 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법은 경사로의 주행시 경사각도를 감지하는 경사각도 감지단계(S150)와, 감지된 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인지를 판단하는 경사각도 판단단계(S200)와, 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도로 판단된 경우 그 경사각도에 따라 수소 재순환블로워의 동작을 증대하여 응축수를 배수하는 재순환블로워 출력증대단계(S300)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 평지의 경우에는 연료전지에서 발생된 응축수가 수소의 이동경로를 따라 수소출구를 통해 배출되어져 재순환시 워터트랩으로 배출되어 연료전지차의 외부로 배수되게 된다.

그러나 경사로의 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 경사로를 오르는 경우에는 연료전지에서 발생된 응축수는 그 사이즈 및 중량에 따라 초기의 가벼운 응축수는 수소출구로 이동하고, 중량이 무거운 응축수는 수소극의 각 채널을 막고 중력에 따라 스택 최하단면에 집중하게 된다. 이로 인해 출력을 저하시키게 되며, 채널간의 불균형으로 내구성을 저하시키게 된다.

이와는 반대로, 경사로를 내려오는 경우에는 연료전지에서 발생된 응축수는 수소의 속도와 중력에 의해 수소출구로 이동되어져 원활히 배수되어 진다.

따라서, 본 발명은 차량 주행 중 경사로를 오르는 경우에도 응축수가 스택에 하단면에 고이지 않은 채 수소출구를 통해 원활히 배출되어 지도록 하기 위한 발명으로서, 상기 경사각도 판단단계(S200)와 재순환블로워 출력증대단계(S300)를 통해 응축수를 배수시키게 된다.

상기 경사각도 판단단계에서 경사로의 경사각도가 연료전지에 영향을 미치지 않는 경사각도인 것으로 판단한 경우에는 계속해서 감지된 경사각도를 판단하여 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도로 판단된 경우에만 상기 재순환블로워 출력증대단계를 거치게 된다.

여기서, 상기 재순환블로워 출력증대단계(S300)는 구체적으로 경사로의 경사각도에 따른 재순환블로워의 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계(S310)와, 평지에서의 재순환블로워 회전수에 상기 팩터 계산단계를 통해 계산된 스케일 팩터를 곱하여 재순환블로워 회전수를 증대시키는 회전수 증대단계(S320)를 포함한다.

이때, 상기 차량의 요구 출력의 양이 대용량인 경우, 즉 대용량의 출력이 필요한 경우에는 그 요구출력에 따라 수소를 배출하는 퍼지주기를 증대시킴으로써 응축수를 차량의 외부로 배수시켜 쏠림현상을 개선하도록 할 수 있다.

이를 위해, 경사로에서의 차량 요구출력을 계산하는 요구출력 계산단계(S400)와, 차량의 요구출력이 퍼지증대에 필요한 출력보다 높은 경우에 그 요구출력에 따라 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 변경단계(S450)를 더 포함한다.

상기 요구출력 계산단계에서 요구출력이 퍼지증대에 필요한 출력보다 낮은 경우에는 경사각도를 판단하는 최초 과정에서부터 다시 반복하고, 경사로의 경사각도가 심하여 대용량의 요구출력이 필요한 경우에 그 요구출력 값을 비교하여 퍼지증대에 필요한 출력값보다 높은지를 판단하게 된다.

상기 퍼지주기 변경단계(S450)는 차량의 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인지를 판단하는 요구출력 판단단계(S410)를 통해 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인 경우에 한해 상기 퍼지주기 변경단계(S450)를 거치게 된다.

이러한 퍼지주기 변경단계(S450)는 차량 요구출력에 따른 퍼지주기 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계(S460)와, 평지에서의 퍼지주기에 경사로에서 요구되는 스케일 팩터를 곱하여 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 증대단계(S470)를 포함할 수 있다.

따라서, 차량의 요구출력에 따라 퍼지주기의 스케일 팩터를 계산하고, 그 계산된 스케일 팩터를 평지에서의 퍼지주기에 곱함으로써 경사로에서의 퍼지주기를 증대시키게 되는 것이며, 이렇게 증대된 퍼지주기를 통해 수소를 배출시킴으로써 응축수의 제거를 완벽하게 달성하게 되는 것이다.

여기서, 상기 차량의 요구출력은 경사로에서의 악셀위치를 감지하여 그 감지된 악셀위치에 따라 차량의 요구출력을 계산하게 되는 것으로, 경사각도에 따라 바뀌는 악셀위치를 정확하게 감지하여 응축수를 배수시킴으로써 응축수가 스택 내에 고이게 되는 것을 예방할 수 있는 것이며, 이로 인해 셀 성능 저하 및 내구성 저하를 방지할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사로에서의 연료전지용 응축수 배출방법의 순서도로서, 경사로의 주행시 차량의 시동이 ON동작하고 있는지를 판단하는 과정을 거친 후(S100), 시동이 ON동작하는 경우에 그 경사로의 경사각도를 감지하는 경사각도 감지단계(S150)를 수행하고, 감지된 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인지를 판단하는 경사각도 판단단계(S200)를 수행한다.

이 후, 경사로의 경사각도가 연료전지에 영향을 미치지 않는 경사각도인 것으로 판단한 경우에는 최초 주행시점으로 돌아가 경사각도가 영향을 미칠 때까지 반복하고, 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도로 판단된 경우에는 경사로의 경사각도에 따른 재순환블로워의 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계(S310)를 수행하고, 팩터 계산단계를 통해 계산된 스케일 팩터를 평지에서의 재순환블로워 회전수에 곱하여 재순환블로워 회전수를 증대시키는 회전수 증대단계(S320)를 수행한다.

회전수 증대단계를 통해 증대된 회전수로 수소를 이동시켜 응축수를 외부로 배수시키게 되는데, 경사도에 따라 대용량의 요구출력이 필요한 경우에는 경사로의 주행에 따른 악셀위치에 따라 차량이 요구하는 출력을 계산하는 요구출력 계산단계(S400)를 수행하고, 그 계산된 요구출력이 퍼지증대에 필요한 출력보다 높은지를 판단하게 된다(S410).

만약 차량의 요구출력이 퍼지증대에 필요한 출력보다 낮은 경우에는 상기한 과정을 거치게 되고, 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인 경우에는 차량 요구출력에 따른 퍼지주기 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계(S460)를 수행하고, 그 계산된 스케일 팩터를 평지에서의 퍼지주기에 곱하여 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 증대단계(S470)를 수행하여 응축수를 외부로 배수시키게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S100: 시동판단단계 S150: 경사각도 감지단계
S200: 경사각도 판단단계 S300: 재순환블로워 출력증대단계
S310: 팩터 계산단계 S320: 회전수 증대단계
S400: 요구출력 계산단계 S410:요구출력 판단단계
S450: 퍼지주기 변경단계 S460: 팩터 계산단계
S470: 퍼지주기 증대단계

Claims (6)

1. 경사로의 주행시 경사각도를 감지하는 경사각도 감지단계;
   감지된 경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인지를 판단하는 경사각도 판단단계;
   경사각도가 연료전지에 영향을 미칠 수 있는 경사각도인 경우, 그 경사각도에 따라 수소 재순환블로워의 동작을 증대하여 응축수를 배수하는 재순환블로워 출력증대단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 재순환블로워 출력증대단계는, 경사각도에 따른 재순환블로워의 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계와, 평지에서의 재순환블로워 회전수에 경사로에서 요구되는 스케일 팩터를 곱하여 재순환블로워 회전수를 증대시키는 회전수 증대단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   경사로에서의 차량 요구출력을 계산하는 요구출력 계산단계;
   차량의 요구출력이 높은 경우, 그 요구출력에 따라 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 변경단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 퍼지주기 변경단계는 차량의 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인지를 판단하는 요구출력 판단단계를 통해 요구출력이 퍼지주기를 증대시킬 정도의 출력인 경우에 상기 퍼지주기 변경단계를 거치는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 퍼지주기 변경단계는, 차량 요구출력에 따른 퍼지주기 스케일 팩터(factor)를 계산하는 팩터 계산단계와, 평지에서의 퍼지주기에 경사로에서 요구되는 스케일 팩터를 곱하여 퍼지주기를 증대시키는 퍼지주기 증대단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.
6. 청구항 3에 있어서,
   차량 요구출력은 경사로에서의 악셀위치를 감지하여 그 감지된 위치에 따라 차량의 요구출력을 계산하는 것을 특징으로 하는 경사로에서의 연료전지용 응축수 배수 제어방법.

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