KR20140076699A - THERMAL MANAGEMENT SYSTEM FOR FUEL CELL STACK and CONTROL METHOD FOR THE SAME - Google Patents

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Abstract

A thermal management system for a fuel cell stack according to the present invention includes: a radiator integrated with a heater to which cooling water for cooling the fuel cell stack flows in; and a cooling pump for allowing the cooling water stored inside the radiator to flow into the fuel cell stack while controlling the flow rate of the cooling water flowing into the fuel cell stack, in proportion with the temperature of the cooling water.

Description

연료전지 스택의 열 관리 시스템 및 그 제어방법{THERMAL MANAGEMENT SYSTEM FOR FUEL CELL STACK and CONTROL METHOD FOR THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a thermal management system for a fuel cell stack,

본 발명은 연료전지 스택의 열 관리 시스템장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 연료전지 스택의 온도 제어를 위한 열 관리계 부품 및 제어가 단순화된 연료전지 스택의 열 관리 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal management system apparatus for a fuel cell stack, and more particularly, to a thermal management system for controlling temperature of a fuel cell stack and a thermal management system of the fuel cell stack and a control method thereof.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
Fuel cells are a kind of power generation system that converts chemical energy of fuel into electrical energy by reacting electrochemically in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It is not only supplying power for industrial, household and vehicle driving, It can also be applied to the electric power supply of electric / electronic products, especially portable devices.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
As a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which has been most studied as a power source for driving a vehicle, has a structure in which hydrogen ions move on both sides of an electrolyte membrane A membrane electrode assembly (MEA) having a catalytic electrode layer on which an electrochemical reaction takes place, a gas diffusion layer (GDL) acting to distribute the generated electric energy evenly to the reaction gases, A gasket and a fastening mechanism for maintaining airtightness and proper tightening pressure of the gases and the cooling water, and a bipolar plate for moving the reaction gases and the cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
In the fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant (air) are supplied to an anode and a cathode of a membrane electrode assembly through a flow path of a separator plate, respectively. The hydrogen is supplied to the anode Oxygen (air) "or" oxygen electrode "or" reduction electrode "), and oxygen (air) is supplied to the cathode.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
The hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H +) and electrons (electron and e-) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Only hydrogen ions selectively pass through the electrolyte membrane And at the same time, the electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer which is a conductor and the separator plate.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supplying device to generate water. At this time, the flow of electrons through the external conductor occurs due to the movement of hydrogen ions, and a current is generated by the flow of electrons.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle mainly includes a fuel cell stack for generating electric energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, a fuel cell stack for supplying oxygen to the fuel cell stack, And a thermal management system (TMS: Thermal Management System) that removes reaction heat from the fuel cell stack and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
In such a configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by an electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction byproducts.

상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 냉각장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
In the above-described fuel cell system, a cooling device that cools the stack is indispensable in order to prevent the temperature of the stack from rising because heat is generated as a reaction by-product. In addition, the most urgent and difficult problem in the fuel cell system is the strategy of securing cold - freeness, so the role of heat and water management system is more important than anything else.

주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.
As is well known, the cooling water of the TMS line serves as a coolant (coolant) for cooling the stack, and at the same time as the coolant is rapidly heated by the heater, it is supplied to the stack, thereby serving as a heat medium to rapidly thaw the stack.

연료전지 차량에서 냉시동성 확보를 위한 종래의 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속 해빙이었다. 그러나, 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙할 뿐만 아니라 냉각수 루프가 복잡해지고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.
A conventional solution for securing cold freezing in a fuel cell vehicle was the rapid thawing of pure water using a heater inside a Rapid Thaw Accumulator (RTA). However, if pure water is used, pure water will freeze below the freezing point, and the cooling water loop will become complicated and additional drain valves will be required.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스택용 부동액을 냉각수로 사용하고 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다. 이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다.
In order to solve these problems, there is a method of using cooling antifreeze as a cooling fluid for the stack and rapid cooling of the cooling water to smooth the power generation of the stack at a temperature below the freezing point. To do this, the heater must be attached to the stack cooling water line.

또한 연료전지 차량에서는 연료전지의 시동(start up)/셧다운(shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathod Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 접속시켜 수소와 산소의 반응에 의한 전력 생성을 열에너지로 소비하게 된다.
In addition, in the fuel cell vehicle, COD (Cathode Oxygen Depletion) is connected to both terminals of the stack to prevent degradation of stack durability due to corrosion of the catalyst-carrying carbon when the fuel cell starts up / shutdown, The power generation by the reaction of the heat energy is consumed by the heat energy.

이러한 히터와 COD는 모두 저항히터로서 그 사용시기와 용도만 다를 뿐 근본적으로 하나의 히터로 통합할 수 있다. 이와 같은 COD 통합 히터는 스택 냉각수 회로에 부착되어 발생되는 열을 모두 스택 냉각수의 승온에 사용해왔다. 또한 극저온 냉시동시 스택의 자체 발열 온도까지 냉각수 급속 승온 및 자체 발열 냉시동시 스택의 부하 소모, 그리고 연료전지의 시동 및 셧다운시 전극의 카본 부식 방지, 애노드 플러딩(anode flooding) 등 방지를 위해 COD 통합 히터가 TMS 라인에 별도로 부착되어 있었다.
These heaters and CODs are all resistance heaters, which can be integrated into a single heater, essentially only when and when they are used. Such a COD integrated heater has been used to heat all the heat generated by the stack cooling water circuit to raise the temperature of the stack cooling water. In addition, the COD integrated heater is used to prevent the carbon burning of the electrode and the anode flooding of the electrode when the fuel cell is started and shut down, and the load of the coaxial stack is rapidly increased to the self-heating temperature of the cryogenic cold simultaneous stack. Were separately attached to the TMS line.

상술한 구성을 갖는 종래 기술의 열 관리 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 스택(10)으로부터 가열된 냉각수가 유입되는 매니폴드(20), 라디에이터(30), 3-Way 밸브(40), 냉각펌프(50) 및 COD 통합 히터(60)로 구성되어 있다.
3, the heat management system of the related art having the above-described configuration includes a manifold 20, a radiator 30, a 3-way valve 40, A pump 50 and a COD integrated heater 60.

종래 기술의 열 관리 시스템은 스택(10)에서 배출된 가열된 냉각수의 온도를 측정하여 냉각수의 온도가 목표온도를 상회할 경우 3-Way 밸브(40)가 라디에이터(110)측 유로를 개방한다. 라디에이터(110)를 통한 냉각수와 3-Way 밸브(40)로 직접 유동되는 냉각수가 혼합되어 적정 온도를 유지하면서 스택(10)으로 공급된다.
The conventional thermal management system measures the temperature of the heated cooling water discharged from the stack 10, and when the temperature of the cooling water exceeds the target temperature, the 3-way valve 40 opens the flow path on the radiator 110 side. The cooling water flowing through the radiator 110 and the cooling water flowing directly to the 3-way valve 40 are mixed and supplied to the stack 10 while maintaining an appropriate temperature.

한편, 스택(10)으로부터 배출된 냉각수의 온도가 목표온도 미만일 경우, 냉각수는 매니폴드(20)로 유입된 후 3-Way 밸브(40)를 통해 COD 통합 히터(60)에서 적정 온도로 가열된 후 스택(10)으로 공급된다.
On the other hand, when the temperature of the cooling water discharged from the stack 10 is lower than the target temperature, the cooling water is introduced into the manifold 20 and then heated to a proper temperature in the COD integrated heater 60 through the 3-way valve 40 And then supplied to the post-stack 10.

이와 같은 종래 기술의 열 관리 시스템은 냉각수의 적정 온도를 유지하기 위해 3-Way 밸브의 정밀 제어가 필요하였다. 즉, 라디에이터측으로 유동하는 냉각수와 매니폴드에서 3-Way 밸브로 직접 흐르는 냉각수의 적절한 배분을 위해 정밀 제어가 필요한 문제점이 있었다.
In such a conventional thermal management system, precise control of the 3-way valve is required to maintain the proper temperature of the cooling water. That is, there is a problem that precise control is required to properly distribute the cooling water flowing to the radiator side and the cooling water flowing directly to the 3-way valve from the manifold.

또한, 온도차를 갖는 두 냉각수의 혼합시, 이들 냉각수의 혼합이 적절히 이루어지지 않을 경우 온도 센싱이 실패함에 따라 적정 냉각수 온도를 유지하기 어려운 문제점이 있었다.
In addition, when the two cooling water having the temperature difference are mixed, if the cooling water is not properly mixed, there is a problem that it is difficult to maintain the proper cooling water temperature as the temperature sensing fails.

또한, 냉각수 분배를 위해 별도의 매니폴드가 구비되어야 하고, 3-Way 밸브를 제어하기 위한 밸브 제어기가 구비되어야 하며, COD 통합 히터 내부에 적정 온도의 냉각수가 유동하는 유로가 형성되어야 하는 등, 열 관리 시스템의 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.
In addition, a separate manifold must be provided for the distribution of the cooling water, a valve controller for controlling the 3-way valve must be provided, and a channel through which cooling water having an appropriate temperature flows in the COD integrated heater must be formed. The structure of the management system becomes complicated.

한국공개특허공보 제2009-0058095호(출원일 : 2007.12.04)Korean Patent Publication No. 2009-0058095 (filed on December 4, 2007)

본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 종래에 비해 구조가 단순하게 개선되고 제어가 간편한 연료전지 스택의 열 관리 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thermal management system and a control method therefor of a fuel cell stack in which the structure is simply improved and control is easier than in the prior art.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템은 연료전지 스택의 냉각을 위한 냉각수의 온도에 비례하여 냉각펌프의 회전속도가 조절될 수 있다.
The thermal management system of the fuel cell stack according to the present invention can adjust the rotational speed of the cooling pump in proportion to the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack.

여기서, 상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 이상일 경우 상기 스택으로 고 유량의 냉각수를 유입시키도록 고속 회전 제어될 수 있다.
Here, the cooling pump may be controlled to rotate at a high speed so as to introduce a high flow rate of cooling water into the stack when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the bubble temperature of the fuel cell stack.

또한, 상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 미만일 경우 상기 스택으로 저 유량의 냉각수를 유입시키도록 저속 회전 제어될 수 있다.
In addition, the cooling pump may be controlled to rotate at a low speed to introduce cooling water at a low flow rate into the stack when the temperature of the cooling water is lower than the bubble temperature of the fuel cell stack.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템은 연료전지 스택을 냉각한 냉각수가 유입되며 히터가 구비된 일체형 라디에이터; 및 상기 라디에이터에 보관된 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 유입시키되, 상기 냉각수의 온도에 비례하여 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 유량이 제어되는 냉각펌프;를 포함할 수 있다.
A heat management system of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention includes: an integrated radiator having a heater into which cooling water that has cooled a fuel cell stack flows; And a cooling pump for flowing cooling water stored in the radiator into the fuel cell stack and controlling a flow rate of cooling water flowing into the fuel cell stack in proportion to the temperature of the cooling water.

여기서, 상기 일체형 라디에이터는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목표온도 미만일 경우, 상기 히터를 구동하여 상기 냉각수를 가열할 수 있다.
Here, the integral radiator may drive the heater to heat the cooling water when the temperature of the cooling water is lower than a target temperature of the fuel cell stack.

또한, 상기 일체형 라디에이터에 구비된 히터는 COD와 히터가 일체화된 COD 통합 히터이며, 상기 COD 통합 히터는 히터봉 및 제어부가 상기 라디에이터에 일체로 부착될 수 있다.
The heater included in the integrated radiator is a COD integrated heater in which a COD and a heater are integrated. In the COD integrated heater, a heater rod and a control unit may be integrally attached to the radiator.

또한, 상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 이상일 경우 상기 스택으로 고 유량의 냉각수가 유입되도록 고 RPM으로 구동될 수 있다.
The cooling pump may be driven at a high RPM such that a high flow rate of cooling water is introduced into the stack when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the bubble temperature of the fuel cell stack.

또한, 상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 미만일 경우 상기 스택으로 저 유량의 냉각수가 유입되도록 저 RPM으로 구동될 수 있다.
In addition, the cooling pump may be driven at a low RPM such that a low flow rate of cooling water flows into the stack when the temperature of the cooling water is lower than the melt flow temperature of the fuel cell stack.

또한, 상기 일체형 라디에이터는 상기 냉각수의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나 이상의 온도센서를 포함할 수 있다.
In addition, the integral radiator may include at least one temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water.

본 발명의 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법은, 스택으로부터 배출된 냉각수 온도를 측정하는 단계(S110); 온도에 따라 히터를 선택적으로 가동하는 단계(S120); 온도에 따라 냉각펌프의 RPM을 조절하는 단계(S130); 그리고 냉각수를 스택으로 유입시키는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
A method of controlling a thermal management system of a fuel cell stack according to the present invention includes: measuring (S110) a temperature of cooling water discharged from a stack; Selectively operating the heater according to the temperature (S120); Adjusting the RPM of the cooling pump according to the temperature (S130); And introducing cooling water into the stack (S140).

여기서, 상기 온도 측정 단계(S100)에서 상기 냉각수 온도가 상기 스택의 목표온도 미만일 경우, 상기 히터 가동 단계(S120)에서 냉각수를 가열하기 위해 히터가 구동되고 상기 RPM 조절단계(S130)에서 상기 스택으로 저 유량의 냉각수가 유입되도록 상기 냉각펌프가 저 RPM 구동될 수 있다.
Here, if the coolant temperature is lower than the target temperature of the stack in the temperature measurement step S100, the heater is driven to heat the coolant in the heater activation step S120, and in the RPM control step S130, The cooling pump may be driven at a low RPM so that a low flow rate cooling water is introduced.

또한, 상기 온도 측정 단계(S100)에서 상기 냉각수 온도가 상기 스택의 목표온도 이상일 경우, 상기 RPM 조절단계(S130)에서 상기 스택으로 고 유량의 냉각수가 유입되도록 상기 냉각펌프가 고 RPM 구동될 수 있다.
Also, if the cooling water temperature is equal to or higher than the target temperature of the stack in the temperature measurement step S100, the cooling pump may be driven at a high RPM so that the high-flow cooling water is introduced into the stack in the RPM control step S130 .

본 발명에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템에 따르면, COD 통합 히터가 일체화된 라디에이터를 통해 냉각수의 온도 제어 및 공급이 일원화됨으로써 혼합 냉각수 온도 제어가 용이할 수 있으며, 냉각펌프를 통한 냉각수 유량 제어만으로 스택의 온도를 제어함에 따라 더욱 간편하게 연료전지 스택의 열 관리를 수행할 수 있다.
According to the thermal management system of the fuel cell stack according to the present invention, the temperature control and supply of the cooling water is unified through the radiator in which the COD integrated heater is integrated, so that the mixed cooling water temperature can be easily controlled. By controlling the temperature of the stack, the thermal management of the fuel cell stack can be performed more easily.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 개략도;
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도; 및
도 3은 종래 기술의 열 관리 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a thermal management system of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a flowchart showing a control method of the thermal management system of the fuel cell stack of FIG. 1; And
3 is a schematic diagram of a prior art thermal management system.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템 및 그 제어방법에 대하여 상세하게 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a thermal management system and a control method thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 열 관리 시스템(100)은 COD 통합 히터가 구비된 일체형 라디에이터(110), 냉각펌프(120) 및 스택(10)으로부터 유출되는 냉각수를 일체형 라디에이터(110)로 유입시키는 제1 유로(131) 및 냉각펌프(120)를 통해 냉각수를 스택(10)으로 유입시키는 제2 유로(132)를 포함할 수 있다.
1, a thermal management system 100 of a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention includes an integrated radiator 110 having a COD integrated heater, a cooling pump 120, And a second flow path 132 through which the cooling water flows into the stack 10 through the first flow path 131 and the cooling pump 120 for flowing the flowing cooling water into the integrated radiator 110.

일체형 라디에이터(110)는 종래 기술의 매니폴드나 3-Way 밸브와 같은 냉각수의 바이패스 구조를 배제하고 냉각수의 수온을 통합 관리할 수 있는 것으로, 냉각수의 수온을 센싱하여 냉각수의 수온과 목표 온도를 비교하여 COD 통합 히터를 구동할 수 있다.
The integral radiator 110 is capable of integrally managing the water temperature of the cooling water by excluding the bypass structure of the cooling water such as the conventional manifold and the 3-way valve. The integrated radiator 110 senses the water temperature of the cooling water, The COD integrated heater can be driven by comparison.

여기서 일체형 라디에이터(110)는 종래 기술의 라디에이터에 COD 통합 히터를 일체화하여 구성한 것으로, COD 통합 히터의 히터봉 및 제어부만을 라디에이터에 부착함으로써 구성되고, 이로 인해 종래 기술에 비해 COD 통합 히터 내부에서 냉각수가 유동하는 유로를 제거할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
Here, the integrated radiator 110 is constructed by integrating a COD integrated heater into a radiator of the related art, and is constructed by attaching only a heater rod and a control unit of a COD integrated heater to a radiator, There is an effect that the flow path can be removed.

냉각펌프(120)는 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 유량을 가변 제어하기 위한 것으로, 냉각수의 온도에 대응하여 냉각펌프(120)의 회전 속도가 제어될 수 있다.
The cooling pump 120 is for variably controlling the flow rate of the cooling water flowing into the stack 10, and the rotation speed of the cooling pump 120 can be controlled corresponding to the temperature of the cooling water.

즉, 본 실시예에서는 일체형 라디에이터(110)의 냉각수의 온도가 목표 온도 이하일 경우, 냉각펌프(120)는 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 저유량 제어를 위해 회전속도가 감소될 수 있으며, 냉각수의 온도가 목표 온도 이상일 경우, 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 고유량 제어를 위해 회전 속도가 증가될 수 있다.
That is, in this embodiment, when the temperature of the cooling water of the integrated radiator 110 is lower than the target temperature, the cooling pump 120 can reduce the rotation speed for controlling the flow rate of the cooling water flowing into the stack 10, The rotational speed can be increased for controlling the flow rate of the cooling water flowing into the stack 10.

즉, 본 실시예의 냉각펌프(120)는 냉각수의 온도가 목표 온도 이하일 경우, 저 RPM으로 구동되고, 목표 온도 이상일 경우, 고 RPM으로 구동될 수 있다.
That is, the cooling pump 120 of the present embodiment can be driven at a low RPM when the temperature of the cooling water is not higher than the target temperature, and can be driven at a high RPM when the temperature is higher than the target temperature.

한편, 도 1에는 구체적으로 도시되지는 않았으나, 본 실시예의 일체형 라디에이터(110)에는 냉각수의 온도를 센싱하기 위한 단일 온도센서(미도시)가 구비될 수 있으나, 이와 달리 스택(10)으로부터 유출되는 냉각수의 온도와 스택(10)으로 유입되는 냉각수의 온도 차를 센싱하여 냉각수 수온의 정밀 측정을 위해, 제1 유로(131) 및 제2 유로(132)에 각각 온도센서(미도시)가 구비될 수 있다.
1, a single temperature sensor (not shown) for sensing the temperature of the cooling water may be provided in the integrated radiator 110 of the present embodiment. Alternatively, a single temperature sensor (not shown) A temperature sensor (not shown) is provided in the first flow path 131 and the second flow path 132, respectively, for sensing the temperature difference between the cooling water temperature and the cooling water flowing into the stack 10, .

상술한 구성을 갖는 본 발명의 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법은 도 2를 참조로, 스택으로부터 배출된 냉각수 온도를 측정하는 단계(S110), 온도에 따라 히터를 선택적으로 가동하는 단계(S120), 온도에 따라 냉각펌프의 RPM을 조절하는 단계(S130), 냉각수를 스택으로 유입시키는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
A method of controlling a thermal management system of a fuel cell stack according to the present invention having the above-described structure, includes the steps of: measuring a temperature of a cooling water discharged from a stack (S110); selectively operating a heater according to temperature S120), adjusting the RPM of the cooling pump according to the temperature (S130), and introducing the cooling water into the stack (S140).

냉각수 온도 측정 단계(S110)에서, 일체형 라디에이터(110) 또는 제1 및 제2유로(131,132)에 설치된 온도센서에서 스택 냉각을 위한 냉각수의 온도를 측정할 수 있으며, 이때, 냉각수의 온도와 스택(10)의 전기화학반응에 적절한 온도(목표온도)를 비교하여 냉각수 온도가 목표온도 이상 또는 미만인지 여부를 판별할 수 있다.
In the cooling water temperature measurement step S110, the temperature of the cooling water for stack cooling can be measured by the temperature sensor installed in the integrated radiator 110 or the first and second flow paths 131 and 132. At this time, 10) to determine whether the cooling water temperature is above or below the target temperature.

히터 가동 단계(S120)에서, 일체형 라디에이터(110)에 구비된 COD 통합 히터는 냉각수가 극저온 상태일 경우 냉각수를 목표온도까지 가열하도록 가동될 수 있으며, COD 통합 히터의 제어부는 온도센서로부터 센싱된 냉각수의 온도를 피드백하여 COD 통합 히터의 가동을 제어할 수 있다.
In the heater operation step S120, the COD integrated heater provided in the integrated radiator 110 can be operated to heat the cooling water to the target temperature when the cooling water is at a cryogenic temperature, and the control unit of the COD integrated heater controls the cooling water The operation of the COD integrated heater can be controlled.

냉각펌프 조절 단계(S130)에서, 냉각펌프(120)는 유량 제어를 통해 스택(10)과 냉각수 사이의 열교환을 제어하도록 조절될 수 있으며, 구체적으로는 냉각수의 온도가 목표온도 미만일 경우, 스택과 냉각수 사이의 충분한 열교환 제어를 위해, 냉각펌프(120)는 저 RPM 구동되도록 제어될 수 있고, 냉각수의 온도가 목표온도 이상일 경우, 스택(10)으로 많은 유량의 냉각수가 유입될 수 있도록, 냉각펌프(120)는 고 RPM 구동되도록 제어될 수 있다.
In the cooling pump conditioning step (S130), the cooling pump (120) can be adjusted to control the heat exchange between the stack (10) and the cooling water through flow control, and more particularly, when the temperature of the cooling water is below the target temperature, For sufficient heat exchange control between the cooling water, the cooling pump 120 can be controlled to be driven at a low RPM, and a cooling pump (not shown) can be controlled so that a large amount of cooling water can flow into the stack 10 (120) can be controlled to be driven at a high RPM.

이와 같은 본 실시예의 열 관리 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 종래 기술에 비해 매니폴드 및 3-Way 밸브에 의한 냉각수 바이패스 구조 및 COD 통합 히터 내부의 유로가 제거될 수 있어 구조가 단순하게 개선될 수 있으며, 3-Way 밸브의 정밀제어가 배제되어 냉각수 온도 및 유동 제어가 단순해질 수 있는 효과가 있다. 또한 냉각수 온도에 대응하여 냉각펌프의 RPM 만을 제어하기 때문에 열 관리 시스템의 제어가 더욱 단순화될 수 있다.
According to the thermal management system and the control method of the present embodiment, the cooling water bypass structure by the manifold and the 3-way valve and the flow path inside the COD integrated heater can be eliminated compared with the conventional technology, And the precise control of the 3-way valve is eliminated, so that the cooling water temperature and flow control can be simplified. In addition, since only the RPM of the cooling pump is controlled in response to the cooling water temperature, the control of the thermal management system can be further simplified.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 본 발명의 연료전지 스택의 열 관리 시스템 및 그 제어방법에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that modifications, variations, and various modifications may be made without departing from the scope of the invention.

또한, 본 출원 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
Also, the terms used in the present specification are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are intended to specify that there are stated features, numbers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

10 : 연료전지 스택
100 : 열 관리 시스템
110 : 일체형 라디에이터
120 : 냉각펌프
131 : 제1유로
132 : 제2유로10: Fuel cell stack
100: Thermal management system
110: Integrated radiator
120: Cooling pump
131: First Euro
132:

Claims (12)

연료전지 스택의 냉각을 위한 냉각수의 온도에 비례하여 냉각펌프의 회전속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
Wherein the rotational speed of the cooling pump is adjusted in proportion to the temperature of the cooling water for cooling the fuel cell stack.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 이상일 경우 상기 스택으로 고 유량의 냉각수를 유입시키도록 고속 회전 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the cooling pump is controlled to rotate at a high speed so as to introduce a high flow rate of cooling water into the stack when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a bubble temperature of the fuel cell stack.
청구항 2에 있어서,
상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 미만일 경우 상기 스택으로 저 유량의 냉각수를 유입시키도록 저속 회전 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 2,
Wherein the cooling pump is controlled to rotate at a low speed so as to introduce cooling water of a low flow rate into the stack when the temperature of the cooling water is lower than the bubble temperature of the fuel cell stack.
연료전지 스택을 냉각한 냉각수가 유입되며 히터가 구비된 일체형 라디에이터; 및
상기 라디에이터에 보관된 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 유입시키되, 상기 냉각수의 온도에 비례하여 상기 연료전지 스택에 유입되는 냉각수의 유량이 제어되는 냉각펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
An integrated radiator in which cooling water that has cooled the fuel cell stack flows and is equipped with a heater; And
And a cooling pump for introducing the cooling water stored in the radiator into the fuel cell stack and controlling the flow rate of the cooling water flowing into the fuel cell stack in proportion to the temperature of the cooling water. Management system.
청구항 4에 있어서,
상기 일체형 라디에이터는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목표온도 미만일 경우, 상기 히터를 구동하여 상기 냉각수를 가열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 4,
Wherein the integrated radiator drives the heater to heat the cooling water when the temperature of the cooling water is lower than a target temperature of the fuel cell stack.
청구항 5에 있어서,
상기 일체형 라디에이터에 구비된 히터는 COD와 히터가 일체화된 COD 통합 히터이며, 상기 COD 통합 히터는 히터봉 및 제어부가 상기 라디에이터에 일체로 부착된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 5,
Wherein the heater provided in the integrated radiator is a COD integrated heater in which a COD and a heater are integrated, and the heater rod and the control unit are integrally attached to the radiator in the COD integrated heater.
청구항 4에 있어서,
상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 이상일 경우 상기 스택으로 고 유량의 냉각수가 유입되도록 고 RPM으로 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 4,
Wherein the cooling pump is driven at a high RPM such that a high flow rate of cooling water is introduced into the stack when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the meltblown temperature of the fuel cell stack.
청구항 7에 있어서,
상기 냉각펌프는 상기 냉각수의 온도가 상기 연료전지 스택의 목포온도 미만일 경우 상기 스택으로 저 유량의 냉각수가 유입되도록 저 RPM으로 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 7,
Wherein the cooling pump is driven at a low RPM such that a coolant of a low flow rate flows into the stack when the temperature of the coolant is lower than the meltblown temperature of the fuel cell stack.
청구항 4에 있어서,
상기 일체형 라디에이터는 상기 냉각수의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나 이상의 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템.
The method of claim 4,
Wherein the integrated radiator includes at least one temperature sensor for measuring the temperature of the cooling water.
스택으로부터 배출된 냉각수 온도를 측정하는 단계(S110);
온도에 따라 히터를 선택적으로 가동하는 단계(S120);
온도에 따라 냉각펌프의 RPM을 조절하는 단계(S130); 그리고
냉각수를 스택으로 유입시키는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법.
Measuring the temperature of the cooling water discharged from the stack (S110);
Selectively operating the heater according to the temperature (S120);
Adjusting the RPM of the cooling pump according to the temperature (S130); And
(S140) of flowing cooling water into the stack (S140).
청구항 10에 있어서,
상기 온도 측정 단계(S100)에서 상기 냉각수 온도가 상기 스택의 목표온도 미만일 경우,
상기 히터 가동 단계(S120)에서 냉각수를 가열하기 위해 히터가 구동되고 상기 RPM 조절단계(S130)에서 상기 스택으로 저 유량의 냉각수가 유입되도록 상기 냉각펌프가 저 RPM 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법.
The method of claim 10,
If the cooling water temperature is less than the target temperature of the stack in the temperature measurement step S100,
Wherein the heater is driven to heat the cooling water in the heater operation step (S120), and the cooling pump is driven at low RPM so that the cooling water of a low flow rate flows into the stack in the RPM regulation step (S130) Of the thermal management system.
청구항 10에 있어서,
상기 온도 측정 단계(S100)에서 상기 냉각수 온도가 상기 스택의 목표온도 이상일 경우,
상기 RPM 조절단계(S130)에서 상기 스택으로 고 유량의 냉각수가 유입되도록 상기 냉각펌프가 고 RPM 구동되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 열 관리 시스템의 제어방법.
The method of claim 10,
In the temperature measurement step S100, when the cooling water temperature is equal to or higher than the target temperature of the stack,
Wherein the cooling pump is driven at a high RPM so that a coolant of a high flow rate flows into the stack in the step of controlling the RPM (S130).
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