KR20150007382A - 연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법을 공개한다. 본 발명은 기설정된 비율로 연료를 공급하는 연료 공급부, 연료 공급부에서 공급된 연료의 화학 반응으로부터 전력을 생성하는 연료 전지, 연료 전지에서 전력을 생성하면서 발생하는 폐가스와 수분을 냉각하는 열교환기, 냉각된 폐가스와 수분을 폐가스와 액체로 구분하는 기액 분리기, 연료 전지에서 생성된 전력의 전압레벨을 변환하는 전력 변환기, 전력 변환기에서 변환된 전력을 인가받아 충전하거나, 충전된 전력을 전력 변환기로 방전하는 이차 전지 및 이차 전지의 온도에 대응하여 기액 분리기에서 구분된 폐가스를 이차 전지의 외부로 공급하여 이차 전지의 온도를 조절하는 이차전지 온도 조절부를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF SECONDARY BATTERY THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법에 관한 것으로, 특히 연료 전지 시스템에서 연료 전지에서 발생하는 폐열을 이용하여 이차 전지를 적정온도에서 동작시킬 수 있는 연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템(fuel cell system)은 일종의 발전 시스템(electric power generation system)으로서, 수소 또는 메탄올 등의 연료가 화학 반응할 때 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 시스템이다. 연료 전지 시스템은 화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 점에서 종래의 화학 전지와 유사하지만, 화학 전지가 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학 반응시키는데 반해 연료 전지는 외부로부터 수소 및 산소와 같은 연료를 연속적으로 공급하여 화학 반응을 일으키므로, 별도의 충전이 필요없이 연료가 공급되는 동안 계속하여 전기를 발생한다. 연료 전지는 기존의 내연기관에 비해 유독물질을 배출하지 않고, 구동부가 존재하지 않아 소음이 없으며, 에너지 효율이 우수하여 차세대 에너지원으로서 각광 받고 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 기본적으로 수소 등의 연료와 산화재인 산소를 공급받아 전기에너지를 발생하는 연료 전지 및 연료 전지로부터 발생한 전력의 전압 레벨을 조정하고 안정화하는 전력 변환부로 구성된다.
그리고 연료 전지 시스템이 이동형으로 구현되는 경우에는 시스템 구동 초기에 전력 변환부를 구동하기 위한 전력을 외부에서 인가받을 수 없으므로, 이차 전지(Secondary battery/Rechargeable battery)를 추가로 구비한다. 이차 전지는 연료 전지에서 발생한 전기에너지를 인가받아 충전하고, 충전된 전기에너지를 전력 변환부로 공급하여 연료 전지 시스템이 외부로부터의 전력공급이 없더라도 원활하게 동작할 수 있도록 한다. 또한 이차 전지가 연료 전지에서 생성된 전력을 인가받아 충전한 후, 외부 부하로 전력을 공급하도록 구성되면 더욱 안정적인 전력 공급이 가능해지고, 필요한 경우에는 이차 전지가 외부로부터도 전력을 인가받아 충전할 수 있는 하이브리드(Hybrid) 시스템으로 구성이 용이하므로, 최근에는 이동형 연료 전지 시스템뿐만 아니라 대부분의 연료 전지 시스템이 이차 전지를 구비하는 추세이다.
상기한 바와 같이, 최근 연료 전지 시스템에는 이차 전지가 포함되는 경우가 대부분이다. 그러나 이차 전지는 저온(예를 들면 0℃ 이하)에서는 충전 및 방전 성능이 급격히 낮아지는 특성이 있다. 특히 다양한 환경에서 동작해야 하는 이동형 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 시스템의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.
이에 기존에는 이차 전지의 방전에 의한 발열을 이용하거나, 외부에 별도의 보온 소재나 난방수단을 이용하여 이차 전지를 승온시켜 사용하고 있으나, 이차 전지의 방전을 이용하는 경우에는 불필요한 전력소비가 발생하며, 별도의 보온 소재나 난방수단을 이용하기 위해서는 별도의 비용이 발생할 뿐만 아니라 연료 전지 시스템 구성을 복잡하게 하는 요인이 되어 제조 비용을 상승시키는 요인이 된다.
본 발명의 목적은 연료 전지에서 발생하는 폐열을 이용하여 이차 전지의 온도를 조절할 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 연료 전지 시스템은 기설정된 비율로 연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부에서 공급된 상기 연료의 화학 반응으로부터 전력을 생성하는 연료 전지; 상기 연료 전지에서 상기 전력을 생성하면서 발생하는 폐가스와 수분을 냉각하는 열교환기; 상기 냉각된 폐가스와 수분을 폐가스와 액체로 구분하는 기액 분리기; 상기 연료 전지에서 생성된 전력의 전압레벨을 변환하는 전력 변환기; 상기 전력 변환기에서 변환된 전력을 인가받아 충전하거나, 충전된 전력을 상기 전력 변환기로 방전하는 이차 전지; 및 상기 이차 전지의 온도에 대응하여 기액 분리기에서 구분된 폐가스를 상기 이차 전지의 외부로 공급하여 상기 이차 전지의 온도를 조절하는 이차전지 온도 조절부;를 포함한다.
상기 이차전지 온도 조절부는 상기 이차전지의 온도를 감지하는 온도 감지 센서; 상기 이차전지가 내부에 배치되며, 상기 폐가스가 상기 2차 전지 주위를 흐를 수 있도록 구성되는 이차전지 케이스; 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스를 외부로 방출하기 위한 제1 가스 방출관; 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스를 상기 이차전지 케이스로 공급하기 위한 제2 가스 방출관; 및 상기 온도 감지 센서에서 감지한 온도에 따라 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스가 상기 제1 가스 방출관 또는 상기 제2 가스 방출관 중 하나로 흐르도록 제어하는 제1 및 제2 가스 방출 밸브; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전지 케이스는 2중 케이스 구조로 구현되어 상기 이차전지가 내부에 배치되며, 상기 2중 구조 사이로 상기 폐가스가 흐를 수 있도록 양단이 상기 제2 가스 방출관에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 가스 방출 밸브는 3방향 밸브로 구현되어, 상기 온도 감지 센서에서 감지된 상기 온도가 기설정된 제1 기준 온도보다 낮으면, 상기 폐가스가 상기 이차전지 케이스를 통해 외부로 방출되도록 온되고, 상기 온도가 상기 제1 기준온도보다 높은 기설정된 제2 기준 온도보다 높으면, 상기 폐가스가 상기 이차전지 케이스를 통하지 않고 곧바로 외부로 방출되도록 오프되는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전지 케이스는 상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하지 않도록 상기 폐가스가 상기 이차전지의 상단으로 흐를 수 있도록 구성되는 특징으로 한다.
상기 이차전지 온도 조절부는 상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하여, 액체가 축적되면, 축적된 액체를 외부로 방출하기 위한 수분 배출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수분 배출 수단은 상기 이차전지 케이스의 하단에 연결되는 수분 배출관; 상기 수분 배출관에 배치되어 상기 수분 배출관에 수분의 응축이 발생하는지 감지하는 수위 감지 센서; 및 상기 수위 감지 센서의 감지 신호에 응답하여 상기 수분 배출관을 통한 액체의 방출을 제어하는 수분 배출 밸브; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법은 연료 전지, 이차 전지 및 이차전지 온도 조절부를 포함하여, 상기 연료 전지에서 생성된 전력을 전력 변환기를 통해 상기 이차 전지로 충전하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법에 있어서, 상기 이차전지 온도 조절부는 상기 이차 전지의 온도를 감지하는 단계; 상기 이차 전지의 온도가 기설정된 제1 기준 온도보다 낮으면, 상기 연료 전지에서 상기 전력을 생성하면서 발생하는 가스와 수분을 폐가스와 액체로 구분하는 상기 연료 전지 시스템의 기액 분리기로부터 상기 폐가스를 인가받아, 상기 폐가스가 상기 이차 전지의 주위를 둘러싸는 이차 전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계; 상기 온도가 상기 제1 기준온도보다 높은 기설정된 제2 기준 온도보다 높으면, 상기 폐가스를 상기 이차전지 케이스를 통하지 않고 외부로 방출하는 단계; 를 포함한다.
상기 이차전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계는 상기 폐가스를 외부로 방출하기 위한 제1 가스 방출관으로 상기 폐가스가 흐르지 않고, 상기 이차전지 케이스를 통해 상기 폐가스가 상기 외부로 방출되도록 상기 이차 전지 케이스의 양단에 연결되는 제2 가스 방출관으로 상기 폐가스가 흐르도록 제1 및 제2 가스 방출 밸브를 온 하는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계는 상기 이차전지 케이스 내부에 수분 응축이 발생하지 않도록 상기 폐가스가 2중 케이스 구조인 상기 이차전지 케이스 내부의 상기 이차전지의 상단을 흐르도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 외부로 방출하는 단계는 상기 폐가스가 상기 제1 가스 방출관을 통해 상기 외부로 방출되도록 제1 및 제2 가스 방출 밸브를 온 하는 것을 특징으로 한다.
상기 이차 전지 온도 조절 방법은 상기 이차 전지 온도 조절부가 상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하여, 액체가 축적되면, 축적된 액체의 수위를 감지하여 상기 이차전지 케이스의 하단에 연결된 수분 배출관을 통해 액체를 상기 외부로 방출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 액체를 상기 외부로 방출하는 단계는 수위 감지 센서가 상기 수분 배출관의 수위를 감지하는 단계; 상기 수위 감지 센서로부터 감지 신호가 발생되면, 상기 수분 배출관에 배치된 수분 배출 밸브를 온하여 상기 수분 배출관을 통해 상기 액체를 외부로 방출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법은 연료 전지 동작 시에 발생하는 폐가스의 열을 이차전지로 공급하여 이차전지를 빠르게 승온시킬 수 있으므로, 연료 전지 시스템의 효율과 동작 안전성을 높일 수 있다. 또한 이차 전지를 승온시키기 위한 별도의 열 발생 장치가 불필요하므로 연료 전지 시스템을 간소화 할 수 있고, 제조 비용을 낮출 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 나타낸다.
도2 는 본 발명의 연료 전시 시스템의 이차 전지 온도 조절부의 일예를 상세하게 나타낸다.
도3 은 이차 전지 온도 조절부의 다른 예를 나타낸다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸다.
도1 에 도시된 연료 전지 시스템은 기존의 연료 전지 시스템과 동일한 구성으로 연료 공급부(10), 연료 전지(20), 열교환기(30), 기액 분리기(40), 전력 변환부(50), 이차 전지(60)를 구비한다.
연료 공급부(10)는 연료(fu)를 공급받아 연료 전지(20)로 기설정된 일정 비율로 연료를 공급한다. 연료 공급부(10)는 연료 전지로 공급되는 연료(fu)의 량을 조절하기 위해 연료 펌프(미도시)를 구비할 수 있다. 연료 공급부(10)는 연료 전지 시스템의 구성에 따라 연료 전지로 공급하는 연료의 종류를 달리 할 수 있다. 예를 들어 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell) 방식의 경우에는 메탄올과 산소를 공급하며, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식에서는 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체와 산소를 공급할 수 있으며, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC)에서는 연료를 수소가 풍부한 개질 가스(reformate gas)로 개질하여 산소와 함께 연료 전지(20)로 공급할 수 있다.
연료 공급부(10)가 개질 가스 형태로 연료 전지에 연료를 공급하는 경우에는 연료를 개질 가스로 개질하는 개질기(미도시)를 추가로 구비할 수 있으며, 연료 공급부는 연료를 저장해두기 위한 연료 탱크(미도시)를 더 구비할 수 있다.
상기한 바와 같이 연료 공급부(10)는 연료와 함께 산소를 연료 전지(20)로 공급하며, 산소는 연료와 화학 작용을 일으켜 연료를 산화시키는 산화재로 사용되며, 연료와 함께 연료 공급부(10)가 기설정된 비율로 연료 전지(20)로 공급한다. 연료 전지 시스템에 따라서는 산소 대신 공기를 활용할 수도 있다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 산화재인 산소 및 공기 또한 연료에 포함하여 설명한다.
연료 전지(20)는 스택(stack)(미도시)으로 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 연료 공급부(10)로부터 공급된 연료의 화학 반응을 유도하여, 화학 반응에서 발생하는 전기 에너지를 생성한다. 연료 전지(20)는 (PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell; 고체 고분자형 연료 전지), PEMFC(Proton Exchange Membrane FC), SPEMFC(Solid Polymer Electrolyte FC), PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell; 인산형 연료 전지), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell; 용융 탄산염형 연료 전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell; 고체 산화물형 연료 전지), 및 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell; 직접 메탄올형 연료 전지) 중 하나로 구현될 수 있다. 특히, 연료전지(20)는 PEFC와 PEMFC 중 하나로 구현될 수 있다. PEMFC는 고분자 전해질을 사용하므로 Polymer Electrolyte Membrane 방식이라고도 한다. PEMFC는 작동 온도가 약 80℃로 연료 전지 중 가장 낮고 전력 밀도(Power density)가 가장 높은 장점이 있다. PEMFC는 전력의 요구 정도에 따라 기민한 출력 조정이 가능해 신속한 시동이 요구되는 자동차 등에 사용하기 적합하다.
연료 전지(20) 에는 연료의 화학 반응에 의해 전기 에너지가 생성될 뿐만 아니라 고온의 가스(수소 가스)와 수분이 발생한다.
열 교환기(30)는 일종의 냉각기로서 연료 전지(20)에서 발생하는 고온의 가스와 수분으로부터 열을 흡수한다. 열 교환기(30)는 일반적으로 냉각수를 이용하여 가스와 수분의 열을 흡수한다. 그리고 열교환기(30)에 의해 온도가 낮춰진 가스와 수분은 기액 분리기(40)로 공급된다.
기액 분리기(40)는 가스와 수분이 공급되면, 가스와 액체로 분리하고, 분리된 가스는 폐가스(gs)로서 가스 방출관(PP)을 통해 외부로 배출하고, 액체는 연료 전지 내부에서 냉각수 등으로 재활용하거나 외부로 배출한다.
전력 변환부(50)는 연료 전지(20)에서 발생한 전기 에너지를 변환하여 부하(미도시)로 공급한다. 연료 전지(20)에서 발생하는 전기 에너지는 저전압 고전류로 발생하며, 안정도가 낮다. 따라서 부하로 안정적인 전기 에너지(전력)을 공급하고, 부하에서 필요로 하는 전압 및 전류 레벨의 전력을 공급하기 위해 전력 변환부(50)가 전기 에너지를 변환한다. 한편 전력 변환부(50)는 변환된 전력을 부하뿐만 아니라 이차 전지(60)로 공급하여 이차 전지(60)가 충전할 수 있도록 한다.
뿐만 아니라 전력 변환부(50)는 이차 전지(60)에 충전된 전력을 부하로 공급할 수도 있다.
이차 전지(60)은 전력 변환부(50)의 제어에 따라 전력 변환부(50)로부터 변환된 전력을 공급받아 충전하고, 전력 변환부(50)로 충전된 전력을 공급한다.
전력 변환부(50)는 연료 전지(20)에서 전력이 발생되고 있는 동안에는 연료 전지(20)에서 인가되는 전력을 변환하여 구동 전력으로 사용할 수 있으나, 안정적인 전력을 공급할 수 있는 이차 전지(60)로부터 전력을 공급받아 구동되는 것이 바람직하다.
그러나 상기한 바와 같이 도1 의 연료 전지 시스템에서 이차 전지(60)는 온도가 낮은 경우에 충/방전 성능이 저하된다. 이는 연료 전지 시스템의 효율 및 안정도를 낮추는 결과를 초래한다.
이에 본 발명에서는 도2 에 도시된 바와 같이 연료 전지 시스템에서 방출되는 폐가스를 이용하여 이차 전지(60)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.
도2 는 본 발명의 연료 전시 시스템의 이차 전지 온도 조절부의 일예를 상세하게 나타낸다.
도2 에서는 도1 의 연료 전지 시스템 중 일부를 도시하였으며, 특히 이차 전지 온도 조절부(70)로서 폐가스의 배출 구조를 상세하게 도시하였다. 도2 를 참조하면 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절부는 2개 가스 방출 밸브(V1, V2), 2개의 가스 방출관(PP1, PP2), 이차전지 케이스(CS) 및 온도 감지 센서(TS)를 포함한다.
2개의 가스 방출관(PP1, PP2) 중 제1 가스 방출관(PP1)은 폐가스(gs)를 외부로 방출하기 위한 파이프이며, 제2 가스 방출관(PP2)는 폐가스(gs)를 이차 전지를 둘러싸는 이차전지 케이스(CS)로 공급하기 위한 파이프이다.
온도 감지 센서(TS)는 이차 전지(60)에 부착되어 이차 전지(60)의 온도를 감지한다.
2개의 가스 방출 밸브(V1, V2)는 3방향 밸브(3-way valve)로 구현될 수 있다. 제1 및 제2 가스 방출 밸브(V1, V2)는 온도 감지 센서(TS)에서 감지된 온도에 대응하여 온 또는 오프되어 폐가스(gs)가 흐르는 방향을 결정하며, 이차 전지(60)의 온도가 기설정된 제1 기준 온도(REF1)(예를 들면 0℃)보다 낮으면 온되고, 이차 전지(60)의 온도가 기설정된 제2 기준 온도(REF2)(예를 들면 15℃)보다 높으면 오프된다.
제1 가스 방출 밸브(V1)은 오프 시에 기액 분리기(40)에서 분리되어 방출되는 폐가스(gs)가 제1 가스 방출관(PP1)으로 공급되도록 하고, 온되면, 폐가스(gs)가 제2 방출관(PP2)으로 공급되도록 한다. 그리고 제2 가스 방출 밸브(V2)는 오프시에 제1 가스 방출관(PP1)의 폐가스(gs)를 외부로 방출하고, 온되면, 제2 가스 방출관(PP2)의 폐가스(gs)를 외부로 방출한다.
한편 이차전지 케이스(CS)는 이차 전지(60)의 외부를 감싸는 2중 케이스 형태로 구성되고, 양단이 제2 가스 방출관(PP2)과 연결되어 폐가스(gs)가 이차전지 주변을 흐를 수 있도록 형성된다.
즉 본 발명의 온도 조절부(70)는 기액 분리기(40)에서 배출되는 폐가스(gs)가 그대로 외부로 배출되는 것이 아니라, 2개의 가스 방출 밸브(V1, V2)와 2개의 가스 방출관(PP1, PP2) 및 이차 전지 케이스(CS)를 이용하여 이차전지의 온도에 따라 폐가스(gs)가 이차 전지(60)의 주변을 흐를 수 있도록 한다. 이에 폐가스(gs)의 열이 열 교환 방식에 의한 전도 및 복사열로 이차 전지(60)의 온도를 높일 수 있다. 폐가스(gs)는 열교환기(30)에 의해 냉각되지만, 냉각된 폐가스(gs)도 일반적으로 연료 전지 시스템의 주변 환경 온도보다 높다. 따라서 연료 전지 시스템에서 사용하지 않고 방출하는 폐가스(gs)를 이용하여 이차 전지(60)를 승온할 수 있다.
하지만 이차 전지(60)의 온도가 너무 높은 경우에도 이차 전지(60)의 안전성에 문제가 될 수 있으며, 이차 전지(60)가 정상적으로 동작하고 있는 상태에서 불필요하게 폐가스를 이용하여 이차 전지(60)를 더욱 승온하는 것은 바람직하지 않다. 이에 본 발명에서는 이차 전지(60)의 온도가 제2 기준값보다 높으면, 폐가스가 이차 전지(60)로 흐르지 않도록 하여 이차 전지(60)가 승온되지 않도록 한다.
여기서 이차전지 케이스(CS)는 케이스 내부에 응축이 발생하지 않도록 폐가스(gs)의 흐름이 도2 에 도시된 바와 같이 이차 전지의 상단 방향으로 흐를 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한 기액 분리기(30)의 출구에 금속 데미스터(demister)를 추가로 구비하여, 제1 및 제2 가스 방출관(PP1, PP2)을 흐르는 폐가스(gs)에 차압이 발생하지 않고, 수분이 제거되도록 하는 것이 바람직하다.
도3 은 이차 전지 온도 조절부의 다른 예를 나타낸다.
도3 에 도시된 이차 전지 온도 조절부(70)의 구성은 기본적으로 도2 의 이차전지 온도 조절부와 동일하다. 그러나 도3 의 이차 전지 온도 조절부(70)는 이차전지 케이스(CS)의 하단에 수분 배출관이 연결되고, 수분 배출관에 수분 배출 밸브(V3)와 수위 감지 센서(WS)가 구비된다.
상기한 바와 같이 이차전지 케이스(CS) 내부에 수분의 응축이 발생하지 않도록 폐가스(gs)가 이차 전지의 상단 방향으로 흐르도록 하고, 기액 분리기(30)의 출구에 금속 데미스터를 구비하더라도, 폐가스에는 수분이 포함될 수 있으며, 이로 인한 응축이 발생하여 액체가 이차전지 케이스(CS)나 제2 가스 방출관(PP2)에 축적될 수 있다. 이런 경우에 도2 의 구조에서는 축적된 액체를 방출할 수 없으므로, 문제가 된다.
따라서 도3 은 이차 전지 온도 조절부(70)는 이차전지 케이스(CS)의 하단에연결되는 수분 배출관에 액체가 고이는지 여부를 수위 감지 센서(WS)를 이용하여 감지하고, 수분 배출 밸브(V3)가 수위 감지 센서(WS)의 액체 감지 여부에 따라 동작하도록 한다. 즉 수위 감지 센서(WS)가 액체를 감지하면, 수분 배출 밸브(V3)가 온되어 이차전지 케이스(CS)에 고이는 액체를 방출할 수 있도록 한다.
3개의 밸브(V1 ~ V3)는 온도 감지 센서(TS)와 수위 감지 센서(WS)의 감지값에 따라 자동으로 온 또는 오프 되도록 설정될 수도 있으나, 전력 변환부(50)에서 온도 감지 센서(TS)와 수위 감지 센서(WS)의 감지값을 수신하여 3개의 밸브(V1 ~ V3)를 제어할 수도 이다. 또한 연료 전지 시스템이 별도의 제어부(미도시)를 구비하고, 제어부가 온도 감지 센서(TS)와 수위 감지 센서(WS)의 감지값을 수신하여 3개의 밸브(V1 ~ V3)를 제어하여도 무방하다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법을 나타낸다.
도1 내지 도3 을 참조하여, 도4 의 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법을 살펴보면, 먼저 연료 전지 시스템이 구동되면, 이차 전지(60)에 부착된 온도 감지 센서(TS)가 이차 전지(60)의 온도를 감지한다(S10). 그리고 감지된 온도가 기설정된 제1 기준 온도(REF1)보다 낮은지 판단한다(S20). 판별 결과, 감지된 온도가 제1 기준 온도(REF1)보다 낮으면, 연료 전지 시스템은 제1 및 제2 가스 방출 밸브(V1, V2)를 온하여, 폐가스(gs)가 제2 가스 방출관(PP2)과 연료 전지 케이스(CS)를 통해 흐른 후 외부로 방출되도록 제2 가스 방출관(PP2)으로의 경로를 연다(S30). 여기서 제1 및 제2 가스 방출 밸브(V1, V2)의 초기 상태는 오프 상태로서 제2 가스 방출관(PP2)으로의 경로가 닫혀 있는 상태인 것으로 가정한다.
이후, 연료 전지 시스템은 감지된 온도가 기설정된 제2 기준 온도(REF2)보다 높은지 판단한다(S40). 상기한 바와 같이 이차 전지의 온도가 너무 높아지는 경우도 이차 전지의 안전성을 위해 바람직하지 않다. 이에 연료 전지 시스템은 감지된 온도가 제2 기준 온도(REF2)보다 높으면, 제1 및 제2 가스 방출 밸브(V1, V2)를 오프하여, 폐가스(gs)가 연료 전지 케이스(CS)로 공급되지 않도록 제2 가스 방출관(PP2)으로의 경로를 닫는다(S50). 반면 제1 가스 방출관(PP1)의로의 경로가 열림에 따라 폐가스(gs)가 외부로 방출된다. 즉 이차 전지(60)를 승온하지 않는다.
한편, 연료 전지 시스템은 이차전지 케이스(CS)에 폐가스(gs)의 수분이 응축되어 액체가 축적되는지를 수위 감지 센서(WS)가 감지 신호를 발생하는지로 판별한다(S60). 만일 수위 감지 센서(WS)에서 감지 신호가 발생하면, 수분 배출 밸브(V3)를 온하여, 축적된 용액이 이차전지 케이스(CS)의 하단에 수분 배출관을 통해 배출되도록 한다.
그러므로 본 발명의 연료 전지 시스템 및 이의 이차 전지 온도 조절 방법은 연료 전지 동작 시에 발생하는 폐가스의 열을 이차전지로 공급하여 저온에서 이차전지를 빠르게 승온시킬 수 있으므로, 연료 전지 시스템의 효율과 동작 안전성을 높일 수 있다. 또한 이차 전지를 승온시키기 위한 별도의 열 발생 장치가 불필요하므로 연료 전지 시스템을 간소화 할 수 있고, 제조 비용을 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 기설정된 비율로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부에서 공급된 상기 연료의 화학 반응으로부터 전력을 생성하는 연료 전지;
    상기 연료 전지에서 상기 전력을 생성하면서 발생하는 폐가스와 수분을 냉각하는 열교환기;
    상기 냉각된 폐가스와 수분을 폐가스와 액체로 구분하는 기액 분리기;
    상기 연료 전지에서 생성된 전력의 전압레벨을 변환하는 전력 변환기;
    상기 전력 변환기에서 변환된 전력을 인가받아 충전하거나, 충전된 전력을 상기 전력 변환기로 방전하는 이차 전지; 및
    상기 이차 전지의 온도에 대응하여 기액 분리기에서 구분된 폐가스를 상기 이차 전지의 외부로 공급하여 상기 이차 전지의 온도를 조절하는 이차전지 온도 조절부;를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이차전지 온도 조절부는
    상기 이차전지의 온도를 감지하는 온도 감지 센서;
    상기 이차전지가 내부에 배치되며, 상기 폐가스가 상기 2차 전지 주위를 흐를 수 있도록 구성되는 이차전지 케이스;
    상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스를 외부로 방출하기 위한 제1 가스 방출관;
    상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스를 상기 이차전지 케이스로 공급하기 위한 제2 가스 방출관; 및
    상기 온도 감지 센서에서 감지한 온도에 따라 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 폐가스가 상기 제1 가스 방출관 또는 상기 제2 가스 방출관 중 하나로 흐르도록 제어하는 제1 및 제2 가스 방출 밸브; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 이차전지 케이스는
    2중 케이스 구조로 구현되어 상기 이차전지가 내부에 배치되며, 상기 2중 구조 사이로 상기 폐가스가 흐를 수 있도록 양단이 상기 제2 가스 방출관에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 방출 밸브는
    3방향 밸브로 구현되어, 상기 온도 감지 센서에서 감지된 상기 온도가 기설정된 제1 기준 온도보다 낮으면, 상기 폐가스가 상기 이차전지 케이스를 통해 외부로 방출되도록 온되고, 상기 온도가 상기 제1 기준온도보다 높은 기설정된 제2 기준 온도보다 높으면, 상기 폐가스가 상기 이차전지 케이스를 통하지 않고 곧바로 외부로 방출되도록 오프되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 이차전지 케이스는
    상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하지 않도록 상기 폐가스가 상기 이차전지의 상단으로 흐를 수 있도록 구성되는 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 이차전지 온도 조절부는
    상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하여, 액체가 축적되면, 축적된 액체를 외부로 방출하기 위한 수분 배출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 수분 배출 수단은
    상기 이차전지 케이스의 하단에 연결되는 수분 배출관;
    상기 수분 배출관에 배치되어 상기 수분 배출관에 수분의 응축이 발생하는지 감지하는 수위 감지 센서; 및
    상기 수위 감지 센서의 감지 신호에 응답하여 상기 수분 배출관을 통한 액체의 방출을 제어하는 수분 배출 밸브; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 연료 전지, 이차 전지 및 이차전지 온도 조절부를 포함하여, 상기 연료 전지에서 생성된 전력을 전력 변환기를 통해 상기 이차 전지로 충전하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법에 있어서, 상기 이차전지 온도 조절부는
    상기 이차 전지의 온도를 감지하는 단계;
    상기 이차 전지의 온도가 기설정된 제1 기준 온도보다 낮으면, 상기 연료 전지에서 상기 전력을 생성하면서 발생하는 가스와 수분을 폐가스와 액체로 구분하는 상기 연료 전지 시스템의 기액 분리기로부터 상기 폐가스를 인가받아, 상기 폐가스가 상기 이차 전지의 주위를 둘러싸는 이차 전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계;
    상기 온도가 상기 제1 기준온도보다 높은 기설정된 제2 기준 온도보다 높으면, 상기 폐가스를 상기 이차전지 케이스를 통하지 않고 외부로 방출하는 단계; 를 포함하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 이차전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계는
    상기 폐가스를 외부로 방출하기 위한 제1 가스 방출관으로 상기 폐가스가 흐르지 않고, 상기 이차전지 케이스를 통해 상기 폐가스가 상기 외부로 방출되도록 상기 이차 전지 케이스의 양단에 연결되는 제2 가스 방출관으로 상기 폐가스가 흐르도록 제1 및 제2 가스 방출 밸브를 온 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 이차전지 케이스를 통해 흐르도록 하는 단계는
    상기 이차전지 케이스 내부에 수분 응축이 발생하지 않도록 상기 폐가스가 2중 케이스 구조인 상기 이차전지 케이스 내부의 상기 이차전지의 상단을 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  11. 제9 항에 있어서, 상기 외부로 방출하는 단계는
    상기 폐가스가 상기 제1 가스 방출관을 통해 상기 외부로 방출되도록 제1 및 제2 가스 방출 밸브를 온 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  12. 제9 항에 있어서, 상기 이차 전지 온도 조절 방법은
    상기 이차 전지 온도 조절부가 상기 이차전지 케이스 내부에 응축이 발생하여, 액체가 축적되면, 축적된 액체의 수위를 감지하여 상기 이차전지 케이스의 하단에 연결된 수분 배출관을 통해 액체를 상기 외부로 방출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 액체를 상기 외부로 방출하는 단계는
    수위 감지 센서가 상기 수분 배출관의 수위를 감지하는 단계;
    상기 수위 감지 센서로부터 감지 신호가 발생되면, 상기 수분 배출관에 배치된 수분 배출 밸브를 온하여 상기 수분 배출관을 통해 상기 액체를 외부로 방출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법.
  14. 제8 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 상기 연료 전지 시스템의 이차 전지 온도 조절 방법을 수행하기 위한 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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