KR20160024138A - 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치에 관한 것으로, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도 변화를 감지하여서 온도 상승에 의한 냉각수의 압력 상승 전에 냉각계 과압을 방지하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프, 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도센서를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 온도센서의 신호를 기반으로 하기 전자식 밸브의 작동을 제어하는 연료전지 제어기; 냉각수 보충을 위한 리저버와 연결된 라디에이터의 필러넥에 장착되어 이 필러넥을 개폐하는 전자식 밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치를 제공한다.

Description

연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치 {Device for preventing over pressure of fuel cell cooling system}
본 발명은 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도 변화를 감지하여서 온도 상승에 의한 냉각수의 압력 상승 전에 냉각계 과압을 방지하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템에서는 연료전지의 출력을 향상시키기 위하여 각 유체의 운전압력을 조절하여 가압운전을 시행하고 있다.
보통 연료전지 스택은 복수 개의 연료전지 셀이 적층된 형태로 구성되고, 수백 장의 가스켓을 이용하여 각 셀별 기밀을 유지한다.
이러한 연료전지 스택은 셀에 공급되는 각 유체의 압력 차이가 일정량 이상으로 발생하게 되면 그 구조상 기밀문제가 쉽게 발생할 수 있으며, 리크(leak) 발생시 시스템 운전 안전성 및 성능 저하를 유발하게 된다.
특히 기존에는 연료전지 냉각계의 온도 급상승시 냉각수 부피 팽창에 의한 스택 입구 압력이 상한값에 도달하여 연료전지 차량의 출력이 제한되는 경우가 빈번하게 발생하였고, 또한 스택 내부 분리판의 경계로 냉각수 채널 압력이 급상승시 스택 내부 리크 발생이 빈번하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래의 연료전지 시스템에서는 냉각수를 연료전지 스택으로 순환시키는 펌프의 작동속도를 강제로 하향시켜 냉각수 과압을 개선하고자 하였으나, 이러한 종래기술은 스택 냉각이 필요한 경우에도 펌프의 작동속도를 하향시켜 스택 냉각을 불리하게 하는 단점이 있다.
한편, 종래의 연료전지 시스템에서 냉각수 운전압력은 스택에서 배출된 냉각수 방열을 위한 라디에이터 상측에 장착되는 가압캡의 사양에 따라 운전압력이 정해지고 있다.
한국공개특허 10-2011-0045290 한국공개특허 10-2013-0124789
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도 변화를 감지하여서 온도 상승에 의한 냉각수의 압력 상승 전에 냉각계 과압을 방지하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프, 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도센서를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서, 상기 온도센서의 신호를 기반으로 하기 전자식 밸브의 작동을 제어하는 연료전지 제어기; 냉각수 보충을 위한 리저버와 연결된 라디에이터의 필러넥에 장착되어 이 필러넥을 개폐하는 전자식 밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 전자식 밸브는, 라디에이터의 필러넥 상단에 고정되게 장착되는 밸브 고정부; 상기 밸브 고정부의 하단에 부착되어 연료전지 제어기의 신호에 따라 작동하는 전자식 액추에이터; 상기 전자식 액추에이터의 하단에 부착되어 액추에이터의 동작에 따라 승강 이동하여 상기 필러넥을 개폐하는 밸브 가동부; 및 상기 전자식 밸브는 상기 밸브 고정부와 밸브 가동부 사이에 압축 및 복원 가능하게 설치된 양압 스프링;을 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 연료전지 제어기는 냉각수 온도상승속도가 일정치 이상이 되면 전자식 밸브를 작동시켜 라디에이터의 필러넥을 오픈시키거나, 또는 냉각수 온도가 일정 시간 동안 지속 상승하여 일정치 이상 상승하게 되면 전자식 밸브를 작동시켜 라디에이터의 필러넥을 오픈시킨다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치는 냉각수 압력이 상승하여 냉각계 과압이 형성되기 전에 냉각수 온도 변화를 기반으로 미리 라디에이터의 필러넥을 오픈하여 냉각수가 리저버로 이동할 수 있도록 함으로써 냉각계 과압 및 스택 리크를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각계를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지를 위한 전자식 밸브를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자식 밸브의 작동형태를 나타낸 개략도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자식 밸브의 작동 시험 결과를 나타낸 그래프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에서는 연료전지 시스템의 냉각수 압력이 과압 상태에 도달하기 전에 냉각수 온도 변화의 감지를 통해 리저버와 연결된 라디에이터의 필러넥을 오픈함으로써 연료전지 냉각계의 과압을 효과적으로 방지할 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 냉각계는 연료전지 스택(10)으로 냉각수를 순환시켜 공급하는 냉각수 펌프(11), 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터(12), 연료전지 스택(10)에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도센서(14), 냉각수 보충을 위해 냉각수를 저장하는 리저버(15), 리저버(15)와 연결된 라디에이터(12)의 필러넥(13)을 개폐하는 전자식 밸브(20), 전자식 밸브(20)의 작동을 제어하는 연료전지 제어기(16)를 포함하여 구성된다.
도 2를 보이듯, 상기 전자식 밸브(20)는 냉각수 운전압력을 제어하기 위한 가압캡 내부에 전자식 액추에이터(22)를 장착한 형태로 구성되며, 리저버(15)와 연결된 라디에이터(12)의 필러넥(13)에 장착된다.
구체적으로, 전자식 밸브(20)는 라디에이터(12)의 필러넥(13) 상단에 고정되게 장착되는 밸브 고정부(21), 밸브 고정부(21)의 하단에 부착되어 연료전지 제어기(16)의 신호에 따라 신축 작동하는 전자식 액추에이터(22), 전자식 액추에이터(22)의 하단에 부착되어 액추에이터(22)의 신축 동작에 따라 승강 이동하는 밸브 가동부(23), 및 상기 밸브 고정부(12)와 밸브 가동부(23) 사이에 압축 및 복원 가능하게 연결 설치된 양압 스프링(24)을 포함하여 구성된다.
도 3에 보이듯, 상기 밸브 가동부(23)는 전자식 액추에이터(22)에 의해 상측에 밸브 고정부(21) 측으로 이동시 필러넥(13)을 오픈하여(즉, 필러넥(13)과 리저버(15) 사이에 유로를 오픈하여) 냉각수가 리저버(15)로 이동될 수 있도록 한다.
이러한 전자식 밸브(20)는 액추에이터(22)가 연료전지 제어기(16)의 신호에 의해 작동함에 따라 라디에이터(12)의 필러넥(13)을 개폐하게 되며, 냉각수 온도의 급상승시 필러넥(13)을 오픈하여 냉각수 압력 상승에 의한 냉각계 과압을 사전 방지할 수 있도록 한다.
상기 전자식 밸브(20)는 연료전지 제어기(16)의 신호가 없는 경우 기계식으로 작동하여 통상의 가압캡 기능을 수행하는 것이 가능하다. 일반적으로 연료전지 냉각계의 냉각수 운전압력은 라디에이터(12)의 필러넥(13)에 장착되는 가압캡 사양에 따라 정해지고 있다.
이를 위해 상기 전자식 액추에이터(22)는 외압(예를 들면, 냉각수 압력)에 의해 압축 가능하고 양압 스프링(24)의 탄성복원력에 의해 신장되어 복원 가능한 구조로 형성된다.
그리고 연료전지 제어기(16)는 냉각수 온도센서(14)의 신호를 기반으로 전자식 밸브(20)의 작동을 제어하며, 구체적으로 냉각수의 온도상승속도가 일정 기준치 이상이 되면, 냉각수 펌프(11)의 작동속도를 하향시키지 않고, 전자식 액추에이터(22)를 작동시켜 밸브 가동부(23)를 상방향으로(밸브 고정부(21) 측으로) 들어올려 전자식 밸브(20)를 오픈함으로써 냉각수가 리저버(15)로 이동될 수 있도록 하여 냉각수 압력 상승을 완화시킨다.
즉, 연료전지 제어기(16)는 냉각수 압력 상승 인자의 변화 감지시 냉각수 압력이 상승하여 과압 상태에 도달하기 전에 전자식 액추에이터(22)를 작동시켜 라디에이터(12)의 필러넥(13)을 오픈시킴으로써 미리 냉각수 압력을 강하하여 냉각계 과압 및 스택 리크 발생을 방지할 수 있도록 한다.
이때 전자식 액추에이터(22)에 의한 밸브 가동부(23)의 상방향 이동량은 냉각수 온도 상승폭(상승분)과 온도상승속도에 의해 결정되며, 다시 말해 전자식 밸브(20)의 열림량은 냉각수 온도의 상승폭 및 상승속도를 기반으로 결정되며, 일례로 냉각수 온도상승속도는 상대적으로 느리나 냉각수 온도가 일정 시간 동안 지속 상승하여 냉각수 온도상승폭이 일정치 이상 증가하는 경우에도 전자식 밸브(20)를 작동시켜 라디에이터(12)의 필러넥(13)을 오픈하고 냉각계 과압을 사전 방지한다.
이와 같이 연료전지 제어기(16)가 냉각수 온도센서(14)의 신호를 기반으로 전자식 밸브(20)의 작동을 제어하여 라디에이터(12)의 필러넥(13)을 개폐하도록 함으로써, 냉각수 부피 팽창(압력 상승)에 앞서 냉각수 온도 변화를 감지하여 미리 전자식 밸브(20)를 오픈하여서 냉각계 과압 및 스택 리크를 효과적으로 방지할 수 있다.
즉, 냉각수 과압 형성 전에 냉각계 압력 변화의 근원인 냉각수 온도 변화에 미리 대응하여 밸브 열림량을 조절함으로써 냉각계 과압 형성을 방지할 수 있으며, 또한 종래 냉각계 과압 형성시 냉각수 펌프의 작동속도를 하향시킴에 의해 발생되는 스택 냉각 효율의 저하를 개선할 수 있다.
또한 연료전지 제어기(16)를 통한 냉각수 온도센서(14)의 실시간 모니터링을 통하여 온도센서 정보에 따른 전자식 밸브(20)의 실시간 제어가 가능하여 냉각수 압력 상승의 제어가 신속 정확하게 이루어질 수 있다.
아울러, 냉각수 온도 상승에 의한 부피 팽창으로 전자식 밸브(20)의 양압 스프링(24) 압력 사양보다 큰 외압에 의해 기계식으로 전자식 밸브(20)를 오픈되게 하여 냉각수 운전압력을 유지 및 제어할 수 있다.
참고로, 도 1에서 도면부호 17은 라디에이터(12)의 출구 측에 설치되어 냉각수 흐름을 제어하는 3방향 밸브(17)이고, 도면부호 18은 냉각수 펌프(11)와 스택(10) 사이에 배치되어 스택(10)으로 공급되는 냉각수를 히팅하는 COD 히터(18)이다.
한편, 도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 전자식 밸브의 작동 시험 결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 4에 보이듯, 히터 작동에 의해 냉각수 승온이 수행되어 냉각계 내부 압력이 상승하는 경우 별도의 조치가 없으면 전자식 밸브의 가압캡 기능이 작동하기 전까지 지속적으로 냉각계 압력이 증가된다. 냉각계 압력이 증가하게 되는 상황에서 인위적으로 전자식 밸브를 작동시켜 라디에이터의 필러넥을 오픈시키는 순간 냉각계 내부 압력이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다(도 4의 ①,② 참조).
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 11 : 냉각수 펌프
12 : 라디에이터 13 : 필러넥
14 : 냉각수 온도센서 15 : 리저버
16 : 연료전지 제어기 17 : 3방향 밸브
18 : COD 히터 20 : 전자식 밸브
21 : 밸브 고정부 22 : 전자식 액추에이터
23 : 밸브 가동부 24 : 양압 스프링

Claims (5)

  1. 연료전지 스택으로 냉각수를 순환시키는 냉각수 펌프, 냉각수에 흡수된 열을 방열시키는 라디에이터, 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도센서를 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 온도센서의 신호를 기반으로 하기 전자식 밸브의 작동을 제어하는 연료전지 제어기;
    냉각수 보충을 위한 리저버와 연결된 라디에이터의 필러넥에 장착되어 이 필러넥을 개폐하는 전자식 밸브;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 밸브는,
    라디에이터의 필러넥 상단에 고정되게 장착되는 밸브 고정부;
    상기 밸브 고정부의 하단에 부착되어 연료전지 제어기의 신호에 따라 작동하는 전자식 액추에이터;
    상기 전자식 액추에이터의 하단에 부착되어 액추에이터의 동작에 따라 승강 이동하여 상기 필러넥을 개폐하는 밸브 가동부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전자식 밸브는 상기 밸브 고정부와 밸브 가동부 사이에 압축 및 복원 가능하게 설치된 양압 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 냉각수 온도상승속도가 일정치 이상이 되면 전자식 밸브를 작동시켜 라디에이터의 필러넥을 오픈시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는 냉각수 온도가 일정 시간 동안 지속 상승하여 일정치 이상 상승하게 되면 전자식 밸브를 작동시켜 라디에이터의 필러넥을 오픈시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 냉각계 과압 방지 장치.
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