KR20160107574A - 연료전지 시스템의 응축수 배출방법 - Google Patents

연료전지 시스템의 응축수 배출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법은, 수소와 산소의 화학적 반응을 통해서 전기를 생성하는 스택의 작동을 멈추는 셧다운시키는 단계, 상기 셧다운 전에 상기 스택의 운전조건을 연산하는 단계, 상기 운전조건에 따라서 상기 스택 내부에 수증기의 양을 연산하는 단계, 상기 수증기의 양과 외기온에 따라서 응축수 생성 종료시점(T1)을 판단하는 단계, 상기 종료시점(T1)에서 워터트랩의 드레인밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템의 응축수 배출방법{CONDENSATED WATER RELEASING METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 수소와 산소를 화학적으로 반응시켜서 전기를 생성하고, 이를 통해서 전기모터의 회전력을 발생시키는 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.
연료전지를 정상적으로 가동하기 위해서 전해질막은 충분히 젖어있어야 하는데, 대기의 공기습도는 막을 젖어있게 하는데 충분히 습하지 않으며, 연료전지로 공급되기 전에 공기는 가습기를 이용하여 충분히 가습된다.
연료전지의 연료극에서는 미반응된 수소와, 공기극에서 넘어온 수분이 응축된 응축수를 배출하는데, 그 미반응된 수소는 수소 재순환장치를 통하여 연료전지 스택으로 공급되고, 응축수는 워터 트랩에 저장되며 외부로 배출된다.
한편, 스택의 셧다운(shut down) 후에 수소공급라인의 워터트랩 내부에 응축수가 모이고, 드레인밸브를 통해서 배출하게된다. 즉, 운전중에는 수증기(vapor)상태로 존재하는 물은 외기의 온도에 따라서 응축되어 시스템의 하단부의 워터트랩에 모인다.
단, 외기온이 영하일 경우에, 물이 빙결되어 워터트랩이 파손되거나, 수소가 외부로 누출되는 원인을 제공할 수 있다.
본 발명의 목적은 스택의 셧다운 후에 스택 내부에 형성된 물을 외부로 효과적으로 배출하여 워터트랩의 파손을 미연에 방지하고, 수소가 외부로 누출되는 것을 효과적으로 방지하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법은, 수소와 산소의 화학적 반응을 통해서 전기를 생성하는 스택의 작동을 멈추는 셧다운시키는 단계, 상기 셧다운 전에 상기 스택의 운전조건을 연산하는 단계, 상기 운전조건에 따라서 상기 스택 내부에 수증기의 양을 연산하는 단계, 상기 수증기의 양과 외기온에 따라서 응축수 생성 종료시점(T1)을 판단하는 단계, 상기 종료시점(T1)에서 워터트랩의 드레인밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않은 시점부터 설정시간(T2)이 경과된 것을 판단하는 단계, 상기 설정시간(T2)가 경과된 것으로 판단되면, 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수를 감지하는 단계, 및
상기 워터트랩에서 응축수가 담기는 공간의 바닥면과 상기 레벨센서의 하단부 사이의 거리(D1)를 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않는 시점부터, 상기 거리(D1)에 따라서 설정시간(T3) 경과후, 상기 드레인밸브를 폐쇄할 수 있다.
상기 스택의 운전조건을 연산하는 단계에서, 상기 운전조건은, 상기 스택이 설정된 아이들전류를 생성하는 아이들정지조건, 상기 스택이 상기 아이들전류보다 높은 저전류를 생성하는 저전류운전조건, 또는 상기 스택이 상기 저전류보다 높은 고전류를 생성하는 고전류운전조건을 포함할 수 있다.
상기 아이들정지조건, 상기 저전류운전조건, 또는 상기 고전류운전조건의 지속시간을 고려하여 수증기의 양을 연산할 수 있다.
상기 워터트랩은 상기 스택을 순환하는 수소라인 또는 공기라인과 연결되어 상부의 입구측으로 응축수를 공급받고, 하부의 배출구를 통해서 응축수를 배출하되, 상기 드레인밸브는 상기 배출구의 하류측에 배치될 수 있다.
상기 스택으로 공급되는 공기는 필터, 공기압축기, 및 가습기를 거쳐서 상기 스택으로 공급될 수 있다.
상기 수소는 공급밸브와 이젝터를 통해서 상기 스택으로 공급되고, 상기 이젝터는 상기 스택을 순환하는 재순환가스와 수소를 혼합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법은, 수소와 산소의 화학적 반응을 통해서 전기를 생성하는 스택의 작동을 멈추는 셧다운시키는 단계, 상기 스택에서 생성된 응축수를 모으는 워터트랩에 배치되는 레벨센서를 통해서 응축수를 감지하는 단계, 상기 레벨센서에서 응축수가 감지되면, 상기 워터트랩의 하류측에 배치되는 드레인밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계, 및 설정시간이 경과한 후에 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계에서, 상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않은 시점부터 설정시간(T2)이 경과된 것을 판단하고, 상기 설정시간(T2)가 경과된 것으로 판단되면, 상기 드레인밸브를 폐쇄할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 스택의 수증기가 응축수가되는 시점에 드레인밸브를 열어서 스택 내부에 형성된 응축수를 외부로 효과적으로 배출하여 워터트랩의 파손을 미연에 방지하고, 적시에 드레인밸브를 닫아서 수소가 외부로 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 4는 도 3에서 S3와 연결되어 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전조건을 보여주는 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩의 개략적인 측 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 필터(130), 압축기(135), 가습기(140), 압력조절기(145), 스택(110), 이젝터(105), 공급밸브(100), 퍼지밸브(115), 워터트랩(120), 드레인밸브(125), 제어부(160), 수소출구압력센서(155), 및 공기출구압력센서(150)를 포함한다.
상기 필터(130), 상기 압축기(135), 및 상기 가습기(140)를 통해서 공기순환라인으로 외기가 공급되고, 상기 필터(130)는 외기의 이물질을 걸러내고, 상기 압축기(135)는 외기를 공기순환라인으로 펌핑하고, 상기 가습기(140)는 건조한 외기를 공급받아서 습도를 높인 후에 공기순환라인으로 공급한다.
아울러, 상기 가습기(140)에는 압력조절기(145)가 배치되어, 공급되는 외기의 공급압력의 급격한 증가를 해소하여 외기의 공급압력을 조절한다. 상기 가습기(140)에 의해서 가습된 공기는 상기 스택(110)을 순환한다.
상기 공급밸브(100)와 상기 이젝터(105)를 거쳐서 수소순환라인으로 수소가 공급되고, 상기 공급밸브(100)는 수소의 공급량을 제어하고, 상기 이젝터(105)는 수소를 분사하면서 순환되는 수소포함 연료가스를 순환시킨다.
아울러, 상기 수소순환라인의 일측과 상기 공급순환라인의 일측은 서로 연결되고, 이 연결라인에 퍼지밸브(115)가 배치된다. 상기 퍼지밸브(115)는 상기 수소순환라인의 연료가스를 상기 공기순환라인으로 퍼지시킨다.
본 발명의 실시예에서, 상기 수소순환라인의 하부측에는 응축수를 저장하는 워터트랩(120)이 설치되고, 상기 워터트랩(120)의 하류측에는 응축수를 배출하기 위한 드레인밸브(125)가 배치된다.
아울러, 상기 스택(110)을 순환하는 공기의 압력을 감지하는 공기출구압력센서(150)와 상기 스택(110)을 순환하는 수소포함 연료가스의 압력을 감지하는 수소출구압력센서(155)가 각각 배치된다.
상기 제어부(160)는 차량의 운행조건에 따라서 상기 공기압축기(135), 상기 가습기(140), 상기 공급밸브(100), 상기 퍼지밸브(115), 및 상기 드레인밸브(125)의 작동을 각각 제어하고, 상기 공기출구압력센서(150)와 상기 수소출구압력센서(155)로부터 순환되는 공기와 수소의 압력을 감지한다.
아울러, 상기 제어부(160)는 상기 워터트랩(120) 내부에 배치되는 레벨센서(600)를 통해서 상기 워터트랩(120)에 모인 응축수의 양을 감지하고, 상기 드레인밸브(125)를 제어하여 응축수를 설정된 조건에서 외부로 배출한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 2를 참조하면, S200에서 상기 스택(110)이 셧다운된다. 상기 스택(110)이 셧다운 되는 방법은 공지기술을 참조하며, 상기 스택(110)의 셧다운은 상기 공급밸브(100)와 상기 공기압축기(135)를 셧다운시킴으로써 실행될 수 있다.
S210에서 상기 워터트랩(120)의 내부에 배치되는 레벨센서(600)를 통해서 상기 워터트랩(120)에 모인 응축수를 감지하고, S220에서 상기 드레인밸브(125)를 개방한다. 만약, 상기 레벨센서(600)에서 상기 워터트랩(120)에 모인 응축수가 감지되지 않으면, 상기 드레인밸브(125)는 열리지 않거나, 설정된 짧은 시간동안 상기 드레인밸브(125)가 열릴 수 있다.
S230에서 상기 워터트랩(120)에 모인 응축수가 감지되지 않으면, 설정시간이 경과한 후에 상기 S240에서 상기 드레인밸브(125)를 폐쇄시킨다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 3을 참조하면, S300에서 상기 스택(110)의 셧다운 전 스택운전조건을 감지하고, S310에서 상기 스택(110) 내의 수증기량(수분)을 연산한다.
S320에서는 외기온에 따라서 수증기량에 따른 응축수의 생성 종료시점(T1)을 연산하고, S330에서는 T1시점에 상기 드레인밸브(125)를 개방한다.
그리고, S340에서는 상기 워터트랩(120)의 내부에 배치되는 레벨센서(600)에서 응축수가 미감지된 후 T2시간이 경과했는지 판단하고, S350에서는 상기 드레인밸브(125)를 폐쇄시킨다.
T1은 상기 스택(110)이 셧다운 된 후에 경과시간으로, 상기 스택(110)의 셧다운 후 수증기량에 의해서 좌우되는데, 상기 수증기량은 상기 스택(110)의 운전조건에 의해서 연산된다.
즉, 상기 스택(110)이 셧다운 되기 전, 상기 스택(110)이 고부하로 운전될 경우에 수증기량은 많고, 상기 스택(110)이 저부하로 운전될 경우에 수증기량은 약간 적고, 상기 스택(110)이 아이들상태로 운전될 경우에 수증기량은 아주 작다.
아울러, 상기 스택(110) 내부의 수증기는 외기에 따라서 응축수가 되는 속도가 가변되는데, 외기의 온도가 낮을수록 응축종료시점은 빠르다.
상기 제어부(160)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3에서 S3와 연결되어 연료전지 시스템의 응축수 배출방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, S330이후에, S400이 수행될 수 있다. 상기 워터트랩(120)의 내부 응축수 저장공간의 바닥면(610)과 레벨센서(600)의 하단부 사이의 거리를 선택하고, S410에서는 상기 바닥면(610)과 상기 하단부 사이의 거리에 따라서 T3시간이 경과했는지 판단된다.
그리고, T3가 경과했으면, S420에서 상기 드레인밸브(125)를 폐쇄한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전조건을 보여주는 차트이다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템의 운전조건은 셧다운전 고전류운전, 셧다운전 저전류운전, 및 셧다운전 아이들운전을 포함하고, 상기 고전류운전, 상기 저전류운전, 또는 상기 아이들운전의 지속시간에 따라서 S310에서 상기 스택(110) 내부의 수증기량이 연산될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터트랩의 개략적인 측 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 워터트랩(120) 내부의 설정위치에 레벨센서(600)가 배치되고, 상기 레벨센서(600)의 하단부와 상기 워터트랩(120)의 바닥면 사이에는 거리(D1)이 형성되고, 그 거리에 따라서 상기 드레인밸브(125)의 개방시간이 다르게 설정된다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당 해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 공급밸브 105: 이젝터
110: 스택 115: 퍼지밸브
120: 워터트랩 125: 드레인밸브
130: 필터 135: 압축기
140: 가습기 145: 압력조절기
150: 공기출구압력센서 155: 수소출구압력센서
160: 제어부 600: 레벨센서
610: 바닥면

Claims (10)

  1. 수소와 산소의 화학적 반응을 통해서 전기를 생성하는 스택의 작동을 멈추는 셧다운을 실행하는 단계;
    상기 셧다운 전에 상기 스택의 운전상태를 감지하는 단계;
    상기 운전상태에 따라서 상기 스택 내부에 수증기의 양을 연산하는 단계;
    상기 수증기의 양과 외기온에 따라서 응축수 생성 종료시점(T1)을 판단하는 단계;
    상기 종료시점(T1)에서 워터트랩의 드레인밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  2. 제1항에서,
    상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않은 시점부터 설정시간(T2)이 경과된 것을 판단하는 단계;
    상기 설정시간(T2)가 경과된 것으로 판단되면, 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  3. 제1항에서,
    상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수를 감지하는 단계; 및
    상기 워터트랩에서 응축수가 담기는 공간의 바닥면과 상기 레벨센서의 하단부 사이의 거리(D1)를 선택하는 단계; 를 더 포함하고,
    상기 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않는 시점부터, 상기 거리(D1)에 따라서 설정시간(T3) 경과후, 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  4. 제1항에서,
    상기 스택의 운전상태를 감지하는 단계; 에서,
    상기 운전상태는,
    상기 스택이 설정된 아이들전류를 생성하는 아이들정지상태;
    상기 스택이 상기 아이들전류보다 높은 저전류를 생성하는 저전류운전상태; 또는
    상기 스택이 상기 저전류보다 높은 고전류를 생성하는 고전류운전상태;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  5. 제4항에서,
    상기 아이들정지상태, 상기 저전류운전상태, 또는 상기 고전류운전상태의 지속시간을 고려하여 수증기의 양을 연산하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  6. 제1항에서,
    상기 워터트랩은
    상기 스택을 순환하는 수소라인 또는 공기라인과 연결되어 상부의 입구측으로 응축수를 공급받고,
    하부의 배출구를 통해서 응축수를 배출하되, 상기 드레인밸브는 상기 배출구의 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  7. 제1항에서,
    상기 스택으로 공급되는 공기는 필터, 공기압축기, 및 가습기를 거쳐서 상기 스택으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  8. 제1항에서,
    상기 수소는 공급밸브와 이젝터를 통해서 상기 스택으로 공급되고, 상기 이젝터는 상기 스택을 순환하는 재순환가스와 수소를 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  9. 수소와 산소의 화학적 반응을 통해서 전기를 생성하는 스택의 작동을 멈추는 셧다운을 실행시키는 단계;
    상기 스택에서 생성된 응축수를 모으는 워터트랩에 배치되는 레벨센서를 통해서 응축수를 감지하는 단계;
    상기 레벨센서에서 응축수가 감지되면, 상기 워터트랩의 하류측에 배치되는 드레인밸브를 개방하여 응축수를 배출하는 단계; 및
    설정시간이 경과한 후에 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
  10. 제9항에서,
    상기 드레인밸브를 폐쇄하는 단계; 에서,
    상기 워터트랩과 연동되는 응축수 레벨센서에서 응축수가 감지되지 않은 시점부터 설정시간(T2)이 경과된 것을 판단하고, 상기 설정시간(T2)가 경과된 것으로 판단되면, 상기 드레인밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 배출방법.
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