KR20180068159A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인; 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브; 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 선택적으로 공급 가능한 고온 공기 공급 유닛; 및 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYMTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
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 공급할뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
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 고분자 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.
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.
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.
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.
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.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기한 연료전지 시스템은 반응 부산물로서 열을 발생시키므로, 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 냉각장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할을 함과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 가열되어 스택에 공급됨으로써 스택을 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다. 그런데, 이처럼 히터를 이용해 냉각수의 가열하는 것 만으로는 냉각수를 단시간에 내에 급속으로 가열하기 어렵다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템은, 냉시동에 긴 시간이 소요되어, 운전자의 편의성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉시동에 소요되는 시간을 줄일 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 고온의 외기로 인해 가습기나 스택에 손상되는 것을 방지할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인; 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브; 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 선택적으로 공급 가능한 고온 공기 공급 유닛; 및 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함한다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급하도록 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어한다.
바람직하게, 상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도인 상태에서 이하에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어한다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC 이상이면 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어한다.
바람직하게, 상기 고온 공기 공급 유닛은, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급 가능하도록 상기 라디에이터와 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 고온 공기 공급 라인과, 상기 고온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 고온 공급 라인을 개폐 가능한 고온 공기 조절 밸브를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 고온 공기 조절 밸브는, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성된다.
바람직하게, 상기 저온 공기를 상기 스택에 선택적으로 공급 가능한 저온 공기 공급 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 제한 온도 이상인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.
바람직하게, 상기 저온 공기 공급 유닛은, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급 가능하도록 상기 스택과 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 저온 공기 공급 라인과, 상기 저온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 저온 공급 공급 라인을 개폐 가능한 저온 공기 조절 밸브를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 저온 공기 조절 밸브는, 상기 저온 공기를 상기 스택 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성된다.
바람직하게, 상기 스택과 상기 저온 공기 공급 유닛 사이에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 유닛에 의해 공급된 저온 공기를 가습하여 상기 스택에 전달 가능한 가습기를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 가습기는, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기와 상기 저온 공기를 수분 교환하여 상기 저온 공기를 가습 가능한 중공 사막 가습기로 구성된다.
바람직하게, 상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며, 상기 제어 유닛은, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어함과 동시에 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.
바람직하게, 상기 볼텍스 튜브는, 상기 고온 공기가 배출되는 고온 공기 배출구와, 상기 저온 공기가 배출되는 저온 공기 배출구를 구비하고, 상기 고온 공급 공급 유닛은, 상기 고온 공기 배출구를 개폐 가능한 고온 공급 조절 밸브를 구비하고, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 고온 공기 배출구가 폐쇄되어 상기 압축 공기가 상기 저온 공기에서 배출되도록 상기 고온 공기 조절 밸브를 제어함과 동시에 상기 저온 공기 배출구에서 배출된 압축 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 볼텍스 튜브에서 배출된 고온 공기를 이용해 라디에이터를 통과하는 냉각수를 가열함으로써, 냉시동에 소요되는 시간을 줄여 운전자의 편의성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명은, 볼텍스 튜브에서 배출된 저온 공기를 이용해 가습기와 스택을 냉각시킴으로써, 가습기와 스택이 고온에 의해 손상되는 것을 방지하여 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은, 회생 제동 에너지를 냉각수 히터를 이용해 소비할 때 볼텍스 튜브에서 배출된 저온 공기를 이용해 가습기와 스택을 냉각시킴으로써, 냉각수 히터를 이용한 회생 제동 에너지의 소비로 인해 가습기와 스택의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 양상을 나타내는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 냉시동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 정상 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 그대로 배출하는 양상을 나타내는 도면.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 고출력 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 회생 제동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 양상을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템(이하, '연료전지 시스템(1)'이라고 함)은, 냉각수 라인(10)과, 압축 공기 공급 유닛(20)과, 볼텍스 튜브(30)와, 고온 공기 공급 유닛(40)과, 저온 공기 공급 유닛(50)과, 가습기(60)와, 제어 유닛(70) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 냉각수 라인(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 펌프(80)와, 연료전지 스택(이하, '스택(90)'이라고 함)과, 라디에이터(100)와, 냉각수 히터(110)와, 냉각수 온도 센서(12, 14) 등을 포함할 수 있다. 이러한 냉각수 라인(10)은, 냉각수(C)가 냉각수 펌프(80), 스택(90), 라디에이터(100), 냉각수 히터(110)를 순환할 수 있도록 마련된다.
냉각수 펌프(80)는, 냉각수(C)를 펌핑하여, 냉각수 라인(10)을 순환하기 위한 구동력을 냉각수(C)에 제공한다.
스택(90)은, 수소 공급 유닛(미도시)으로부터 공급된 수소와 저온 공기 공급 유닛(50)으로부터 공급된 공기를 이용해 전기를 생성할 수 있도록 마련된다. 이러한 스택(90)은, 냉각수 라인(10)을 순환하는 냉각수(C)에 의해 가열되거나 냉각될 수 있다.
라디에이터(100)는 냉각수 라인(10)을 통과하는 냉각수(C)와 라디에이터(100)의 외면을 통과하는 외기를 열교환 가능하도록 마련된다. 예를 들어, 냉각수(C)에 비해 외기의 온도가 낮은 경우에, 라디에이터(100)는 냉각수(C)와 외기를 열 교환하여 냉각수(C)를 냉각할 수 있다. 예를 들어, 냉각수(C)에 비해 외기의 온도가 높은 경우에, 라디에이터(100)는 냉가수와 외기를 열 교환하여 냉각수(C)를 가열할 수 있다.
냉각수 히터(110)는, 스택(90) 또는 외부의 전기 공급 장치로부터 공급된 전기를 이용해 냉각수 라인(10)을 순환하는 냉각수(C)를 가열 가능하도록 마련된다. 이러한 냉각수 히터(110)는, 스택(90)을 정지하거나 시동할 때 스택(90)의 잔류 수소와 잔류 산소를 이용해 생성한 전기 에너지를 열 에너지로서 소비 가능한 COD 통합 히터로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각수 온도 센서(12, 14)는, 냉각수(C)의 온도를 측정 가능하도록 냉각수 라인(10)의 미리 정해진 위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 냉각수 온도 센서(12, 14)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(90)에 유입되는 냉각수(C)의 온도와 스택(90)에서 배출되는 냉각수(C)의 온도를 각각 측정 가능하도록 스택(90)의 상류와 하류에 각각 설치될 수 있다.
다음으로, 압축 공기 공급 유닛(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 압축기(120)와, 압축 공기 공급 라인(130) 등을 구비할 수 있다.
공기 압축기(120)는, 외기(A1)를 흡입하여 미리 정해진 압력으로 압축한 후, 이처럼 압축된 압축 공기(P)를 배출할 수 있다.
압축 공기 공급 라인(130)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 압축기(120)와 후술할 볼텍스 튜브(30)의 압축 공기 유입구(32)를 연결한다. 이러한 압축 공기 공급 라인(130)은, 공기 압축기(120)에서 압축된 압축 공기(P)를 볼텍스 튜브(30)에 공급할 수 있다.
다음으로, 볼텍스 튜브(30)는, 압축 공기(P)의 운동 에너지를 열 에너지를 변환하여 압축 공기(P)를 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 열 분리 가능하도록 마련된다. 볼텍스 튜브(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 압축 공기 유입구(32)와, 볼텍스 회전실(34)과, 고온 공기 배출구(36)와, 저온 공기 배출구(38)를 구비할 수 있다.
압축 공기 유입구(32)는 압축 공기 공급 라인(130)을 통과한 압축 공기(P)를 볼텍스 회전실(34)에 유입시킨다. 볼텍스 회전실(34)은 압축 공기(P)의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 압축 공기(P)를 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 열 분리한다. 고온 공기 배출구(36)는 고온 공기(H)를 배출하고, 이처럼 배출된 고온 공기(H)는 후술할 고온 공기 공급 유닛(40)의 고온 공기 공급 라인(140)으로 유입된다. 저온 공기 배출구(38)는 저온 공기(L)를 배출하고, 이처럼 배출된 저온 온기는 후술할 저온 공기 공급 유닛(50)의 저온 공기 공급 라인(170)으로 유입된다.
이러한 볼텍스 튜브(30)는, 당 업계에서 소정 유체의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 소정 유체를 고온 유체와 저온 유체로 분리하는 통상적인 구조의 볼텍스 튜브로서 이루어지므로, 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 고온 공기 공급 유닛(40)은, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 선택적으로 공급 가능하도록 마련된다. 고온 공기 공급 유닛(40)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고온 공기 공급 라인(140)과, 고온 공기 조절 밸브(150) 등을 구비할 수 있다.
고온 공기 공급 라인(140)은 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 공급 가능하도록 고온 공기 배출구(36)와 라디에이터(100)를 연결한다. 예를 들어, 고온 공기 공급 라인은(140)은, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)의 외측 표면에 분사 가능하도록 마련될 수 있다.
이러한 고온 공기 공급 라인(140)은, 제1 구간(142)과, 제2 구간(144)을 구비할 수 있다. 제1 구간(142)은 고온 공기 배출구(36)와 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)를 연결한다. 제2 구간(144)은 고온 공기 조절 밸브(150)의 제2 포트(154)와 라디에이터(100)를 연결한다. 특히, 제2 구간(144)은 고온 공기 조절 밸브(150)의 제2 포트(154)를 통과한 고온 공기(H)를 라디에이터(100)의 외측 표면에 분사 가능하도록 마련되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 고온 공기(H)는 제1 구간(142)과 제2 구간(144)을 순차적으로 통과하여 라디에이터(100)에 공급될 수 있다.
고온 공기 조절 밸브(150)는 고온 공기 공급 라인(140)을 개폐 가능하도록 고온 공기 공급 라인(140) 상에 설치된다. 고온 공기 조절 밸브(150)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 고온 공기 조절 밸브(150)는 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100) 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성될 수 있다. 고온 공기 조절 밸브(150)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(142)과 연결되는 제1 포트(152)와, 제2 구간(144)과 연결되는 제2 포트(154)와, 고온 공기 배출 라인(160)과 연결되는 제3 포트(156)를 구비할 수 있다. 고온 공기 조절 밸브(150)는, 상기 포트들을 선택적으로 개폐하여, 고온 공기(H)를 제2 구간(144)을 통해 라디에이터(100)로 공급하거나 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출할 수 있다.
다음으로, 저온 공기 공급 유닛(50)은, 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90)에 선택적으로 공급 가능하도록 마련된다. 저온 공기 공급 유닛(50)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 저온 공기 공급 라인(170)과, 저온 공기 조절 밸브(180) 등을 구비할 수 있다.
저온 공기 공급 라인(170)은 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급 가능하도록 저온 공기 배출구(38)와 스택(90)을 연결한다. 저온 공기 공급 라인(170)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(172)과, 제2 구간(174)과, 제3 구간(176) 등을 구비할 수 있다. 제1 구간(172)은 저온 공기 배출구(38)와 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)를 연결한다. 제2 구간(144)은 저온 공기 조절 밸브(180)의 제2 포트(184)를 가습기(60)의 저온 공기 유입구(62)와 연결한다. 제3 구간(176)은 가습기(60)의 저온 공기 배출구(38)와 스택(90)의 저온 공기 유입구(92)를 연결한다. 따라서, 저온 공기(L)는 제1 구간(172), 제2 구간(174), 가습기(60), 제3 구간(176)을 순차적으로 통과하여 스택(90)에 공급될 수 있다. 한편, 제3 구간은(176), 도 1에 도시된 바와 같이, 제3 저온 공기 공급 라인(176)를 통과하는 공기의 온도를 측정 가능한 공기 온도 센서(178)를 구비할 수 있다.
저온 공기 조절 밸브(180)는 저온 공기 공급 라인(170)을 개폐 가능하도록 저온 공기 공급 라인(170) 상에 설치된다. 저온 공기 조절 밸브(180)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 저온 공기 조절 밸브(180)는 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90) 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성될 수 있다. 저온 공기 조절 밸브(180)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(172)과 연결되는 제1 포트(182)와, 제2 구간(174)과 연결되는 제2 포트(184)와, 저온 공기 배출 라인(190)과 연결되는 제3 포트(186)를 구비할 수 있다. 저온 공기 조절 밸브(180)는, 포트들을 선택적으로 개폐하여, 저온 공기(L)를 제2 구간(174)과 제3 구간(156)을 통해 스택(90)에 공급하거나 저온 공기 배출 라인(190)을 통해 외부로 배출할 수 있다.
다음으로, 가습기(60)는, 저온 공기(L)를 가습하여 스택(90)에 공급할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 가습기(60)는, 스택(90)에서 배출된 습윤 공기(A2)와 저온 공기(L)를 수분 교환하여 스택(90)에 공급 가능한 중공 사막 가습기로 구성될 수 있다. 여기서, 습윤 공기(A2)란, 스택(90)에서 생성된 생성수에 의해 가습된 상태로 스택(90)으로 배출되는 공기를 말한다. 가습기(60)는, 저온 공기 유입구(62)와, 저온 공기 배출구(64)와, 습윤 공기 유입구(66)와, 습윤 공기 배출구(68) 등을 구비할 수 있다.
저온 공기 유입구(62)는 제2 구간(174)에 의해 저온 공기 조절 밸브(180)의 제2 포트(184)와 연결된다. 저온 공기 배출구(64)는 제3 구간(176)에 의해 스택(90)의 저온 공기 유입구(62)와 연결된다. 습윤 공기 유입구(66)는 습윤 공기 배출 라인(200)의 제1 구간(202)에 의해 스택(90)의 습윤 공기 배출구(94)와 연결된다. 습윤 공기 배출구(68)는 습윤 공기 배출 라인(200)의 제2 구간(204)에 의해 외부와 연결된다. 가습기(60)는, 저온 공기 유입구(62)를 통해 유입된 저온 공기(L)와 습윤 공기 유입구(66)를 통해 유입된 습윤 공기(A2)를 수분 교환하여 저온 공기(L)를 가습할 수 있다. 저온 공기(L)는 제3 구간(176)을 통해 스택(90)에 공급되고, 스택(90)은 이처럼 공급된 저온 공기(L)를 이용해 전기를 생성할 수 있다. 또한, 습윤 공기(A2)는 제2 구간(204)을 통해 외부에 배출될 수 있다.
다음으로, 제어 유닛(70)은, 연료전지 시스템(1)에 포함된 각종의 부품들을 제어 가능하도록 마련된다. 이러한 제어 유닛(70)은, 연료전지 시스템(1)에 적용된 차량을 냉시동 모드, 정상 모드, 고출력 모드, 회생 제동 모드 등 미리 정해진 구동 모드들에 따라 구동할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 냉시동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어 유닛(70)은, 차량을 냉시동 모드로 구동하는 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 공급하도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어함과 동시에 냉각수(C)를 가열하도록 냉각수 히터(110)를 제어할 수 있다. 냉시동 모드란, 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도가 이하인 상태에서 차량을 시동하는 모드를 말한다. 예를 들어, 냉시동 온도는, -30 ℃일 수 있다.
제어 유닛(70)은, 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)와 제2 포트(154)를 개방함과 동시에 제3 포트(156)를 폐쇄한다. 그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 라디에이터(100)에 공급되고, 라디에이터(100)를 통과하는 냉각수(C)는 고온 공기(H)와 열 교환되어 가열된다.
제어 유닛(70)은, 배터리(미도시)로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 가동한다. 그러면, 고온 공기(H)에 의해 가열된 냉각수(C)는, 냉각수 히터(110)에 의해 재가열된다. 즉, 냉각수(C)는, 고온 공기(H)와 냉각수 히터(110)에 의해 2차적으로 가열되는 것이다. 따라서, 냉각수 히터(110)만을 이용해 냉각수(C)를 가열하는 경우에 비해 냉각수(C)를 빠르게 가열할 수 있으므로, 냉시동에 소용되는 시간을 단축하여 운전자의 편의성을 향상시킬 수 있다.
그런데, 배터리는 배터리 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 목표 SOC에 비해 높도록 관리되는 것이 바람직하다. 따라서, 제어 유닛(70)은, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC에 비해 높을 때에만 냉각수 히터(110)를 선택적으로 가동하는 것이 바람직하다. 즉, 배터리 SOC가 목표 SOC에 비해 낮을 때에는 고온 공기(H)만을 이용해 냉각수(C)를 가열하여 냉시동을 진행하는 것이다.
한편, 제어 유닛(70)은, 저온 공기(L)가 외부로 배출되도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 제어 유닛(70)은, 저온 공기 공급 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(184)를 폐쇄한다. 그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)는 저온 공기 배출 라인(190)을 통해 외부로 배출된다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 정상 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 그대로 배출하는 양상을 나타내는 도면이다.
제어 유닛(70)은, 차량을 정상 모드로 구동하는 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축 공기(P)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)과 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어할 수 있다. 정상 모드란, 시동 종료 후 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에선 차량을 구동하는 모드를 말한다.
도 5를 참조하면, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)가 폐쇄되는 경우에, 압축 공기(P)는 볼텍스 회전실(34)에서 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 분리되지 않고 저온 공기 배출구(38)를 통해 그대로 배출될 수 있다.
이를 반영하여, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)를 폐쇄하고, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축 공기(P)는, 볼텍스 튜브(30)에 의해 열 분리되지 않고 저온 공기 배출구(38)를 통해 그대로 배출되어, 스택(90)에 공급된다. 이를 통해, 스택(90)이 저온 공기(L)에 의해 정상 온도 이하로 냉각되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 고출력 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어 유닛(70)은, 차량을 고출력 모드로 구동하는 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어할 수 있다. 고출력 모드란, 스택(90)의 출력이 미리 정해진 기준 출력 이상이 되도록 차량을 가동하는 모드를 말한다. 일반적으로, 스택(90)의 온도 및 스택(90)에서 배출된 습윤 공기(A)가 공급되는 가습기(60)의 온도는, 스택(90)의 출력에 비례하여 상승되거나 하강된다. 따라서, 스택(90)의 출력이 기준 출력 이상인 경우에, 스택(90)과 가습기(60)는 이러한 스택(90)의 출력에 대응하여 상대적으로 고온을 갖게 된다.
제어 유닛(70)은, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)는 가습기(60)를 거쳐 스택(90)으로 공급되고, 가습기(60)와 스택(90)은 이러한 저온 공기(L)에 의해 냉각된다. 이를 통해, 가습기(60)와 스택(90)이 고온에 의해 손상되는 것을 방지하여 연료전지 스택(90)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제어 유닛(70)은, 고온 공기(H)가 외부로 배출되도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 공급 밸브의 제1 포트(152)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(154)를 폐쇄한다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출된다.
또한, 제어 유닛(70)은, 냉각수(T)의 온도가 미리 정해진 제한 온도에 도달하기 이전까지는 상기 정상 모드의 경우와 같이 스택(10)에 압축 공기(P)를 공급하고, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달한 이후에 비로서 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제한 온도는, 80 ℃일 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 회생 제동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어 유닛(70)은, 차량을 회생 제동 모드로 구동하는 경우에, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수(C)를 가열하도록 냉각수 히터(110)를 제어함과 동시에 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어한다. 여기서, 회생 제동 모드란, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 연료전지 시스템(1)을 이용해 소비할 수 있도록 차량을 구동하는 모드를 말한다.
구체적으로, 제어 유닛(70)은, 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 구동하고, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 냉각수 히터(110)는 냉각수(C)를 가열하고, 저온 공기(L)는 가습기(60)를 거쳐 스택(90)으로 공급되어 가습기(60)와 스택(90)을 냉각한다. 즉, 회생 제동 에너지에 의한 냉각수(C)의 가열을 저온 공기(L)에 의한 스택(90)의 냉각으로 보상하는 것이다. 이를 통해, 회생 제동 에너지로 인해 스택(90)이 가열되는 것을 방지하여, 연료전지 시스템(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 제어 유닛(70)은, 고온 공기(H)가 외부로 배출되도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 공급 밸브의 제1 포트(152)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(154)를 폐쇄한다. 그러면, 도 7에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출된다.
또한, 제어 유닛(70)은, 배터리가 완충되어 회생 제동 에너지를 배터리에 충전할 수 없을 때에만 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 가동함과 동시에 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제어 유닛(70)은, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달하기 이전까지는 상기 정상 모드의 경우와 같이 스택(10)에 압축 공기(P)를 공급하고, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달한 이후에 비로서 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 연료전지 시스템
10 : 냉각수 라인
12, 14 : 냉각수 온도 센서
20 : 압축 공기 공급 유닛
30 : 볼텍스 튜브
32 : 압축 공기 유입구
34 : 볼텍스 회전실
36 : 고온 공기 배출구
38 : 저온 공기 배출구
40 : 고온 공기 공급 유닛
50 : 저온 공기 공급 유닛
60 : 가습기
62 : 저온 공기 유입구
64 : 저온 공기 배출구
66 : 습윤 공기 유입구
68 : 습윤 공기 배출구
70 : 제어 유닛
80 : 냉각수 펌프
90 : 스택
92 : 저온 공기 유입구
94 : 저온 공기 배출구
100 : 라디에이터
110 : 냉각수 히터
120 : 공기 압축기
130 : 압축 공기 공급 라인
140 : 고온 공기 공급 라인
150 : 고온 공기 조절 밸브
160 : 고온 공기 배출 라인
170 : 저온 공기 공급 라인
178 : 저온 공기 온도 센서
180 : 저온 공기 조절 밸브
190 : 저온 공기 배출 라인
200 : 습윤 공기 배출 라인
A1 : 외기
P : 압축 공기
C : 냉각수
H : 고온 공기
L : 저온 공기
A2 : 습윤 공기

Claims (14)

  1. 연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인;
    압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브;
    상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 선택적으로 공급 가능한 고온 공기 공급 유닛; 및
    상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도 이하에서 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급하도록 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며,
    상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC 이상이면 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공기 공급 유닛은, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급 가능하도록 상기 라디에이터와 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 고온 공기 공급 라인과, 상기 고온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 고온 공급 라인을 개폐 가능한 고온 공기 조절 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고온 공기 조절 밸브는, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저온 공기를 상기 스택에 선택적으로 공급 가능한 저온 공기 공급 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 제한 온도 이상인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 저온 공기 공급 유닛은, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급 가능하도록 상기 스택과 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 저온 공기 공급 라인과, 상기 저온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 저온 공급 공급 라인을 개폐 가능한 저온 공기 조절 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 저온 공기 조절 밸브는, 상기 저온 공기를 상기 스택 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 스택과 상기 저온 공기 공급 유닛 사이에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 유닛에 의해 공급된 저온 공기를 가습하여 상기 스택에 전달 가능한 가습기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가습기는, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기와 상기 저온 공기를 수분 교환하여 상기 저온 공기를 가습 가능한 중공 사막 가습기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며,
    상기 제어 유닛은, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어함과 동시에 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 볼텍스 튜브는, 상기 고온 공기가 배출되는 고온 공기 배출구와, 상기 저온 공기가 배출되는 저온 공기 배출구를 구비하고,
    상기 고온 공급 공급 유닛은, 상기 고온 공기 배출구를 개폐 가능한 고온 공급 조절 밸브를 구비하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 고온 공기 배출구가 폐쇄되어 상기 압축 공기가 상기 저온 공기에서 배출되도록 상기 고온 공기 조절 밸브를 제어함과 동시에 상기 저온 공기 배출구에서 배출된 압축 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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