KR20200052120A - 공기공급 시스템 - Google Patents

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KR20200052120A
KR20200052120A KR1020180135323A KR20180135323A KR20200052120A KR 20200052120 A KR20200052120 A KR 20200052120A KR 1020180135323 A KR1020180135323 A KR 1020180135323A KR 20180135323 A KR20180135323 A KR 20180135323A KR 20200052120 A KR20200052120 A KR 20200052120A
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Abstract

본 발명에 따른 공기공급 시스템은, 공기 압축기와, 공기 압축기에서 배출되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 공기 압축기와 연료전지 스택의 사이에 배치되는 공기 냉각기와, 공기 압축기의 배출단에서 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동과 공기 냉각기의 배출단에서 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동을 조절하기 위해 마련되는 밸브를 포함한다. 밸브의 유입단은 공기 압축기의 배출단 및 공기 냉각기의 배출단과 연결되고, 밸브의 배출단은 공기 압축기의 유입단과 연결된다.

Description

공기공급 시스템{AIR SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 공기공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 공기공급 시스템에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 도 1 에 도시된 바와 같은 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다.
한편, 스택에 공급되는 공기는 외기가 그대로 공급되지 않고 압축되어 공급되게 된다. 이를 위해 공기를 압축시켜 스택으로 공급하는 공기공급 시스템이 마련된다.
종래에 공기공급 시스템은 저유량에 고압력의 압축 공기가 연료전지 스택에서 요구되는 경우에, 이를 만족시키기가 어려운 문제점이 존재하였다. 또한, 연료전지 차량의 냉시동시에는 연료전지의 발전 성능이 저하되는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저유량에 고압력의 압축 공기가 연료전지 스택에서 요구되는 경우에, 이를 만족시킬 수 있는 공기공급 시스템을 제공하는 것에 주목적이 있다.
즉, 연료전지 시스템에서 요구되는 공기의 유량 및 압력에 부합되도록, 보다 넓은 동작 범위를 가지는 공기공급 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 차량의 냉시동 시 스택 성능이 저하되고, 스택의 내부에 플러딩이 발생하는 등의 문제를 해결하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 공기공급 시스템은, 공기 압축기와; 상기 공기 압축기에서 배출되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 상기 공기 압축기와 상기 연료전지 스택의 사이에 배치되는 공기 냉각기와; 상기 공기 압축기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동과, 상기 공기 냉각기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동을 조절하기 위해 마련되는 밸브를 포함한다.
상기 밸브의 유입단은 상기 공기 압축기의 배출단 및 상기 공기 냉각기의 배출단과 연결되고, 상기 밸브의 배출단은 상기 공기 압축기의 유입단과 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 공기 압축기의 배출단에서 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동과, 공기 냉각기의 배출단에서 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동을 조절함으로써, 적은 유량의 압축 공기를 연료전지 스택으로 공급하는 경우에도 높은 압력으로 공급할 수 있게 된다. 즉, 종래의 공기공급 시스템에 비교할 때 보다 넓은 동작 범위를 가지게 된다.
둘째, 연료전지 차량의 냉시동 시에는 제2 피드백 공기유동을 통해 공기 압축기 내에서 공기가 단열 압축되며 온도가 상승되어 연료전지 스택으로 공급될 수가 있게 되므로, 스택 성능이 저하되거나 스택의 내부에 플러딩이 발생하는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급 시스템의 불록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급 시스템의 제어순서도이다.
도 3은 도 2의 제어를 보다 자세하게 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급 시스템의 불록도이다.
본 실시예에 따른 공기공급 시스템(100)은 공기 압축기(110), 공기 냉각기(130), 및 다방향 밸브를 포함한다. 공기공급 시스템(100)은 연료전지 스택(10)으로 압축 공기를 공급하되, 공급되는 공기의 압력을 조절 가능하게 마련될 수 있다.
공기공급 시스템(100)의 설명에 앞서 연료전지 스택(10)에 대해서 설명하기로 한다.
연료전지 스택(10)은 전해질막, 전해질막의 양측에 배치되는 한 쌍의 전극인 캐소드 전극과 애노드 전극으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소와 산소의 전기 화학적 반응으로 전력을 생성한다.
연료전지 시스템의 기동 중에는 연료전지 스택(10)의 캐소드 전극으로 산소를 포함한 공기가 공급되고, 연료전지 스택(10)의 애노드 전극으로 수소가 공급된다. 이때, 공기와 수소는 반응에 적절한 고온 상태로 히팅되어 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)은 화학적 반응을 위해 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요한데, 이를 위해 공기는 가습 되어 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.
공기공급 시스템(100)과 연료전지 스택(10) 사이에는 가습기(미도시)가 배치될 수 있다.
가습기는 공기공급 시스템(100)로부터 압축 공기를 제공받아, 가습하여 연료전지 스택(10)으로 공급할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 가습기는 공기 냉각기(130)와 하나의 케이스 내에 일체로서 마련될 수 있다.
공기 압축기(110)는 연료전지 스택(10)으로 압축 공기를 공급하기 위해 마련된다. 공기 압축기(110)는 소정 범위 내에서 압축 공기의 압력을 변경 가능하게 마련될 수 있다. 공기 압축기(110)는 제어부(170)의 제어에 의해, 압축 공기의 압력을 변경시킬 수 있다.
공기 냉각기(130)는 공기 압축기(110)에서 배출되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 공기 압축기(110)와 연료전지 스택(10)의 사이에 배치될 수 있다. 공기 냉각기(130)는 압축 공기의 유동방향을 기준으로, 공기 압축기(110)와 연료전지 스택(10)의 사이에 배치되어, 공기 압축기(110)에서 배출되는 압축 공기가 냉각된 상태로 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있도록 한다.
한편 일 실시예에서, 공기 냉각기(130)는 공기 압축기(110)와 하나의 케이스 내에 일체로서 마련될 수 있다.
다방향 밸브(150)는 공기 압축기(110)의 배출단에서 공기 압축기(110)의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동(FL1)과, 공기 냉각기(130)의 배출단에서 공기 압축기(110)의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동(FL2)을 조절하기 위해 마련될 수 있다.
다방향 밸브(150)의 유입단은 공기 압축기(110)의 배출단 및 공기 냉각기(130)의 배출단과 연결될 수 있다. 다방향 밸브(150)의 배출단은 공기 압축기(110)의 유입단과 연결될 수 있다.
다방향 밸브(150)는 공기 압축기(110)로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 값 미만이면, 제2 피드백 공기유동(FL2)이 허용되고 제1 피드백 공기유동(FL1)은 허용되지 않도록 할 수 있다.
또는, 다방향 밸브(150)는 공기 압축기(110)로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 값 미만이면, 제2 피드백 공기유동(FL2)의 공기 유동량이 제1 피드백 공기유동(FL1)의 공기 유동량보다 크도록 할 수 있다.
다방향 밸브(150)는 제1 압력 이상의 압축 공기가 요구되면 제1 피드백 공기유동(FL1)과 제2 피드백 공기유동(FL2) 중에서 적어도 어느 하나가 허용되도록 할 수 있다.
다방향 밸브(150)는 제1 압력보다 높은 제2 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 제1 피드백 공기유동(FL1)이 허용되고 제2 피드백 공기유동(FL2)은 허용되지 않도록 할 수 있다.
또는, 다방향 밸브(150)는 제1 압력보다 높은 제2 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 제1 피드백 공기유동의 유동량이 제2 피드백 공기유동의 유동량보다 크도록 할 수 있다.
다방향 밸브(150)는 연료전지 스택(10)에서 기 설정된 값 미만의 공기 유량이 요구되면, 제1 피드백 공기유동(FL1)이 허용되고 제2 피드백 공기유동(FL2)은 허용되지 않도록 할 수 있다.
또는, 다방향 밸브(150)는 연료전지 스택(10)에서 기 설정된 값 미만의 공기 유량이 요구되면, 제1 피드백 공기유동(FL1)의 유동량이 제2 피드백 공기유동의 유동량보다 크도록 할 수 있다.
다방향 밸브(150)는 공기 압축기(110)로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 값 미만이면, 제2 피드백 공기유동(FL2)이 허용되고 제1 피드백 공기유동(FL1)은 허용되지 않도록 할 수 있다.
또는, 다방향 밸브(150)는 공기 압축기(110)로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 값 미만이면, 제2 피드백 공기유동(FL2)의 공기 유동량이 제1 피드백 공기유동(FL1)의 공기 유동량보다 크도록 할 수 있다.
다방향 밸브(150)는 제어부(170)의 제어에 의해 작동될 수 있다.
종래에는 연료전지 스택으로 공급되는 압축 공기의 압력을 조절하기 위해 공기 압축기의 구동 속도를 조절하는 것을 고려해볼 수 있었다. 또는, 압축비를 높이기 위해, 공기 압축기의 출구단에서 토출되는 압축 공기의 전부 또는 일부가 다시 공기 압축기의 유입단으로 유입되도록, 피드백 유로를 형성하는 것을 고려해볼 수 있었다.
그러나, 위와 같은 종래의 구성들을 이용할 시, 연료전지 스택에서 요구되는 공기의 유입량 및 압력을 만족시키기 어려운 문제가 있었다. 또한, 저온 환경에서 차량의 시동 시, 외부에서 유입되는 저온의 공기가 연료전지 스택으로 유입되어, 연료전지 스택의 성능이 저하되는 문제점도 존재하였다.
본 실시예에 따른 공기공급 시스템(100)은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. 보다 구체적으로 본 실시예에 따른 공기공급 시스템(100)은, 연료전지 시스템에서 요구되는 공기의 유입량과 압력을 맞추고, 냉시동과 같은 상황에서 연료전지 스택으로 유입되는 공기의 온도를 상승시키기 위해, 공기 압축기(110)의 배출단에서 공기 압축기(110)의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동(FL1)과, 공기 냉각기(130)의 배출단에서 공기 압축기(110)의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동(FL2)을 조절하기 위해 마련되는 다방향 밸브(150)를 포함하는 것에 기본적인 특징이 있다.
본 실시예에 따른 공기공급 시스템(100)의 특징을 이하에서 보다 상술한다.
<주 공기유동>
도 1을 참조하면, 공기 압축기(110)의 유입단은 공기 유입관과 연결되어, 외부로부터 공기가 유입될 수 있다. 공기 압축기(110)에서 토출되는 압축 공기는 공기 냉각기(130)로 유입될 수 있다. 공기 냉각기(130)에서 토출되는 냉각된 압축 공기는 연료전지 스택(10)으로 유입될 수 있다.
이와 같이 공기 압축기(110)-공기 냉각기(130)-연료전지 스택(10)으로 유동되는 공기의 흐름을 주 공기유동(FLm)이라고 명명할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 일 실시예에서, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기를 가습하기 위해 별도의 가습기가 구비될 수도 있다. 이 경우, 주 공기유동(FLm)은 공기 압축기(110)-공기 냉각기(130)-가습기로 유동되는 공기의 흐름으로 정의될 수 있다.
<제1 피드백 공기유동>
공기 냉각기(130)를 통과한 압축 공기는 제1 피드백 유로를 따라 공기 압축기(110)의 유입단으로 유동될 수 있다. 제1 피드백 유로는 다방향 밸브(150)에 의해 개폐될 수 있다. 즉, 다방향 밸브(150)는 제1 피드백 공기유동(FL1)을 조절할 수 있다.
이때, 제1 피드백 공기유동(FL1)을 하는 공기는 공기 압축기(110)와 공기 냉각기(130)를 통과하며, 압축되고 냉각된 공기이다.
냉각된 압축 공기는 다시 공기 압축기(110)로 유입되어 더 높은 압력으로 압축될 수 있다. 이상기체 방정식(PV=nRT)에 따르면, 다른 조건이 동일할 때 기체의 부피는 온도가 낮을수록 작아지게 된다. 따라서, 냉각된 공기를 공기 압축기(110)로 압축하는 경우 냉각되지 않은 공기를 압축하는 경우보다 더 높은 압력으로 압축시킬 수 있다. 더욱이, 제1 피드백 공기유동(FL1)을 통해 공기 압축기(110)로 피드백 되는 공기는 한번 압축되어 냉각된 공기이므로, 보다 높은 압력으로 압축될 수 있다.
<제2 피드백 공기유동>
공기 압축기(110)을 통과한 압축 공기의 일부 또는 전부는 공기 냉각기(130)로 유입되지 않고 제2 피드백 유로를 따라 공기 압축기(110)의 유입단으로 유동될 수 있다. 제2 피드백 유로는 다방향 밸브(150)에 의해 개폐될 수 있다. 즉, 다방향 밸브(150)는 제2 피드백 공기유동(FL2)을 조절할 수 있다.
이때, 제2 피드백 공기유동(FL2)을 하는 공기는 공기 압축기(110)를 통과하며 압축된 공기이다. 공기는 공기 압축기(110)를 통과하면서 압축됨에 따라 온도가 어느 정도 상승하게 된다. 이는, 공기 압축기(110) 내에서 공기가 단열 압축되기 때문이다.
압축된 공기는 다시 공기 압축기(110)로 유입되어 더 높은 압력으로 압축될 수 있다. 마찬가지로, 공기가 더 압축됨에 따라 공기의 온도는 더 상승되게 된다.
이와 같이, 제2 피드백 공기유동(FL2)은 인위적으로 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 온도를 높이기 위해서 이용될 수 있다.
공기공급 시스템(100)은 메모리(미도시)를 더 포함할 수 있다. 메모리는 제어부(170)와 전기적으로 연결될 수 있다. 메모리는 제어부와 일체형으로 형성되거나, 제어부(170)의 하위 구성 요소로 구현될 수 있다. 메모리는, 하드웨어적으로, ROM, RAM, EPROM, 플래시 드라이브, 하드 드라이브 등과 같은 다양한 저장기기 일 수 있다. 메모리는 공기공급 시스템(100) 전반의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다.
공기공급 시스템(100)은 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전원 공급부는 제어부(170)의 제어에 따라, 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부는 차량 내부의 배터리 등으로부터 전원을 공급받을 수 있다.
<제어방법>
공기공급 시스템(100)은 제어부(170)를 포함할 수 있다. 제어부(170)는 공기공급 시스템(100)의 전반적인 구성들을 제어할 수 있다.
제어부(170)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(170)는 제1 피드백 공기유동(FL1)과 제2 피드백 공기유동(FL2)을 제어하기 위해서 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(170)는 연료전지 스택(10)에서 소정 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 공기 압축기(110)에서 배출되어 공기 냉각기(130)를 통과해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 압축 공기의 적어도 일부가, 제1 피드백 공기유동(FL1)과 제2 피드백 공기유동(FL2) 중에서 적어도 어느 하나로 유동하도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(170)는 연료전지 스택(10)에서 소정 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 연료전지 스택(10)에서 요구되는 요구 공기압과, 연료전지 스택(10)에서 요구되는 요구 공기유량과, 공기 압축기(110)로 유입되는 공기 온도 중에서 적어도 어느 하나에 기초하여, 제1 피드백 공기유동(FL1)과 제2 피드백 공기유동(FL2)을 조절하기 위해 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(170)는 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 요구 공기유량이 기 설정된 유량값 미만이면, 제1 피드백 공기유동(FL1)을 허용하고 제2 피드백 공기유동은 허용하지 않도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(170)는 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 요구 공기유량이 기 설정된 유량값 미만이면, 제1 피드백 공기유동의 공기 유동량이 제2 피드백 공기유동의 공기 유동량보다 크도록, 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(170)는 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 공기 압축기(110)로 유입되는 공기 온도가 기 설정된 온도값 미만이면, 제2 피드백 공기유동(FL2)을 허용하고 제1 피드백 공기유동(FL1)은 허용하지 않도록, 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제어부(170)는 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 공기 압축기(110)로 유입되는 공기 온도가 기 설정된 온도값 미만이면, 적어도 제2 피드백 공기유동의 공기 유동량이 제1 피드백 공기유동의 공기 유동량보다 크도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기공급 시스템의 제어순서도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(170)는 피드백 공기유동(FL1, FL2)을 개시하기 위한 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S1100).
제어부(170)는 피드백 공기유동(FL1, FL2)을 개시하기 위한 조건을 만족하는지 여부를 판단한 결과에 기초하여, 제1 피드백 공기유동(FL1)과 제2 피드백 공기유동(FL2)을 조절하기 위해 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다(S1200).
도 3은 도 2 제어를 보다 자세하게 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 제어부(170)는 저압/고유량 운전조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S1110).
일 실시예에서, 저압/고유량 운전조건은 연료전지 스택(10)에서 요구되는 공기압이 기 설정된 압력 미만이면서 연료전지 스택(10)에서 요구되는 공기의 유량이 기 설정된 유량 이상인 조건으로 정의될 수 있다.
다른 실시예에서, 저압/고유량 운전조건은 연료전지 스택(10)에서 요구되는 공기압이 기 설정된 압력 미만이거나 또는 연료전지 스택(10)에서 요구되는 공기의 유량이 기 설정된 유량 이상인 조건으로 정의될 수도 있다.
제어부(170)는 연료전지 스택(10) 또는 연료전지 스택(10)을 포함하는 연료전지 시스템의 제어부로부터 획득한 정보에 기초하여, 저압/고유량 운전조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다.
제어부(170)는 저압/고유량 운전조건을 만족하는 것으로 판단될 시, 제1 피드백 공기유동(FL1)을 허용하고 제2 피드백 공기유동(FL2)을 허용하지 않도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다(제1 피드백모드).
이를 통해, 연료전지 스택(10)에서 요구되는 공기의 유량이 적은 경우에도, 더 높은 압력의 공기를 연료전지 스택(10)으로 공급할 수 있게 되는 이점이 있다. 또한, 상대적으로 저온의 공기가 공기 압축기(110)로 유입되어 재차 압축되므로, 공기 압축기(110)의 압축 성능을 향상시킬 수 있게 되는 이점도 있다.
다음, 제어부(170)는 저압/고유량 운전조건을 만족하지 않는 것으로 판단되는 경우, 냉시동/가습량 조절 운전조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다(S1120).
일 실시예에서, 냉시동/가습량 조절 운전조건은 공기 압축기(110)로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 온도값 미만인 조건으로 정의될 수 있다.
다른 실시예에서, 냉시동/가습량 조절 운전조건은 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 습도가 기 설정된 습도값 이상인 조건으로 정의될 수 있다.
연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기를 가습시키기 위해 가습기를 구비하는 경우, 가습기의 내부에서는 연료전지 스택(10)에서 배출되는, 상대적으로 고온 다습한 배기 가스로부터 연료전지 스택(10)으로 유입되는, 상대적으로 저온 건조한 유입 공기로 수분이 전달되게 된다. 이때, 유입 공기의 온도가 낮을수록 가습 효과가 커지게 된다. 그런데, 유입 공기의 습도가 지나치게 높으면, 연료전지 스택에서 지나치게 많은 양의 물이 생성되게 되고, 연료전지 스택에서 플러딩(flooding)이 발생되어 발전 성능이 저하되고 더 나아가 연료전지 스택의 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 연료전지 스택으로 유입되는 유입 공기의 습도를 적정량으로 유지하는 것이 필요하다.
제어부(170)는 냉시동/가습량 조절 운전조건을 만족하는 것으로 판단될 시, 제2 피드백 공기유동(FL2)을 허용하고 제1 피드백 공기유동(FL1)을 허용하지 않도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다(제2 피드백모드).
일 실시예에서, 제어부(170)는 제2 피드백 모드로 제어하는 경우, 공기 냉각기(130)가 구동되지 않도록 제어할 수 있다. 이를 통해, 공기 압축기(110)를 통과하며 온도가 상승된 압축 공기를 연료전지 스택(10) 또는 가습기로 곧바로 공급할 수 있다.
이를 통해, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 압축 공기가 적정량의 습도를 가지고 공급될 수 있다. 또한, 겨울철과 같이 연료전지 스택(10)의 냉시동 시, 시동 초기에 연료전지 스택(10)으로 외기보다 상승된 온도의 압축공기를 공급함으로써, 시동 초이게 연료전지 스택(10)의 발전 성능이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.
제어부(170)는 냉시동/가습량 조절 운전조건을 만족하지 않는 것으로 판단될 시, 제1 및 제2 피드백 공기유동(FL1, FL2)을 허용하지 않도록 다방향 밸브(150)를 제어할 수 있다(일반 모드). 이 경우, 공기는 주 유동경로(FLm)으로 유동되게 된다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 프로세서 또는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
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 실시가 가능하다.
10 : 연료전지 스택
100 : 공기공급 시스템
110 : 공기 압축기
130 : 공기 냉각기
150 : 다방향 밸브
170 : 제어부
FLm : 주 공기유동
FL1 : 제1 피드백 공기유동
FL2 : 제2 피드백 공기유동

Claims (10)

  1. 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 공기공급 시스템에 있어서,
    공기 압축기;
    상기 공기 압축기에서 배출되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 상기 공기 압축기와 상기 연료전지 스택의 사이에 배치되는 공기 냉각기; 및
    상기 공기 압축기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동과, 상기 공기 냉각기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동을 조절하기 위해 마련되는 밸브를 포함하고,
    상기 밸브의 유입단은 상기 공기 압축기의 배출단 및 상기 공기 냉각기의 배출단과 연결되고, 상기 밸브의 배출단은 상기 공기 압축기의 유입단과 연결되는, 공기공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는, 상기 연료전지 스택에서 소정의 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 상기 제1 피드백 공기유동과 상기 제2 피드백 공기유동 중에서 적어도 어느 하나가 허용되도록 하는, 공기공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 밸브는,
    제1 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 상기 제1 피드백 공기유동과 상기 제2 피드백 공기유동 중에서 적어도 어느 하나가 허용되고,
    상기 제1 압력보다 높은 제2 압력 이상의 압축 공기가 요구되면, 상기 제1 피드백 공기유동이 허용되고 상기 제2 피드백 공기유동은 허용되지 않거나, 또는 상기 제1 피드백 공기유동의 유동량이 상기 제2 피드백 공기유동의 유동량보다 크도록 하는, 공기공급 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 연료전지 스택에서 기 설정된 값 미만의 공기 유량이 요구되면,
    상기 제1 피드백 공기유동이 허용되고 상기 제2 피드백 공기유동은 허용되지 않거나, 또는 상기 제1 피드백 공기유동의 유동량이 상기 제2 피드백 공기유동의 유동량보다 크도록 하는, 공기공급 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 공기 압축기로 유입되는 공기의 온도가 기 설정된 값 미만이면,
    상기 제2 피드백 공기유동이 허용되고 상기 제1 피드백 공기유동은 허용되지 않거나, 또는 상기 제2 피드백 공기유동의 공기 유동량이 상기 제1 피드백 공기유동의 공기 유동량보다 크도록 하는, 공기공급 시스템.
  6. 연료전지 스택으로 압축 공기를 공급하는 공기공급 시스템에 있어서,
    공기 압축기;
    상기 공기 압축기에서 배출되는 압축 공기를 냉각시키기 위해, 상기 공기 압축기와 상기 연료전지 스택의 사이에 배치되는 공기 냉각기;
    상기 공기 압축기의 배출단, 상기 공기 냉각기의 배출단, 및 상기 공기 압축기의 유입단과 연결되는 다방향 밸브; 및
    상기 공기 압축기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제1 피드백 공기유동과, 상기 공기 냉각기의 배출단에서 상기 공기 압축기의 유입단으로 흐르는 제2 피드백 공기유동을 조절하기 위해, 상기 다방향 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는, 공기공급 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에서 소정 압력 이상의 압축 공기가 요구되면,
    상기 공기 압축기에서 배출되어 상기 공기 냉각기를 통과해 상기 연료전지 스택으로 유입되는 압축 공기의 적어도 일부가, 상기 제1 피드백 공기유동과 상기 제2 피드백 공기유동 중에서 적어도 어느 하나로 유동하도록, 상기 다방향 밸브를 제어하는, 공기공급 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료전지 스택에서 소정 압력 이상의 압축 공기가 요구되면,
    상기 연료전지 스택에서 요구되는 요구 공기압과, 상기 연료전지 스택에서 요구되는 요구 공기유량과, 상기 공기 압축기로 유입되는 공기 온도 중에서 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 제1 피드백 공기유동과 상기 제2 피드백 공기유동을 조절하기 위해 상기 다방향 밸브를 제어하는, 공기공급 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 상기 요구 공기유량이 기 설정된 유량값 미만이면,
    상기 제1 피드백 공기유동을 허용하고 상기 제2 피드백 공기유동은 허용하지 않거나, 또는 상기 제1 피드백 공기유동의 공기 유동량이 상기 제2 피드백 공기유동의 공기 유동량보다 크도록, 상기 다방향 밸브를 제어하는, 공기공급 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 요구 공기압이 기 설정된 압력값 이상이고, 상기 공기 압축기로 유입되는 공기 온도가 기 설정된 온도값 미만이면,
    상기 제2 피드백 공기유동을 허용하고 상기 제1 피드백 공기유동은 허용하지 않거나, 또는 상기 제2 피드백 공기유동의 공기 유동량이 상기 제1 피드백 공기유동의 공기 유동량보다 크도록 상기 다방향 밸브를 제어하는, 공기공급 시스템.
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