KR20220067902A - 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

Description

차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법{Fuel cell system for vehicle and controlling method thereof}
본 발명은 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법으로서, 특히, 중장비 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 스택은 공기 중의 산소 및 연료가스인 수소를 공급받아 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소 저장 탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기 중의 공기가 연료 전지의 공기극(cathode)으로 공급된다.
연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 차량에 적용된 연료전지 스택의 고분자 전해질 막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온 전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아지지만, 상대 습도가 낮은 반응 기체의 공급이 계속되면 고분자 전해질 막이 말라서 손상되므로, 고분자 전해질 막 연료전지에 있어서 그 공급되는 기체의 가습이 필수적으로 이루어져야 한다.
또한, 운전 중인 연료전지 스택은 생산되는 전력에 비례하여 열이 발생하고, 발생된 열로 인하여 연료전지 스택의 온도가 일정 이상으로 상승할 경우, 연료전지 스택에 치명적인 손상이 가해지기 때문에 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 냉각수의 온도가 일정 이상으로 상승하지 않도록 하는 것이 중요하다.
본 발명은 연료전지 스택에서 배출되는 고온의 냉각수를 별도의 냉각 장치 없이 안정적으로 조절 및 유지할 수 있는 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 조절하여 연료전지 스택이 안정적인 출력을 낼 수 있는 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 스택, 연료전지 스택에서 토출된 냉각수가 유입되는 가습부, 가습부로 공기를 공급하기 위한 공기공급부, 가습부를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입된 냉각수 및 공기공급부에서 공급된 공기의 열 교환이 이루어지도록 마련된 제1 열교환부, 및 제1 열교환부를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입되는 냉각수의 방열을 수행한 후 냉각수를 연료전지 스택으로 공급하도록 마련된 라디에이터를 포함하는, 차량용 연료전지 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 차량용 연료전지 시스템을 포함하는 차량이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 차량용 연료전지 시스템의 제어방법으로서, 연료전지 스택에서 배출되어 가습부를 통과한 냉각수 및 공기공급부에서 공급된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (a), 단계 (a)이후에 냉각수를 라디에이터에서 냉각시키는 단계 (b), 및 라디에이터를 통과한 냉각수 및 연료전지 스택에서 배출된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (c)를 포함하는, 차량용 연료전지 시스템의 제어방법이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
연료전지 스택에서 배출되는 냉각수의 온도를 조절하여 연료전지 스택이 안정적인 출력을 낼 수 있도록 한다.
또한, 연료전지 스택에서 배출되는 공기 및 연료전기 스택으로 인입되는 공기를 이용한 열 교환을 통해 냉각수의 온도를 하강시킴으로써, 냉각을 위한 별도의 냉각팬을 필요로 하지 않으며, 연료전지 시스템의 BOP 전력 소모를 줄이고, 전력 효율을 높일 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택에서 배출된 고온의 냉각수를 가습부에서 공기 가습 용도로 사용하며 1차 냉각하고, 라디에이터를 통과하는 과정에서 냉각수를 2차로 냉각시키고, 연료전지 스택에서 배출되는 공기와 열 교환을 통해 냉각수를 3차 냉각시킴으로써 별도의 냉각 장치 없이 냉각수의 온도를 안정적으로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 차량용 연료전지 시스템의 일 작동상태를 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템 및 이의 제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 차량용 연료전지 시스템(1)의 일 작동상태를 나타내는 구성도이다.
본 문서에서 연료전지 시스템은 차량에 적용될 수 있고, 특히, 중장비 차량 등과 같은 산업 차량에 적용이 가능하며, 예를 들어, 지게차, 견인 운반차, 전기카트, 팔레트카트 등에 적용될 수 있다.
본 문서에서 연료전지 스택(100)은 막-전극 어셈블리(MEA), 막-전극 어셈블리의 양측에 마련된 공기극(120, cathode) 및 연료극(110, anode)을 포함한다. 또한, 연료전지 스택(100)은 공기극(120)과 연료극(110) 사이에 냉각수가 순환하는 냉각부(130)를 포함한다.
연료전지 스택(100)의 냉각부(130)를 통과하는 냉각수는 연료전지 스택(100) 외부로 고온의 상태로 유출된 후, 연료전지(100) 스택 외부에서 냉각되어 다시 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)로 회수된다.
또한, 연료전지 스택(100)은 공기극(120)에서 고온 건조한 공기(배출 공기라고도 함)를 배출하며, 연료전지 스택(100)은 연료극(110)에서 미반응 수소로서의 고온 다습한 수소를 배출한다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 차량용 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(100), 가습부(10), 공기공급부(30), 제1 열교환부(20) 및 라디에이터(40)(radiator)를 포함한다.
구체적으로, 차량용 연료전지 시스템(1)은 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키도록 마련된 연료전지 스택(100), 연료전지 스택(100)에서 토출된 냉각수(C)가 유입되는 가습부(10) 및 가습부(10)로 공기(A)를 공급하기 위한 공기공급부(30)를 포함한다.
여기서, 가습부(10)는 연료전지 스택(100)에서 배출되는 냉각수에 의해 공기공급부(30)를 통해 공급되는 공기의 막 가습이 이루어지고, 그 가습된 공기를 연료전지 스택(100)의 공기극(120)으로 공급하도록 마련된다.
예를 들어, 가습부(10)는 공기가 냉각수로부터 수분을 공급받도록 마련된다. 예를 들어, 가습부(10)는 중공사막을 내장한 막 가습기로서 구비될 수 있고, 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)에서 배출되는 냉각수(C)가 유입되며, 공기 공급부(30)를 통해 공급되는 공기(A)가 유입되며, 공급 공기와 냉각수의 수분 교환을 통해 가습이 이루어진 가습 공기를 공기극(120) 측으로 배출하고, 1차 냉각이 이루어진 냉각수는 후술할 제1 열교환부(20)로 공급된다.
또한, 공기공급부(30)는 외기를 유입하여 연료전지 스택(100)의 공기극(120)으로 공급하기 위한 블로어(91)를 포함한다.
한편, 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(100)의 연료극(110)으로 수소를 공급하기 위한 수소공급부(도시되지 않음)것으로서, 수소공급부는 수소 가스를 연료극(110)으로 공급할 수 있는 수소 탱크를 포함할 수 있고, 수소 탱크는 공급라인을 통해 연료전지 스택(100)의 연료극(110)과 연결될 수 있다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 가습부(10)를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입된 냉각수 및 공기공급부에서 공급된 공기의 열 교환이 이루어지도록 마련된 제1 열교환부(20)를 포함한다.
제1 열교환부(20)를 통과하는 과정에서, 냉각수는 공기공급부(30)에서 공급된 공기와의 열 교환을 통해 2차 냉각이 이루어지고, 제1 열교환부(20)를 통과한 공기는 가습부(10)로 공급된다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 제1 열교환부(20)를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입되는 냉각수의 방열을 수행한 후 냉각수를 연료전지 스택(100)으로 공급하도록 마련된 라디에이터(40)를 포함한다.
즉, 라디에이터(40)를 통과하는 과정에서 대기와의 자연 방열을 통해 냉각수의 3차 냉각이 이루어진다. 구체적으로, 연료전지 스택(100)에서 배출된 냉각수(C)는 가습부(10), 제1 열교환부(20) 및 라디에이터(40)를 통과하는 과정에서, 차례로 3차에 걸쳐 냉각이 이루어진다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(100)에서 배출된 공기(배출 공기) 및 라디에이터(40)를 통과한 냉각수의 열 교환이 이루어지도록 마련된 제2 열교환부(50)를 추가로 포함할 수 있다.
제2 열교환부(50)를 통과하는 과정에서 냉각수는 연료전지 스택(100)에서 배출된 공기(배출 공기)와의 열 교환을 통해 4차 냉각이 이루어지고, 제2 열교환부(20)를 통과한 공기는 대기로 배출되도록 마련된다. 미설명 부호 L는 대기 중으로 공기를 배출하기 위한 벤트(vent)를 나타낸다.
즉, 제2 열교환부(50)를 통과한 공기는 대기(L)로 배출되고, 공기공급부(30)로부터 공급되어 가습부(10)에서 토출된 공기는 연료전지 스택(100)의 공기극(120)으로 공급되도록 마련된다.
또한, 제1 열교환부(20)를 통과한 냉각수는 라디에이터(40)로 공급되도록 마련될 수 있다. 상기 라디에이터(40)는 외부 대기와 접촉하는 위치에 마련될 수 있으며, 냉각수가 라디에이터(40)를 통과 시 외부 대기와 열 교환을 통해 자연 냉각될 수 있다.
정리하면, 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)에서 토출된 냉각수는 가습부(10), 제1 열교환기(20), 라디에이터(40) 및 제2 열교환부(50)를 차례로 통과한 후, 다시 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)로 회수된다.
예를 들어, 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)에서 토출된 냉각수의 온도는 약 약 60℃이고, 연료전지 스택(100)의 냉각부(130)로 회수되는 냉각수의 온도는 약 40℃이다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 공기공급부(30) 및 제1 열교환부(20) 사이의 공기의 유동경로 상에 배치되는 에어 필터(60)를 포함할 수 있다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 라디에이터(40) 및 연료전지 스택(100) 사이의 냉각수 유동 경로 상에 배치된 제1 필터(70)를 포함할 수 있으며, 구체적으로 제1 필터(70)는 제2 열교환기(50) 및 연료전지 스택(100) 사이의 냉각수 유동 경로 상에 배치될 수 있다.
또한, 차량용 연료전지 시스템(1)은 제1 필터(70)를 통과한 냉각수를 저장하도록 마련된 냉각수 탱크(80)를 포함할 수 있다.
한편, 냉각수가 순환하는 라인 상에는 냉각수 펌프(92)가 마련될 수 있다. 상기 냉각수 펌프(92)는 제2 열교환부(50) 및 연료전지 스택(100) 사이에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 냉각수 탱크(80) 및 연료전지 스택(100) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 냉각수 펌프(92)는 1 ~ 5V 제어신호로 작동되며, 연료전지 스택(100)에서 냉각수의 토출 및 회수 온도차(dT)로 제어될 수 있다. 전술한 바와 같이, 냉각수의 목표 온도는 연료전지 스택 투입 시 약 50℃ 연료전지 스택으로부터 토출 시 60℃이며, 이때 dT가 커지면 높은 출력으로 냉각수 펌프가 운전되고, dT가 작아지면 낮은 출력으로 냉각수 펌프가 운전될 수 있다.
또한, 공급공급부(30) 및 연료전지 스택(100)의 공기극(120)을 연결하는 공기 공급라인 상에, 특히, 제1 열교환부(20) 및 가습부(10) 사이에 블로어(91)가 배치될 수 있다. 상기 블로어(91)는 공기극에 공기를 공급하는 기능을 수행하며, 연료전지 스택(100)은 출력이 증가함에 따라 수소나, 공기 공급이 비례하여 증가되고, 이때 연료전지 스택(100)의 출력의 필요에 맞도록 공기 공급(유량)이 조절될 수 있다.
한편, 차량용 연료전지 시스템(1)은 라디에이터(40)에 장착된 히터(41)를 포함할 수 있다. 히터(41)는 냉각수를 냉각(자연 냉각)시킬 때는 라디에이터(40)의 열교환 면적을 증가시키기 위한 방열판의 용도로 사용될 수 있고, 겨울철 혹한과 같은 상황에는 차량의 파워팩에 포함된 배터리의 전력을 이용하여 구동되어, 시스템의 결빙을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 차량용 연료전지 시스템의 제어방법(이하, 제어방법이라고 약칭함)을 제공한다.
상기 제어방법은, 연료전지 스택에서 배출되어 가습부(10)를 통과한 냉각수 및 공기공급부(30)에서 공급된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (a), 단계 (a)이후에 냉각수를 라디에이터(40)에서 냉각시키는 단계 (b) 및 라디에이터(40)를 통과한 냉각수 및 연료전지 스택(100)에서 배출된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (c)를 포함한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 차량용 연료전지 시스템
10: 가습부
20: 제1 열교환부
30: 공기공급부
40: 라디에이터
50: 제2 열교환부
60: 에어필터
70: 제1 필터
80: 냉각수 탱크
100: 연료전지 스택

Claims (11)

  1. 연료전지 스택;
    연료전지 스택에서 토출된 냉각수가 유입되는 가습부;
    가습부로 공기를 공급하기 위한 공기공급부;
    가습부를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입된 냉각수 및 공기공급부에서 공급된 공기의 열 교환이 이루어지도록 마련된 제1 열교환부; 및
    제1 열교환부를 통과한 냉각수가 유입되며, 유입되는 냉각수의 방열을 수행한 후 냉각수를 연료전지 스택으로 공급하도록 마련된 라디에이터를 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료전지 스택에서 배출된 공기 및 라디에이터를 통과한 냉각수의 열 교환이 이루어지도록 마련된 제2 열교환부를 추가로 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제1 열교환부를 통과한 공기는 가습부를 통과하고, 제2 열교환기에서 토출된 공기는 대기로 배출되도록 마련된, 차량용 연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    가습부에서, 가습부를 통과하는 공기는 가습부를 통과하는 냉각수로부터 수분을 공급받도록 마련된, 차량용 연료전지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    공기공급부 및 제1 열교환부 사이의 공기의 유동경로 상에 배치되는 에어 필터를 추가로 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    제1 열교환부를 통과한 냉각수는 라디에이터로 공급되도록 마련된, 차량용 연료전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    라디에이터 및 연료전지 스택 사이의 냉각수 유동 경로 상에 배치된 제1 필터를 추가로 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제1 필터를 통과한 냉각수를 저장하도록 마련된 냉각수 탱크를 추가로 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    라디에이터에 장착된 히터를 추가로 포함하는, 차량용 연료전지 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 차량용 연료전지 시스템을 포함하는 차량.
  11. 제 1 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 차량용 연료전지 시스템의 제어방법으로서,
    연료전지 스택에서 배출되어 가습부를 통과한 냉각수 및 공기공급부에서 공급된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (a);
    단계 (a)이후에 냉각수를 라디에이터에서 냉각시키는 단계 (b); 및
    라디에이터를 통과한 냉각수 및 연료전지 스택에서 배출된 공기의 열 교환을 수행하는 단계 (c)를 포함하는, 차량용 연료전지 시스템의 제어방법.
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