KR20220140080A - 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법에 관한 발명이 개시된다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치는: 내부에서 화학 반응을 통하여 전기를 생산하는 연료전지 스택; 연료전지 스택에서 발생되는 응축수를 저장하는 응축수트랩; 응축수트랩에 저장되는 응축수를 공급받는 응축수탱크; 응축수탱크에서 응축수를 공급받아 차량의 실내를 가습하는 가습기; 및 가습기를 지나는 응축수를 공급받아 차량의 실내를 냉난방하는 HVAC를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법{APPARATUS AND CONTROL METHOD OF CIRCULATING DRAIN WATER FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 차량 실내 습도 제어장치로 활용할 수 있도록 HVAC와 가습기로 공급하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치이다. 최근에는 연료전지 발전시스템이 실용화되고 있으며, 연료전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 화학 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택과 연료전지 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급장치 및 연료전지 스택의 수소극으로 수소를 공급하는 수소 공급장치가 포함된다.
연료전지 스택에서 발전을 하면 연료전지 스택 내부에서 생성수가 발생하고, 이들 중 일부는 농도차에 의해 전해질막을 통과하여 수소극으로 배출된다. 종래 기술에서는 연료전지 발전에서 발생되는 응축수를 배출하는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0126986호(2019.11.13 공개, 발명의 명칭: 응축수 제거가 가능한 연료전지)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 차량 실내 습도 제어장치로 활용할 수 있도록 HVAC와 가습기로 공급하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치는: 내부에서 화학 반응을 통하여 전기를 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 발생되는 응축수를 저장하는 응축수트랩; 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 공급받는 응축수탱크; 상기 응축수탱크에서 상기 응축수를 공급받아 차량의 실내를 가습하는 가습기; 및 상기 가습기를 지나는 상기 응축수를 공급받아 차량의 실내를 냉난방하는 HVAC를 포함한다.
본 발명에서 상기 응축수탱크와 상기 가습기를 연결하고, 상기 응축수탱크의 응축수를 상기 가습기로 이송하는 순환펌프를 더 포함한다.
본 발명에서 상기 순환펌프는 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 조건에 따라 상기 가습기로 상기 응축수를 이송시킨다.
본 발명에서 상기 응축수트랩의 출구에 배치되고, 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 배출시키는 드레인밸브를 더 포함한다.
본 발명에서 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 상기 연료전지 스택으로 재순환시키는 이젝터를 더 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법은: 연료전지 스택에서 화학 반응을 통하여 전기 생산시 발생되는 응축수를 응축수트랩에서 저장하는 응축수 저장 단계; 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 응축수탱크로 이송하는 응축수 이송 단계; 상기 응축수탱크에서 상기 응축수를 가습기로 공급하여 차량의 실내를 가습하는 가습 단계; 및 상기 가습기를 지나는 상기 응축수를 HVAC에서 공급받아 차량의 실내를 냉난방하는 냉난방 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 응축수탱크의 응축수는 순환펌프를 통해 상기 가습기로 이송된다.
본 발명에서 상기 순환펌프는 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 조건에 따라 상기 가습기로 상기 응축수를 이송시킨다.
본 발명에서 상기 응축수트랩의 출구에 배치되는 드레인밸브를 통해 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 배출시킨다.
본 발명에서 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 이젝터를 통해 상기 연료전지 스택으로 재순환시킨다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법에 의하면, 연료전지 스택에서 발생되는 응축수를 재활용함으로써, 차량 실내의 습도 및 냉난방을 위한 온도 조절이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 응축수를 재활용하여 차량 실내의 습도 및 냉난방 조절이 가능하여 에어컨 작동에 따른 에너지 소모와, 차량 실내의 불필요한 냉풍 토출을 방지할 수 있으며, 차량 실내의 쾌적성과 차량의 연비를 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법의 일 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치는 수소탱크(100), 수소탱크밸브(200), 조절기(300), 연료전지 스택(400), 응축수트랩(500), 드레인밸브(600), 이젝터(700), 응축수탱크(800), 순환펌프(900), 가습기(1000), HVAC(Heating, Ventilation & Air Conditioning, 공기조화기)(1100)을 포함한다.
본 발명에서 상술한 수소탱크(100), 수소탱크밸브(200), 조절기(300), 연료전지 스택(400), 응축수트랩(500), 드레인밸브(600), 이젝터(700), 응축수탱크(800), 순환펌프(900), 가습기(1000), HVAC(1100)는 차량에 장착된다.
수소탱크(100)는 설정량의 수소(H2)를 저장한다. 수소탱크밸브(200)는 수소탱크(100)에 저장된 수소를 개폐하여 조절기(300)로 전달시킬 수 있다. 수소탱크밸브(200)의 개폐 여부와 개폐 시간에 따라 조절기(300)로 전달되는 수소량을 조절한다.
조절기(300)는 수소탱크(100)의 수소를 수소탱크밸브(200)의 조절에 의해 공급받고, 산소(O2)의 양을 조절하여 연료전지 스택(400)으로 전달한다.
연료전지 스택(400)은 조절기(300)를 통해 공급된 수소와 산소를 내부에서 화학 반응을 일으켜, 전기를 생산한다. 연료전지 스택(400)에서 화학 반응을 통해 생산된 전기는 배터리(미도시)로 저장한다. 배터리에 저장된 전기는 필요에 따라 사용된다.
연료전기 스택(400)에서는 수소와 산소의 반응 중, 응축수가 발생된다. 연료전지 스택(400)에서 발생되는 응축수는 순수한 물(H20)로 이루어진다. 응축수트랩(500)은 연료전지 스택(400)에서 발생되는 응축수를 저장한다.
드레인밸브(600)는 응축수트랩(500)의 출구에 배치되고, 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 배출시킨다. 드레인밸브(600)의 개폐 여부에 따라 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수의 배출 여부가 결정된다. 드레인밸브(600)의 개방에 의해 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수가 배출된다.
이젝터(700)는 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 연료전지 스택(400)으로 재순환시킨다. 이젝터(700)는 차압과 유속에 의해 재순환력이 발생되는 기구부이다. 이젝터(33)는 응축수를 연료전지 스택(400)으로 재순환 및 재분사하여, 연료전지 스택(400)으로 유입되는 공기의 습도를 향상시킨다.
응축수탱크(800)는 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 공급받는다. 응축수탱크(800)는 응축수를 저장하고, 응축수탱크(800)에 저장된 응축수는 제어기(미도시)의 작동에 의해 가습기(1000) 또는 HVAC(1100)으로 응축수의 공급을 조절한다.
순환펌프(900)는 응축수탱크(800)와 가습기(1000)를 연결한다. 순환펌프(900)는 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 가습기(1000)로 이송한다. 순환펌프(900)는 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 상대적으로 고압으로 압축하여 가습기(1000)로 이송한다.
순환펌프(900)는 제어기의 작동에 의해 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 등의 조건에 따라 작동된다. 순환펌프(900)는 제어기의 작동에 의해 가습기(1000)로 고압의 응축수를 이송시킨다.
가습기(1000)는 응축수탱크(800)로부터 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 공급받아 차량의 실내로 수분을 공급하여 차량의 실내를 가습한다. 가습기(1000)는 고압의 응축수를 기체로 분사하는 노즐을 구비한다.
가습기(1000)에서 분사되는 기체 상태의 응축수는 차량 실내의 습도를 조절한다. 가습기(1000)는 설정된 습도로 차량의 실내 습도를 조절하여 차량 탑승자에게 적합한 습도를 제공할 수 있다.
HVAC(1100)는 가습기(1000)를 지나는 응축수를 공급받아 차량의 실내를 냉난방한다. HVAC(1100)와 가습기(1000)의 작동에 의해 차량의 습도 및 온도를 조절하여 차량 탑승자에게 적합한 환경을 제공할 수 있다.
가습기(1000)와 HVAC(1100)는 제어기의 작동에 의해 응축수의 공급이 조절되어 차량 실내의 습도 및 온도가 조절된다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법은 응축수 저장 단계(S10), 응축수 이송 단계(S20), 가습 단계(S30), 냉난방 단계(S40)를 포함한다.
응축수 저장 단계(S10)는 연료전지 스택(400)에서 화학 반응을 통하여 전기 생산시 발생되는 응축수를 응축수트랩(500)에서 저장한다.
연료전기 스택(400)에서는 수소와 산소의 반응 중, 응축수가 발생된다. 연료전지 스택(400)에서 발생되는 응축수는 순수한 물(H20)로 이루어진다. 응축수트랩(500)은 연료전지 스택(400)에서 발생되는 응축수를 저장한다.
응축수 이송 단계(S20)는 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 응축수탱크(800)로 이송한다. 응축수탱크(800)는 응축수트랩(500)과 연통되어, 응축수가 응축수트랩(500)에서 응축수탱크(800)로 이송된다.
본 발명에서 응축수트랩(500)의 출구에 배치되는 드레인밸브(600)를 통해 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 배출시킨다. 드레인밸브(600)는 응축수트랩(500)의 출구에 배치되고, 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 배출시킨다. 드레인밸브(600)의 개폐 여부에 따라 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수의 배출 여부가 결정된다. 드레인밸브(600)의 개방에 의해 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수가 배출된다.
응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 이젝터(700)를 통해 연료전지 스택(400)으로 재순환시킨다. 이젝터(700)는 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 연료전지 스택(400)으로 재순환시킨다. 이젝터(700)는 차압과 유속에 의해 재순환력이 발생되는 기구부이다. 이젝터(33)는 응축수를 연료전지 스택(400)으로 재순환 및 재분사하여, 연료전지 스택(400)으로 유입되는 공기의 습도를 향상시킨다.
응축수탱크(800)는 응축수트랩(500)에 저장되는 응축수를 공급받는다. 응축수탱크(800)는 응축수를 저장하고, 응축수탱크(800)에 저장된 응축수는 제어기의 작동에 의해 가습기(1000) 또는 HVAC(1100)으로 응축수의 공급을 조절한다.
가습 단계(S30)는 응축수탱크(800)에서 응축수를 가습기(1000)로 공급하여 차량의 실내를 가습한다.
응축수탱크(800)의 응축수는 순환펌프(900)를 통해 가습기(1000)로 이송된다. 순환펌프(900)는 응축수탱크(800)와 가습기(1000)를 연결한다. 순환펌프(900)는 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 가습기(1000)로 이송한다. 순환펌프(900)는 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 상대적으로 고압으로 압축하여 가습기(1000)로 이송한다.
순환펌프(900)는 제어기의 작동에 의해 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 등의 조건에 따라 작동된다. 순환펌프(900)는 제어기의 작동에 의해 가습기(1000)로 고압의 응축수를 이송시킨다.
가습기(1000)는 응축수탱크(800)로부터 응축수탱크(800)에 저장된 응축수를 공급받아 차량의 실내로 수분을 공급하여 차량의 실내를 가습한다. 가습기(1000)는 고압의 응축수를 기체로 분사하는 노즐을 구비한다.
가습기(1000)에서 분사되는 기체 상태의 응축수는 차량 실내의 습도를 조절한다. 가습기(1000)는 설정된 습도로 차량의 실내 습도를 조절하여 차량 탑승자에게 적합한 습도를 제공할 수 있다.
냉난방 단계(S40)는 가습기(1000)를 지나는 응축수를 HVAC(1100)에서 공급받아 차량의 실내를 냉난방한다.
HVAC(1100)는 가습기(1000)를 지나는 응축수를 공급받아 차량의 실내를 냉난방한다. HVAC(1100)와 가습기(1000)의 작동에 의해 차량의 습도 및 온도를 조절하여 차량 탑승자에게 적합한 환경을 제공할 수 있다.
가습기(1000)와 HVAC(1100)는 제어기의 작동에 의해 응축수의 공급이 조절되어 차량 실내의 습도 및 온도가 조절된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치 및 제어 방법에 의하면, 연료전지 스택에서 발생되는 응축수를 재활용함으로써, 차량 실내의 습도 및 냉난방을 위한 온도 조절이 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 응축수를 재활용하여 차량 실내의 습도 및 냉난방 조절이 가능하여 에어컨 작동에 따른 에너지 소모와, 차량 실내의 불필요한 냉풍 토출을 방지할 수 있으며, 차량 실내의 쾌적성과 차량의 연비를 개선시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 수소탱크 200: 수소공급밸브
300: 조절기 400: 연료전지 스택
500: 응축수트랩 600: 드레인밸브
700: 이젝터 800: 응축수탱크
900: 순환펌프 1000: 가습기
1100: HVAC

Claims (10)

  1. 내부에서 화학 반응을 통하여 전기를 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 발생되는 응축수를 저장하는 응축수트랩;
    상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 공급받는 응축수탱크;
    상기 응축수탱크에서 상기 응축수를 공급받아 차량의 실내를 가습하는 가습기; 및
    상기 가습기를 지나는 상기 응축수를 공급받아 차량의 실내를 냉난방하는 HVAC를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응축수탱크와 상기 가습기를 연결하고, 상기 응축수탱크의 응축수를 상기 가습기로 이송하는 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순환펌프는 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 조건에 따라 상기 가습기로 상기 응축수를 이송시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 응축수트랩의 출구에 배치되고, 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 배출시키는 드레인밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 상기 연료전지 스택으로 재순환시키는 이젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 장치.
  6. 연료전지 스택에서 화학 반응을 통하여 전기 생산시 발생되는 응축수를 응축수트랩에서 저장하는 응축수 저장 단계;
    상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 응축수탱크로 이송하는 응축수 이송 단계;
    상기 응축수탱크에서 상기 응축수를 가습기로 공급하여 차량의 실내를 가습하는 가습 단계; 및
    상기 가습기를 지나는 상기 응축수를 HVAC에서 공급받아 차량의 실내를 냉난방하는 냉난방 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 응축수탱크의 응축수는 순환펌프를 통해 상기 가습기로 이송되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 순환펌프는 설정된 차량의 실내의 온도, 습도 조건에 따라 상기 가습기로 상기 응축수를 이송시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 응축수트랩의 출구에 배치되는 드레인밸브를 통해 상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 배출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 응축수트랩에 저장되는 상기 응축수를 이젝터를 통해 상기 연료전지 스택으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 응축수 순환 제어 방법.
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