KR20220144099A - 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에서 발생할 수 있는 플러딩 현상을 방지하기 위한 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 승온시킴으로써 스택 내 잔류 응축수를 원활하게 배출시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치 {Condensate water discharge control device for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 스택의 캐소드측에서 발생할 수 있는 플러딩 현상을 방지하기 위한 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.

연료전지를 이용한 연료전지 시스템은, 연료인 수소와 산화제인 공기를 이용하여 전기를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급계와, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소 공급계, 및 시스템의 전반적인 제어를 담당하는 제어기를 구비한다.

상기 연료전지 스택은 적층된 복수의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 수소와 공기 및 냉각수 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 또한, 각각의 셀은 전해질에 의하여 분리된 애노드(anode)와 캐소드(cathode)의 두 전극을 구비하며 분리판에 의하여 서로 분리된다.

이러한 연료전지 스택은 수소와 산소의 반응에 의하여 전기를 생성할 때 반응 부산물로 수분(응축수)이 발생하게 되며, 연료전지 스택 내 수분은 스택 운전 중에 공기 또는 수소와 함께 스택 외부로 배출된다.

그런데, 연료전지 스택이 운전되는 동안 스택에서 반응 부산물로 생성된 수분을 적절하게 관리하지 못하는 경우 스택의 내구성이 저하되고 운전 안정성이 악화된다.

예를 들어, 스택의 저출력 운전 시 스택의 캐소드로 공급되는 공기량이 고출력 운전 시 대비 상대적으로 감소하게 되는데, 이때 공기 공급량이 감소됨에 따라 스택 내 응축수가 원활하게 배출되지 못함으로 인하여 캐소드의 플러딩 현상이 발생할 수 있다.

또한, 스택의 저출력 운전 중 급가속을 하게 되는 경우, 스택 내부에 잔류하고 있는 응축수에 의하여 스택의 출력 응답이 지연될 수 있으며 그에 따른 주행 이질감이 발생하게 된다.

기존에는 스택 내 응축수의 원활한 배출을 위하여 스택으로 공급되는 공기량을 증가시켜 액적 상태로 응축수의 배출을 유도하였으나, 이 경우 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급계의 구성 중 하나인 공기압축기의 동력 소모량이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 승온시킴으로써 스택 내 잔류 응축수를 원활하게 배출시킬 수 있도록 한, 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

이에 본 발명은: 연료전지 스택으로 공기를 압축하여 공급하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 하류에 배치되어 연료전지 스택으로 공급되는 압축 공기를 냉각하는 인터쿨러; 상기 공기압축기와 인터쿨러 사이에 배치되어, 공기압축기를 통과한 냉각수를 인터쿨러의 상류쪽으로 유동시키거나 또는 인터쿨러의 하류쪽으로 유동시키는, 바이패스 밸브; 및 상기 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 공기압축기를 통과한 냉각수를 선택적으로 상기 인터쿨러의 하류쪽으로 유동시키는, 제어유닛;을 포함하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치를 제공한다.

구체적으로 상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 정해진 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 공기압축기를 통과한 냉각수가 인터쿨러를 우회하여 인터쿨러의 하류쪽으로 유동하도록 상기 바이패스 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 바이패스 밸브는; 공기압축기의 냉각수출구쪽에 연결되는 인렛포트; 상기 인렛포트와 냉각수유동가능하게 연결되고, 상기 인터쿨러의 냉각수입구쪽에 연결되는, 제1아웃렛포트; 및 상기 인렛포트와 냉각수유동가능하게 연결되고, 상기 인터쿨러의 냉각수출구쪽에 연결되는, 제2아웃렛포트;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 상기 제2아웃렛포트를 개방시키고 제1아웃렛포트를 폐쇄시킴으로써 상기 공기압축기를 통과한 냉각수가 인터쿨러를 우회하여 인터쿨러의 냉각수출구쪽으로 유동하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도 이상이면, 바이패스 밸브를 제1아웃렛포트가 개방되고 제2아웃렛포트가 폐쇄된 상태로 작동시킴으로써 공기압축기를 통과한 냉각수를 인터쿨러의 냉각수입구쪽으로 유동시키는 것을 특징으로 하며, 또한 이때 라디에이터 외부의 대기 유량을 제어하는 라디에이터 팬과 라디에이터 내부의 냉각수 유량을 제어하는 전장냉각펌프를 최소 회전속도로 구동시킴으로써 전장부품으로부터 발생한 열을 흡수하는 냉각수의 방열을 최소화하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 이상인 경우에는, 연료전지 스택의 상대습도 추정값이 정해진 상대습도 목표값보다 크면, 상기 바이패스 밸브의 제2아웃렛포트를 개방시키고 제1아웃렛포트를 폐쇄시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 이상인 경우, 연료전지 스택의 상대습도 추정값이 상기 상대습도 목표값 이하이면, 바이패스 밸브를 제1아웃렛포트가 개방되고 제2아웃렛포트가 폐쇄된 상태로 작동시키는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제의 해결 수단에 의하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

첫째, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 승온을 통하여 스택 내 잔류 응축수의 증발 배출을 유도할 수 있으며, 그에 따라 연료전지 스택의 캐소드측에서 발생하는 플러딩 현상을 방지할 수 있으며 상기 플러딩 현상을 방지함으로 인한 내구 증대 효과를 얻을 수 있다.

둘째, 연료전지 스택의 저출력 운전 중 급가속 시 스택 내부 잔류 응축수에 의하여 스택의 출력 응답이 지연되는 것을 최소화할 수 있으며, 스택의 출력 응답 지연으로 인한 주행 이질감을 개선할 수 있다.

셋째, 기존에 공기 공급량을 증가시켜 액적 상태로 응축수 배출을 유도하는 기술 대비 공기압축기의 동력 소모량을 감소시킬 수 있다.

넷째, 전장냉각펌프 및 라디에이터 팬을 최저 속도로 제어함으로써 전장부품의 폐열이 라디에이터를 통해 방열되는 것을 최소화하면서 전장부품의 폐열을 이용하여 압축 공기를 효율적으로 승온시킬 수 있으며, 아울러 전장냉각펌프 및 라디에이터 팬의 동력 소모량을 감소시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치가 적용된 차량의 전장 냉각계를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 방법을 도시한 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치에 관한 것으로, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 간접적으로 승온시켜 스택에 공급함으로써 스택 내 응축수의 원활한 배출을 유도하기 위한 것이다.

첨부한 도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치가 적용된 차량의 전장 냉각계를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 방법을 도시한 것이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 차량의 전장 냉각계는 연료전지 스택(10)의 공기 공급계에 연결되어 있다. 구체적으로, 상기 전장 냉각계는 상기 공기 공급계를 구성하는 공기압축기(11)와 인터쿨러(12)에 냉각수 유동가능하게 연결되어 있다.

연료전지 스택(10)의 공기 공급계는 상기 공기압축기(11)와 인터쿨러(12) 외에 에어필터(13)와 가습기(14) 및 공기차단밸브(15)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 에어필터(13)는 공기압축기(11)가 흡입하는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 역할을 하고, 상기 가습기(14)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 선택적으로 가습하는 역할을 하고, 상기 공기차단밸브(15)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기 및 연료전지 스택(10)에서 배출되는 공기의 유동을 선택적으로 차단하는 역할을 한다.

상기 공기압축기(11)는 연료전지 스택(10)으로 공급하기 위한 공기를 압축하여 연료전지 스택(10)으로 내보내며, 상기 공기압축기(11)에서 배출된 압축 공기는 공기 공급계에서 공기압축기(11)의 하류에 배치된 인터쿨러(12)에 유입된다.

상기 공기압축기(11)에서 배출된 압축 공기는 압축 과정에서 생기는 열에 의해 압축 전 대비 승온되어 고온 상태가 되며, 이러한 압축 공기는 인터쿨러(12)에 의하여 냉각된 뒤 연료전지 스택(10)측으로 유동된다.

상기 인터쿨러(12)는 전장 냉각계의 냉각수를 이용한 열교환에 의하여 공기압축기(11)에서 승온된 압축 공기를 냉각시키도록 구성된다.

한편, 상기 공기압축기(11)에서 압축된 고온의 공기는 인터쿨러(12)에서 냉각되지 않은 상태로 연료전지 스택(10)에 공급될 수도 있으며, 이를 위하여 전장 냉각계에는 공기압축기(11)를 통과한 냉각수의 유동을 제어하는 바이패스 밸브(20)가 설치된다.

상기 바이패스 밸브(20)는, 공기압축기(11)와 인터쿨러(12) 사이의 냉각라인에 배치되어 공기압축기(11)를 통과한 냉각수의 유동을 제어하도록 구성되며, 구체적으로 공기압축기(11)의 냉각수출구와 인터쿨러(12)의 냉각수입구 사이에 연결된 냉각라인에 설치된다.

바이패스 밸브(20)는, 전자식으로 제어되는 3웨이 밸브일 수 있으며, 구체적으로 공기압축기(11)를 통과하여 유입된 냉각수를 인터쿨러(12)의 상류쪽으로 유동시키거나 또는 인터쿨러(12)의 하류쪽으로 유동시키는 3웨이 밸브로 구성될 수 있다.

좀더 구체적으로 바이패스 밸브(20)는, 공기압축기(11)의 냉각수출구쪽에 연결되는 인렛포트(21)와, 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽에 연결되는 제1아웃렛포트(22), 및 인터쿨러(12)의 냉각수출구쪽에 연결되는 제2아웃렛포트(23)를 포함하여 구성된다.

상기 인렛포트(21)는, 공기압축기(11)의 냉각수출구에 연결되어 공기압축기(11)에서 냉각수출구를 통해 배출되는 냉각수를 공급받게 된다.

상기 제1아웃렛포트(22)는, 인렛포트(21)와 냉각수 유동가능하게 연결되고, 인렛포트(21)를 통하여 공급된 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 내보내게 된다. 제1아웃렛포트(22)는 제어유닛(40)에 의하여 개방되는 경우 냉각수를 배출할 수 있다.

상기 제2아웃렛포트(23) 역시 인렛포트(21)와 냉각수 유동가능하게 연결되며, 인렛포트(21)를 통하여 공급된 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수출구쪽으로 배출하게 된다. 제2아웃렛포트(23) 역시 제어유닛(40)에 의하여 개방되는 경우 냉각수를 배출할 수 있다.

이와 같이 구성되는 바이패스 밸브(20)는, 제1아웃렛포트(22)가 개방되고 제2아웃렛포트(23)는 폐쇄되는 경우 인렛포트(21)를 통해 유입된 냉각수를 제1아웃렛포트(22)를 통해 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 유동시키게 되고, 제2아웃렛포트(23)가 개방되고 제1아웃렛포트(22)는 폐쇄되는 경우 인렛포트(21)를 통해 유입된 냉각수를 제2아웃렛포트(23)를 통해 인터쿨러(12)의 냉각수출구쪽으로 유동시키게 된다.

바이패스 밸브(20)의 제1아웃렛포트(22)가 개방되는 경우, 공기압축기(11)를 통과한 냉각수는 인터쿨러(12)로 유입되어 압축 공기와 열교환을 한 뒤 라디에이터(32)의 상류측으로 흐르게 된다.

반면, 바이패스 밸브(20)의 제2아웃렛포트(23)가 개방되는 경우, 공기압축기(11)를 통과한 냉각수는 인터쿨러(12)를 우회함으로써 압축 공기와 열교환을 하지 않고 라디에이터(32)의 상류측으로 바로 흐르게 된다.

상기 라디에이터(32)에 유입된 냉각수는 라디에이터(32)를 통해 방열되어 냉각될 수 있다.

상기 라디에이터(32)의 외측에는 라디에이터(32) 주변의 대기 유량을 제어하기 위한 라디에이터 팬(33)이 장착되며, 상기 냉각수는 전장 냉각계에 설치된 전장냉각펌프(31)를 통해 전장냉각라인에 유동된다.

상기 라디에이터 팬(33)과 전장냉각펌프(31)는, 작동속도에 따라 각각 대기 유량 및 냉각수 유량을 제어할 수 있으며, 그에 따라 라디에이터(32)의 냉각수 방열량을 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 라디에이터 팬(33)은 회전속도(rpm)가 높아짐에 따라 라디에이터(32) 외부를 지나는 대기 유량을 증가시킬 수 있으며, 상기 전장냉각펌프(31)는 회전속도가 높아짐에 따라 라디에이터(32) 내부를 통과하는 냉각수 유량을 증가시킬 수 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 전장냉각라인에는 라디에이터(32)와 전장냉각펌프(31) 외에 냉각대상인 차량 전장부품들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 전장부품은 모터(34)와 인버터(35)와 압축기제어기(36) 및 DC-DC 컨버터(37) 등이 있다.

또한 다른 예로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 전장냉각라인에는 냉각대상으로서 시스템 전장부품들만 배치될 수도 있다. 예를 들어, 상기 시스템 전장부품은 압축기제어기(36) 및 DC-DC 컨버터(37) 등이 있다.

한편 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스 밸브(20)와 라디에이터 팬(33) 및 전장냉각펌프(31) 등은 압축 공기의 승온을 위하여 제어유닛(40)에 의해 작동 제어될 수 있다.

상기 제어유닛(40)은 차량 내 구비되어 있는 제어기 중에 하나일 수 있으며, 예를 들어 라디에이터 팬(33)과 전장냉각펌프(31)의 작동을 제어하기 위하여 기구비되어 있는 차량 내 제어기일 수 있다.

제어유닛(40)은 바이패스 밸브(20)의 개폐 작동과 라디에이터 팬(33) 및 전장냉각펌프(31)의 회전속도 등을 제어할 수 있다.

제어유닛(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)의 운전이 시작되면(S100), 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기의 승온 제어가 필요한지 여부를 판단하기 위하여, 운전자 요구출력 정보와 공기압축기(11) 하류의 공기 온도 및 냉각수 온도 정보 그리고 연료전지 스택(10)의 상대습도값 정보를 확보한다(S110).

상기 운전자 요구출력은 운전자가 차량 운행을 위하여 요구하는 연료전지 스택(10)의 출력이며, 예를 들어 운전자가 가속페달을 밟는 정도에 따라 운전자 요구출력이 발생할 수 있다.

공기압축기(11) 하류의 공기 온도는 공기압축기(11)의 공기출구와 인터쿨러(12)의 공기입구 사이에 설치된 공기온도센서로부터 취득할 수 있으며, 공기압축기(11) 하류의 냉각수 온도는 공기압축기(11)의 냉각수출구와 인터쿨러(12)의 냉각수입구 사이에 설치된 냉각수온도센서로부터 취득할 수 있다.

연료전지 스택(10)의 상대습도값은 사전 구성된 상대습도 추정기로부터 취득할 수 있다. 연료전지 스택(10) 내부의 잔류 응축수량을 직접 측정하는 것은 불가능하므로, 상기 상대습도 추정기를 통해 연료전지 스택(10)의 상대습도값을 추정하여 결정하고, 그렇게 결정한 상대습도 추정값을 사용하여 스택(10) 내부가 플러딩 상태인지 아니면 드라잉 상태인지를 판단할 수 있다.

상기 상대습도 추정기는, 연료전지 스택(10)의 입구측 공기 압력과 출구측 공기 압력, 연료전지 스택(10) 내 냉각수 온도, 및 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 기반으로 연료전지 스택(10)의 상대습도값을 추정하여 결정하도록 구성될 수 있다.

이러한 상대습도 추정기는 연료전지 시스템의 제어기상에 구비될 수 있으며, 이 경우 제어유닛(40)은 연료전지 시스템의 제어기로부터 상대습도 추정값을 수신하여 획득할 수 있다.

연료전지 스택(10)의 입구측 공기 압력과 출구측 공기 압력은 연료전지 스택(10)의 공기입구와 공기출구에 각각 설치된 공기압력센서로부터 수집 가능하고, 연료전지 스택(10) 내 냉각수 온도는 연료전지 스택(10)의 냉각수출구에 설치된 냉각수온도센서로부터 수집 가능하며, 연료전지 스택(10)의 출력 전류는 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 측정하는 전류센서로부터 수집 가능하다.

제어유닛(40)은, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기의 승온 제어가 필요한지 여부를 판단하기 위한 정보를 모두 수집하면, 먼저 운전자 요구출력을 사전에 정해진 기준출력(A)과 비교한다(S120).

운전자 요구출력이 낮은 경우, 즉 운전자 요구출력이 상기 기준출력(A) 미만인 경우, 전기 생성을 위하여 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기 유량이 적어지며, 그에 따라 연료전지 스택(10)에서 액적으로 배출되는 웅축수량이 감소하고, 스택(10) 내부는 플러딩 상태가 되어 내구성 및 운전 안정성이 악화된다.

따라서 제어유닛(40)은, 운전자 요구출력이 기준출력(A) 미만이면 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기의 승온 제어를 실시하여 스택(10) 내 잔류 응축수의 증발 배출을 유도하되, 상기 압축 공기의 승온 제어 방식을 결정하기 위하여 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도와 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도를 비교한다(S130).

한편, 연료전지 스택(10)의 내구 증대를 목적으로 하는 전압 상한 제어를 실시하는 경우, 잉여에너지를 최소화하기 위하여 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 저유량 제어를 실시할 수 있으며, 이 경우 스택(10) 내부는 플러딩 상태에 진입하게 된다.

따라서 상기 기준출력(A)은, 연료전지 스택(10)의 전압이 상한값에 도달하는 출력값으로 설정될 수 있으며, 스택(10)의 셀 전압 편차 또는 비율을 바탕으로 한 열화도를 고려하여 추가 캘리브레이션(calibration)이 가능한 변수로 정해질 수 있다. 예를 들어, 스택(10)의 성능 열화 정도에 따라 상기 기준출력(A) 값은 낮아질 수 있다.

다음 상기 S130 단계에서 비교한 결과, 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 제어유닛(40)은 공기압축기(11)를 통과한 공기압축기(11) 하류의 냉각수가 인터쿨러(12)를 우회하여 인터쿨러(12)의 하류쪽으로 유동되도록 바이패스 밸브(20)를 제어한다.

구체적으로 제어유닛(40)은, 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 바이패스 밸브(20)의 제2아웃렛포트(23)를 개방시키고(S150) 제1아웃렛포트(22)를 폐쇄시킴으로써 공기압축기(11)를 통과한 냉각수가 인터쿨러(12)를 우회하여 인터쿨러(12)의 냉각수출구쪽으로 유동하도록 한다.

이러한 바이패스 밸브(20)의 작동 제어를 통하여 공기압축기(11) 하류의 냉각수가 인터쿨러(12)를 우회하여 라디에이터(32)의 상류쪽으로 이동하도록 함으로써 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기가 인터쿨러(12)를 통과하는 냉각수에 의하여 과하게 냉각되는 것을 방지할 수 있으며, 결과적으로 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기를 간접적으로 승온시킨 효과를 얻을 수 있다.

또한 운전자 요구출력이 높은 경우에는, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기 유량이 부족하지는 않으나, 주행 패턴에 따라 스택(10) 내부는 플러딩 상태 또는 드라잉 상태가 될 수 있다.

따라서 운전자 요구출력이 높은 경우, 즉 상기 S120 단계에서 비교한 결과 운전자 요구출력이 상기 기준출력(A) 이상인 경우, 스택(10) 내부 상태를 판별하기 위하여 연료전지 스택(10)의 상대습도 추정값을 사전에 정해진 상대습도 목표값(B)과 비교하고(S140), 그 비교 결과에 따라 바이패스 밸브(20)의 작동을 제어한다.

여기서, 상기 상대습도 목표값(B)은 연료전지 성능 모델을 바탕으로 최대 성능이 구현되는 상대습도값으로 설정할 수 있으며, 이때 상대습도 목표값(B)은 상기 연료전지 성능 모델의 부정확성을 감안하여 사전 평가를 통한 결과를 기반으로 한 캘리브레이션이 가능하다.

상기 S140 단계에서 비교한 결과 연료전지 스택(10)의 상대습도 추정값이 상대습도 목표값(B)보다 크면, 제어유닛(40)은 스택(10) 내 잔류 응축수의 증발 배출이 필요한 것으로 판단하여, 바이패스 밸브(20)의 제2아웃렛포트(23)를 개방시키고(S150) 제1아웃렛포트(22)를 폐쇄시킴으로써 공기압축기(11)를 통과한 냉각수가 인터쿨러(12)를 우회하여 인터쿨러(12)의 냉각수출구쪽으로 유동하도록 한다.

또한 상기 S130 단계에서 비교한 결과 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도 이상이면, 바이패스 밸브(20)는 제1아웃렛포트(22)가 개방되고 제2아웃렛포트(23)가 폐쇄된 상태(즉, 기본 작동 상태)로 작동됨으로써 공기압축기(11)를 통과한 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 유동시킨다.

바이패스 밸브(20)는 평상시(예를 들어, 압축 공기의 승온 제어가 불필요한 경우) 제1아웃렛포트(22)가 개방되고 제2아웃렛포트(23)가 폐쇄된 기본 작동 상태를 유지할 수 있다.

따라서 제어유닛(40)은, 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도 이상이면, 바이패스 밸브(20)의 기본 작동 상태를 유지시킴으로써 공기압축기(11)를 통과한 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 유동시킨다.

또한 상기 S130 단계에서 비교한 결과 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도 이상이나, 바이패스 밸브(20)가 기본 작동 상태가 아닌 경우, 다시 말해 바이패스 밸브(20)의 실시간 작동 상태가 제2아웃렛포트(23)가 개방되고 제1아웃렛포트(22)가 폐쇄된 상태이면, 제어유닛(40)은 제1아웃렛포트(22)를 개방시키고 제2아웃렛포트(23)를 폐쇄시킴으로써 바이패스 밸브(20)가 공기압축기(11)를 통과한 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 유동시킬 수 있도록 한다.

상기와 같이 공기압축기(11)의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기(11)의 하류쪽 공기 온도 이상인 경우, 바이패스 밸브(20)가 냉각수를 인터쿨러(12)의 냉각수입구쪽으로 유동시키면, 전장부품들의 폐열이 인터쿨러(12)에서 냉각수를 통하여 압축 공기에 전달될 수 있으며, 그에 따라 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기를 승온시킬 수 있다.

또한 이때 제어유닛(40)은 라디에이터 팬(33)과 전장냉각펌프(31)를 최소 회전속도로 구동시킴으로써(S160) 전장부품에서 발생한 열이 라디에이터(32)를 통해 방열되는 것을 최소화할 수 있으며, 그에 따라 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기를 보다 효율적으로 승온시킬 수 있다. 여기서, 상기 최소 회전속도는 라디에이터 팬(33) 및 전장냉각펌프(31)의 구동 정지를 방지하기 위한 최저 속도일 수 있다.

예를 들어, 연료전지 스택(10)의 고출력 운전 후 급감속 시, 바이패스 밸브(20)의 제1아웃렛포트(22)를 개방시킨 상태로 라디에이터 팬(33)과 전장냉각펌프(31)를 최저 속도를 작동시킴으로써, 전장부품에서 발생한 열이 라디에이터(32)를 통해 방열되는 것을 최소화하면서 연료전지 스택(10)으로 공급되는 압축 공기를 효율적으로 승온시킬 수 있다.

한편 제어유닛(40)은, 상기 S140 단계에서 비교한 결과 연료전지 스택(10)의 상대습도 추정값이 상대습도 목표값(B) 이하이면, 바이패스 밸브(20)를 제1아웃렛포트(22)가 개방되고 제2아웃렛포트(23)가 폐쇄된 상태로 작동시키고, 압축 공기의 승온 제어가 필요한지 여부를 판단하기 위한 정보를 다시 취득한다(S110).

이와 같이 본 발명은 바이패스 밸브(20)와 전장냉각펌프(31) 및 라디에이터 팬(33)의 작동 제어를 통해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기의 온도를 승온시킴으로써, 연료전지 스택(10)의 캐소드측에 잔류하는 응축수의 증발 배출을 유도할 수 있으며, 그에 따라 연료전지 스택(10)의 아이들 운전 및 저출력 운전 시 캐소드측에서 발생하는 플러딩 현상을 방지할 수 있고, 상기 플러딩 현상의 방지를 통해 스택(10)의 내구 증대 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 상기 플러딩 현상을 개선함으로써 연료전지 스택(10)의 저출력 운전 중 급가속 시 스택(10) 내 잔류 응축수에 의하여 스택(10)의 출력 응답이 지연되는 것을 최소화할 수 있으며, 스택(10)의 출력 응답 지연으로 인한 주행 이질감을 개선할 수 있다.

예를 들어, 도심과 같이 저속 및 정지 운전이 반복되는 도로에서 공기 유량 부족으로 인해 연료전지 스택(10)의 플러딩 현상이 발생한 경우, 상기와 같은 방법으로 스택(10) 내 잔류 응축수를 증발 배출시키는 것이 가능하며, 스택(10) 내 잔류 응축수에 의한 스택(10)의 출력 응답 지연 현상을 최소화할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예일뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 연료전지 스택 11 : 공기압축기 12 : 인터쿨러 13 : 에어필터 14 : 가습기 15 : 공기차단밸브 20 : 바이패스 밸브 21 : 인렛포트 22 : 제1아웃렛포트 23 : 제2아웃렛포트 31 : 전장냉각펌프 32 : 라디에이터 33 : 라디에이터 팬 34 : 모터 35 : 인버터 36 : 압축기제어기 37 : DC-DC 컨버터 40 : 제어유닛

Claims (8)

1. 연료전지 스택으로 공기를 압축하여 공급하는 공기압축기;상기 공기압축기의 하류에 배치되어 연료전지 스택으로 공급되는 압축 공기를 냉각하는 인터쿨러; 상기 공기압축기와 인터쿨러 사이에 배치되어, 공기압축기를 통과한 냉각수를 인터쿨러의 상류쪽으로 유동시키거나 또는 인터쿨러의 하류쪽으로 유동시키는, 바이패스 밸브; 및 상기 바이패스 밸브를 제어함으로써 상기 공기압축기를 통과한 냉각수를 선택적으로 상기 인터쿨러의 하류쪽으로 유동시키는, 제어유닛;을 포함하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 정해진 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 공기압축기를 통과한 냉각수가 인터쿨러를 우회하여 인터쿨러의 하류쪽으로 유동하도록 상기 바이패스 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
3. 청구항 1에 있어서,상기 바이패스 밸브는; 공기압축기의 냉각수출구쪽에 연결되는 인렛포트;상기 인렛포트와 냉각수유동가능하게 연결되고, 상기 인터쿨러의 냉각수입구쪽에 연결되는, 제1아웃렛포트; 및 상기 인렛포트와 냉각수유동가능하게 연결되고, 상기 인터쿨러의 냉각수출구쪽에 연결되는, 제2아웃렛포트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
4. 청구항 3에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 정해진 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도보다 낮으면, 상기 제2아웃렛포트를 개방시키고 제1아웃렛포트를 폐쇄시킴으로써 상기 공기압축기를 통과한 냉각수가 인터쿨러를 우회하여 인터쿨러의 냉각수출구쪽으로 유동하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
5. 청구항 4에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도 이상이면, 바이패스 밸브를 제1아웃렛포트가 개방되고 제2아웃렛포트가 폐쇄된 상태로 작동시킴으로써 공기압축기를 통과한 냉각수를 인터쿨러의 냉각수입구쪽으로 유동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 미만인 경우, 상기 공기압축기의 하류쪽 냉각수 온도가 공기압축기의 하류쪽 공기 온도 이상이면, 라디에이터 외부의 대기 유량을 제어하는 라디에이터 팬과 라디에이터 내부의 냉각수 유량을 제어하는 전장냉각펌프를 최소 회전속도로 구동시킴으로써 전장부품으로부터 발생한 열을 흡수하는 냉각수의 방열을 최소화하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
7. 청구항 3에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 정해진 기준출력 이상인 경우, 연료전지 스택의 상대습도 추정값이 정해진 상대습도 목표값보다 크면, 상기 바이패스 밸브의 제2아웃렛포트를 개방시키고 제1아웃렛포트를 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.
8. 청구항 7에 있어서,상기 제어유닛은, 운전자 요구출력이 상기 기준출력 이상인 경우, 연료전지 스택의 상대습도 추정값이 상기 상대습도 목표값 이하이면, 상기 바이패스 밸브를 제1아웃렛포트가 개방되고 제2아웃렛포트가 폐쇄된 상태로 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 응축수 배출 제어 장치.

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