KR20230000793A - 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료 전지 스택을 경유한 냉각수의 순환 경로를 제 1 경로 또는 제 2 경로로 설정하는 온도 제어 밸브 및 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템{FUEL CELL TEMPERATURE MANAGEMENT DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 차량용 연료 전지의 온도 관리를 위한 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 연료 가스인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 장치로 기존 발전 방식과 비교하여 상대적으로 높은 효율과 공해물질의 배출이 없어 차세대 발전 장치로 주목받고 있다.
연료 전지는 전기 에너지를 발생시킬 때 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 발열 반응이 발생하며, 연료 전지의 발열은 연료 전지 셀이 열화되는 원인이 된다.
따라서, 연료 전지의 효율 및 안정성을 위해 발전시 연료 전지의 온도를 제어할 수 있는 기술의 개발이 계속되고 있다.
본 발명의 실시예는 연료 전지 또는 고체 수소 저장 장치의 온도를 효율적으로 제어할 수 있는 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치는, 연료 전지 스택을 경유한 냉각수의 순환 경로를 제 1 경로 또는 제 2 경로로 설정하는 온도 제어 밸브 및 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 순환 경로는, 상기 연료 전지 스택에 수소를 공급하는 고체 수소 저장 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높아질 경우 상기 순환 경로를 상기 제 1 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위 이내일 경우 상기 순환 경로를 상기 제 2 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연료 전지 스택은, 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 발열 반응이 발생하고, 상기 고체 수소 저장 장치는, 상기 연료 전지 스택에 상기 수소를 공급할 경우 흡열 반응이 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 연료 전지 온도 관리 장치는, 상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 순환 경로에 히터를 포함시키고, 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 상기 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 순환 경로에 상기 히터를 포함시키고, 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하도록 상기 바이패스 밸브를 제어하고, 상기 히터를 동작시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 고체 수소 저장 장치가 상기 수소를 저장할 경우, 상기 바이패스 밸브를 제어하여 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하고, 상기 순환 경로를 상기 제 1 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 고체 수소 저장 장치로부터 수소를 공급받아 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 냉각수 펌프로부터 전달되는 냉각수를 상기 연료 전지 스택 및 히터 중 하나에 전달하는 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수를 상기 냉각수 펌프로 유입시키거나 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수를 상기 고체 수소 저장 장치 및 라디에이터를 경유하여 상기 냉각수 펌프로 유입시키는 온도 제어 밸브, 및 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도, 상기 고체 수소 저장 장치의 수소 저장 및 상기 수소 저장 장치의 상기 연료 전지 스택의 수소 공급에 기초하여 상기 바이패스 밸브 및 상기 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각수의 순환 경로를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도에 기초하여 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하거나, 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 생성할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위 이내일 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높아질 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 고체 수소 저장 장치가 수소를 저장할 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 히터, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 바이패스 밸브, 상기 히터, 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하며, 상기 히터를 동작시킬 수 있다.
본 기술은 고체 수소 저장 장치가 수소를 공급할 때 발생하는 흡열 반응으로 냉각수의 온도를 낮추어 연료 전지가 발전할 때 발생하는 열을 제어하고, 연료 전지의 온도를 관리하는 냉각수를 이용하여 고체 수소 저장 장치가 수소를 저장할 때 발생하는 열을 낮출 수 있어, 연료 전지 시스템의 열 관리 효율 및 발전 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치를 이용한 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도를 나타내는 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 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
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. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치(100)는 차량의 내부에 구현될 수 있다. 이때, 연료 전지 온도 관리 장치(100)는 차량의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 차량의 제어 유닛들과 연결될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치(100)는 제어부(10), 유로 제어 장치(20) 및 온도 제어 장치(30)를 포함할 수 있다.
제어부(10)는 연료 전지 스택(도2에 도시, 2)을 관통하는 냉각수의 온도(예를 들어, 스택 출구 온도)를 제공 받을 수 있다.
제어부(10)는 고체 수소 저장 장치(도 2에 도시, 1)의 수소를 저장할 경우 또는 고체 수소 저장 장치(도 2에 도시, 1)에 저장된 수소를 연료 전지 스택(도 2에 도시, 2)에 공급할 경우에 발생되는 요청을 제공 받을 수 있다.
제어부(10)는 스택 출구 온도(연료 전지 스택을 관통한 냉각수의 온도), 수소 공급 요청(고체 수소 저장 장치로부터 저장된 수소가 연료 전지 스택에 공급되어야 할 때 발생되는 요청) 및 수소 저장 요청(고체 수소 저장 장치가 수소를 저장해야 할 때 발생되는 요청)에 기초하여 유로 제어 장치(20) 및 온도 제어 장치(30)를 제어할 수 있다.
유로 제어 장치(20)는 제어부(10)의 제어에 따라 냉각수의 순환 경로를 결정할 수 있다.
유로 제어 장치(20)는 바이패스 밸브(21) 및 온도 제어 밸브(22)를 포함할 수 있다.
온도 관리 장치(30)는 제어부(10)의 제어에 따라 냉각수의 온도를 높이거나 낮출 수 있다.
온도 관리 장치(30)는 라디에이터(31), 쿨링팬(32) 및 히터(33)를 포함할 수 있다.
바이패스 밸브(21), 온도 제어 밸브(22), 라디에이터(31), 쿨링팬(32) 및 히터(33)에 관한 설명은 도 2에 서술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치를 이용한 연료 전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템(1000)은 고체 수소 저장 장치(1), 연료 전지 스택(2), 고체 수소 온도 센서(3), 스택 입구 온도 센서(4), 스택 출구 온도 센서(5), 냉각수 펌프(6) 바이패스 밸브(21), 온도 제어 밸브(22), 라디에이터(31), 쿨링팬(32), 히터(33)를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템(1000)은 냉각수 펌프(6)를 기준으로, 바이패스 밸브(21), 스택 입구 온도 센서(4), 연료 전지 스택(2), 스택 출구 온도 센서(5), 고체 수소 저장 장치(1), 고체 수소 온도 센서(3), 라디에이터(31), 온도 제어 밸브(22)로 냉각수가 순환되도록 하는 배관, 바이패스 밸브(21)의 제어에 의해 히터(33)를 통해 스택 출구 온도 센서(5)로 냉각수가 흐를 수 있게 하는 배관, 스택 출구 온도 센서(5)를 거친 냉각수가 온도 제어 밸브(22)로 유입되도록 하는 배관을 더 포함할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템(1000)은 고체 수소 저장 장치(1)로부터 연료 전지 스택(20)에 수소를 전달하기 위한 배관을 더 포함할 수 있다.
고체 수소 저장 장치(1)는 고체 수소를 저장하고, 저장된 고체 수소를 연료 전지 스택(2)에 공급하도록 구성될 수 있다.
연료 전지 스택(2)은 고체 수소 저장 장치(1)로부터 제공 받은 수소가 산소와 반응하여 전기 에너지를 발생시키도록 구성될 수 있다.
이때, 연료 전지 스택(2)은 복수의 단위 셀들이 적층되어 직렬로 연결됨으로써 고전압을 생성할 수 있도록 구성될 수 있다.
연료 전지 스택(2)에서 전기 에너지를 발생시킬 경우, 발열 반응으로 인해 연료 전지 스택(2)에서 열이 발생할 수 있다. 냉각수는 연료 전지 스택(2)이 열화되지 않도록, 발전시 연료 전지 스택(2)의 온도 상승을 방지할 수 있다.
고체 수소 온도 센서(3)는 고체 수소 저장 장치(1)와 라디에이터(31) 사이의 냉각수가 흐르는 배관에 배치되어, 고체 수소 저장 장치(1)의 온도를 측정할 수 있다.
스택 입구 온도 센서(4)는 연료 전지 스택(2)으로 냉각수를 공급하는 배관에 배치되어, 연료 전지 스택(2)에 공급되는 냉각수의 온도를 감지할 수 있다.
스택 출구 온도 센서(5)는 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수가 흐르는 배관에 배치되어, 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도를 감지할 수 있다.
냉각수 펌프(6)는 연료 전지 시스템(1000)에 구성된 배관을 통해 냉각수를 순환시킬 수 있다.
예를 들어, 냉각수 펌프(6)는 바이패스 밸브(21), 연료 전지 스택(2), 고체 수소 저장 장치(1), 라디에이터(31) 및 온도 제어 밸브(22)에 연결된 배관으로 냉각수를 순환시킬 수 있다.
바이패스 밸브(21)는 냉각수 펌프(6)로부터 제공되는 냉각수를 제어부(도 1에 도시, 10)의 제어에 의해 스택 입구 온도 센서(4)로 흐르도록 할 수 있고, 또는 히터(33)로 흐르도록 할 수 있다.
이하, 바이패스 밸브(21)에 의해 스택 입구 온도 센서(4)로 냉각수가 흐를 경우 유로 1의 방향으로 흐른다고 서술하고, 히터(33)로 냉각수가 흐를 경우 유로 2의 방향으로 흐른다고 서술한다.
온도 제어 밸브(22)는 스택 출구 온도 센서(5)만을 통해 유입되는 냉각수와 고체 수소 저장 장치(1) 및 라디에이터(31)를 더 거친 냉각수를 유입 받고, 유입된 냉각수를 혼합하여 냉각수 펌프(6)에 제공할 수 있다.
온도 제어 밸브(21)는 제어부(10, 도 1에 도시)의 제어에 의해, 스택 출구 온도 센서(5)만을 통해 유입되는 냉각수의 양과 고체 수소 저장 장치(1) 및 라디에이터(31)를 더 거쳐 유입되는 냉각수의 양을 제어하여, 냉각수 펌프(6)에 제공되는 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.
이하, 스택 출구 온도 센서(5)만을 거쳐 온도 제어 밸브(21)로 흐르는 냉각수를 유로 3의 방향으로 흐른다고 서술하고, 고체 수소 저장 장치(1) 및 라디에이터(31)를 더 거쳐 온도 제어 밸브(21)로 흐르는 냉각수를 유로 4의 방향으로 흐른다고 서술한다.
이때, 냉각수를 유로 1의 방향 또는 유로 2의 방향으로 흐르도록 제어부(10)가 바이패스 밸브(21)를 제어할 수 있다.
또한, 유로 3에서 유입되는 냉각수의 양과 유로 4에서 유입되는 냉각수의 양을 제어하여 냉각수 펌프(6)로 냉각수를 제공하는 온도 제어 밸브(22)는 제어부(10)의 제어를 받을 수 있다.
라디에이터(31)는 냉각수의 열을 외기(외부 공기)에 전달하여 냉각수의 온도를 낮추도록 구성될 수 있다.
쿨링팬(32)은 라디에이터(31)에 의해 데워진 공기가 정체되지 않도록 라디에이터(31)에 차가운 공기를 제공하도록 구성될 수 있다.
즉, 라디에이터(31)와 쿨링팬(32)은 냉각수의 온도를 낮추기 위한 장치로서, 제어부(10)의 제어에 의해 동작되도록 구성될 수 있다.
히터(33)는 바이패스 밸브(21)로부터 냉각수가 공급될 경우, 공급되는 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다.
이때, 온도가 상승된 냉각수는 온도 제어 밸브(22) 및 고체 수소 저장 장치(1)에 연결된 배관으로 흐를 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 연료 전지 스택(2)에서 고체 수소 저장 장치(1)로부터 수소를 공급받아 전기 에너지를 발생시킬 경우 냉각수의 흐름을 도시한 것이다.
제어부(10)는 연료 전지 스택(2)에서 전기 에너지를 생성할 경우 즉, 고체 수소 저장 장치(1)에서 연료 전지 스택(2)으로 수소를 공급하라는 요청(수소 공급 요청)이 발생하면 바이패스 밸브(21)를 제어하여 냉각수 펌프(6)로부터 제공되는 냉각수를 연료 전지 스택(2)으로 흐르게(유로1) 할 수 있다.
이때, 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수는 온도 제어 밸브(22)를 통해(유로3) 다시 냉각수 펌프(6)로 제공될 수 있다.
즉, 연료 전지 스택(2)에서 전기 에너지를 생성할 경우, 제어부(10)는 바이패스 밸브(21)에 유입되는 냉각수를 유로 1로 흐르도록 바이패스 밸브(21)를 제어하고, 유로 3으로부터 유입되는 냉각수를 냉각수 펌프(6)에 제공하기 위해 온도 제어 밸브(22)를 제어할 수 있다.
결국, 연료 전지 스택(2)의 발전시 냉각수는 냉각수 펌프(6)를 통해 바이패스 밸브(21), 연료 전지 스택(2) 및 온도 제어 밸브(22)를 거쳐 다시 냉각수 펌프(6)에 유입되도록 순환될 수 있다.
냉각수의 순환으로 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택(2)의 온도는 관리 온도 범위를 유지할 수 있다. 이때, 관리 온도 범위는 연료 전지 스택(2)이 정상적으로 전기 에너지를 생성할 수 있는 온도 범위를 의미할 수 있다.
전기 에너지를 장시간 발생시키거나 기설정된 양보다 많은 양의 전기 에너지를 발생시킬 경우, 냉각수의 순환만으로는 연료 전지 스택(2)에서 발생되는 열로 인한 연료 전지 스택(2)의 온도를 관리 온도 범위에서 유지할 수 없을 수 있다.
제어부(10)는 스택 출구 온도 센서(5)로부터 감지된 냉각수 온도 즉, 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수 온도에 기초하여 온도 제어 밸브(22)의 유로 4 개방 여부 및 개방량을 제어할 수 있다.
제어부(10)는 스택 출구 온도 센서(5)로부터 감지된 냉각수 온도가 기설정된 온도보다 높아지면 온도 제어 밸브(22)의 유로 4를 개방시키고, 냉각수 온도의 상승에 따라 온도 제어 밸브(22)의 유로 4 개방량을 제어하여 유로 4로부터 유입되는 냉각수의 양을 조절할 수 있다.
온도 제어 밸브(22)는 유로 3으로부터 유입되는 냉각수와 유로 4로부터 유입되는 냉각수를 혼합하여 냉각수 펌프(6)에 전달할 수 있다.
즉, 온도 제어 밸브(22)는 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도가 기설정된 온도보다 높아지면, 연료 전지 스택(2)을 경유하여 유입되는 냉각수와 연료 전지 스택(2), 고체 수소 저장 장치(1) 및 라디에이터(31)를 경유하여 유입되는 냉각수를 혼합하여 냉각수 펌프(6)에 전달할 수 있다.
고체 수소 저장 장치(1)는 저장된 수소를 연료 전지 스택(2)으로 공급할 경우 흡열 반응이 일어나는 특징이 있다.
따라서, 온도가 상승된 냉각수가 고체 수소 저장 장치(1)를 경유할 경우, 냉각수의 온도는 낮아질 수 있다.
라디에이터(31)는 냉각수의 열을 외기에 전달하여 냉각수의 온도를 낮출 수 있다.
결국, 전기 에너지를 발생시킬 때 연료 전지 스택(2)에서 데워진 냉각수는 고체 수소 저장 장치(1)와 라디에이터(31)를 경유함으로써, 온도가 낮아질 수 있다.
온도 제어 밸브(22)가 유로 4를 개방할 경우 냉각수 펌프(6)로 제공되는 냉각수의 온도는 유로 4를 개방하지 않았을 때보다 낮을 수 있다.
또한, 온도 제어 밸브(22)는 제어부(10)의 제어에 의해 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도가 높아질수록 유로 4의 개방량을 증가시켜 냉각수 펌프(22)로 전달되는 냉각수의 온도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.
이때, 온도 제어 밸브(22)는 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한에 도달하면 유로 4의 개방량을 최대로 증가시킬 수 있다.
결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도가 기설정된 온도를 초과하면 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수가 고체 수소 저장 장치(1)를 경유하도록 냉각수의 순환 경로를 변경함으로써, 순환되는 냉각수의 온도가 관리 온도 범위이내에서 유지되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(2)을 경유한 냉각수의 온도가 상승할수록 고체 수소 저장 장치(1)를 경유하는 냉각수의 양을 증가시키도록 온도 제어 밸브(22)를 제어함으로써, 장시간 동안 전기 에너지를 생성하거나 기설정된 전기 에너지보다 많은 양의 전기 에너지를 발생시키더라도 순환되는 냉각수의 온도가 관리 온도 범위이내에서 유지되도록 할 수 있다.
도 4는 고체 수소 저장 장치(1)가 수소를 공급받아 저장할 경우 냉각수의 흐름을 도시한 것이다.
고체 수소 저장 장치(1)가 외부로부터 수소를 공급 받아 저장할 경우 열이 발생할 수 있다.
이때, 제어부(10)는 바이패스 밸브(21)를 제어하여 냉각수 펌프(6)로부터 제공되는 냉각수가 유로 2(히터, 33)로 흐르도록 할 수 있다.
또한, 제어부(10)는 온도 제어 밸브(22)의 유로 4를 개방할 수 있으며, 히터(33)를 동작시키지 않을 수 있다.
결국, 고체 수소 저장 장치(1)가 수소를 공급 받아 저장할 경우, 냉각수 펌프(6)로부터 바이패스 밸브(21), 히터(33), 고체 수소 저장 장치(1), 라디에이터(32) 및 온도 제어 밸브(22)를 거쳐 다시 냉각수 펌프(6)로 냉각수가 순환되는 경로가 형성될 수 있다.
따라서, 고체 수소 저장 장치(1)가 수소를 저장할 경우 발생되는 열은 순환되는 냉각수에 의해 제거될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템은, 외부 온도와 같은 주변 환경에 따라 냉각수가 관리 온도 범위의 하한보다 낮아지는 경우, 제어부(10)는 바이패스 밸브(21)의 유로 2를 개방시키고, 온도 제어 밸브(22)의 유로 3을 개방시키며, 히터(33)를 동작시킬 수 있다.
이러한 경우, 히터(33)에 의해 온도가 상승한 냉각수는 냉각수 펌프(6)로부터 바이패스 밸브(21), 히터(33) 및 온도 제어 밸브(22)를 통해 다시 냉각수 펌프(6)로 냉각수가 순환되는 경로가 형성되어, 냉각수 온도를 관리 온도 범위이내로 유지시킬 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도를 나타내는 도면이다.
도 5는 연료 전지 스택(2)에서 고체 수소 저장 장치(1)로부터 수소를 공급받아 전기 에너지를 발생시킬 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도일 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 냉각수 온도 관리 방법은 제 1 냉각수 온도 비교 단계(S1), 제 1 냉각수 온도 관리 단계(S2), 제 2 냉각수 온도 비교 단계(S3), 제 2 냉각수 온도 관리 단계(S4), 제 3 냉각수 온도 관리 단계(S5) 및 제 4 냉각수 온도 관리 단계(S6)를 포함할 수 있다.
제 1 냉각수 온도 비교 단계(S1)는 스택 출구 온도 센서(5)로부터 감지된 냉각수의 온도(스택 출구 온도)가 관리 온도 범위의 하한과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
만약, 제 1 냉각수 온도 비교 단계(S1)에서 냉각수 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 낮다면(Yes) 제 1 냉각수 온도 관리 단계(S2)가 수행될 수 있다.
한편, 제 1 냉각수 온도 비교 단계(S1)에서 냉각수 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 높다면(No) 제 2 냉각수 온도 비교 단계(S3)가 수행될 수 있다.
제 1 냉각수 온도 관리 단계(S2)는 바이패스 밸브(21)의 유로 2를 개방시키고, 히터(33)를 동작시키며, 온도 제어 밸브(22)의 유로 3을 개방시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 관리 온도 범위의 하한보다 낮은 온도의 냉각수는 히터(33)에 의해 데워지고, 데워진 냉각수는 히터(33), 온도 제어 밸브(22), 냉각수 펌프(6) 및 바이패스 밸브(21)를 순환할 수 있다. 즉, 냉각수는 관리 온도 범위 이내의 온도로 히터(33), 온도 제어 밸브(22), 냉각수 펌프(6) 및 바이패스 밸브(21)로 형성된 순환 경로로 순환될 수 있다.
제 2 냉각수 온도 비교 단계(S3)는 냉각수 온도가 관리 온도 범위의 상한과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
만약, 제 2 냉각수 온도 비교 단계(S3)에서 냉각수 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 낮다면(Yes) 제 2 냉각수 온도 관리 단계(S4)가 수행될 수 있다.
한편, 제 2 냉각수 온도 비교 단계(S3)에서 냉각수 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높다면(No) 제 3 냉각수 온도 관리 단계(S5)가 수행될 수 있다.
제 2 냉각수 온도 관리 단계(S4)는 바이패스 밸브(21)의 유로 1을 개방시키고, 온도 제어 밸브(22)의 유로 3을 개방시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 관리 온도 범위의 하한보다 높고 관리 범위 온도의 상한보다는 낮은 즉, 관리 온도 범위 이내의 온도인 냉각수는 냉각수 펌프(6), 바이패스 밸브(21), 연료 전지 스택(2) 및 온도 제어 밸브(22)로 형성된 순환 경로로 순환될 수 있다.
연로 전지 스택(2)이 전기 에너지를 생성할 경우 발생되는 열은 냉각수가 흡수하므로, 냉각수의 온도가 관리 온도 범위 이내라는 것은 연료 전지 스택(2)이 정상적으로 전기 에너지를 생성할 수 있는 온도에서 동작하고 있다는 것을 의미할 수 있다.
제 3 냉각수 온도 관리 단계(S5)는 바이패스 밸브(21)의 유로 1을 개방시키고, 온도 제어 밸브(22)의 유로 4를 최대로 개방시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 관리 온도 범위의 상한보다 높은 온도의 냉각수는 냉각수 펌프(6), 바이패스 밸브(21), 연료 전지 스택(2), 고체 수소 저장 장치(1), 라디에이터(31) 및 온도 제어 밸브(22)로 형성된 순환 경로로 순환될 수 있다.
냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높을 경우 수행되는 제 3 냉각수 온도 관리 단계(S5)는 제 2 냉각수 온도 관리 단계(S4)보다 냉각수가 고체 수소 저장 장치(1)와 라디에이터(31)를 거쳐 순환되도록 제어되는 단계일 수 있다.
냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높아지는 경우는 연료 전지 스택(2)에서 전기 에너지를 장시간 생성하거나 생성되는 전기 에너지의 양이 기설정된 전기 에너지의 양보다 많을 경우일 수 있다.
연료 전지 스택(2)은 고체 수소 저장 장치(1)로부터 저장된 수소를 공급 받아, 전기 에너지를 생성한다.
이때, 고체 수소 저장 장치(1)는 저장된 수소를 연료 전지 스택(2)에 제공할 경우 흡열 반응이 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택이 전기 에너지를 생성할 경우 즉, 고체 수소 저장 장치가 저장된 수소를 연료 전지 스택에 제공할 경우 발생하는 고체 수소 저장 장치의 흡열 반응으로 냉각수의 온도를 낮추고, 라디에이터(31)를 통해 냉각수의 열을 외기에 전달함으로써, 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 낮아지도록 냉각시킬 수 있다.
제 4 냉각수 온도 관리 단계(S6)는 제 3 냉각수 온도 관리 단계(S5) 이후 수행되는 단계로서, 라디에이터(31)에 외기를 순환시킴으로써, 라디에이터(31)가 쿨링팬(32)이 동작하지 않을 때보다 냉각수의 온도를 더욱 잘 낮출 수 있도록 쿨링팬(32)을 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 6은 고체 수소 저장 장치(1)가 수소를 공급받아 저장할 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도일 수 있다.
도 6을 참조하면, 고체 수소 저장 장치가 수소를 저장할 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 고체 수소 저장 장치의 온도 관리 방법은, 제 1 순환 경로 설정 단계(S11), 제 2 순환 경로 설정 단계(S12) 및 냉각수 냉각 단계(S13)를 포함할 수 있다.
제 1 순환 경로 설정 단계(S11)는 바이패스 밸브(21)의 유로 2를 개방하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 제 1 순환 경로 설정 단계(S11)에서 히터(33)가 동작 중인지를 감지하고, 히터(33)가 동작하지 않도록 오프(OFF)시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
제 2 순환 경로 설정 단계(S12)는 온도 제어 밸브(22)의 유로 4를 개방하는 단계로서, 제 2 순환 경로 설정 단계(S12)에서는 온도 제어 밸브(22)가 개방한 유로 4의 개방량을 최대로 설정할 수 있다.
이때, 제 1 및 제 2 순환 경로 설정 단계(S11, S12)는 냉각수가 냉각수 펌프(6), 바이패스 밸브(21), 오프(OFF)된 히터(33), 고체 수소 저장 장치(1), 라디에이터(31) 및 온도 제어 밸브(22)로 순환하는 경로를 형성할 수 있다.
냉각수 냉각 단계(S13)는 쿨링팬(32)를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 쿨링팬(32)을 동작시켜 라디에이터(21)에 외기를 순환시킴으로써, 고체 수소 저장 장치(1)에서 발생한 열을 흡수한 냉각수가 라디에이터(21)를 통해 열을 방출시킬 수 있다. 따라서, 냉각수의 온도 상승을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 온도 관리 장치 및 이를 이용한 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택이 전기 에너지를 생성할 경우 고체 수소 저장 장치의 흡열 반응을 이용하여 냉각수의 온도 상승을 방지하고, 연료 전지 스택의 온도 상승을 방지하기 위해 이용하는 냉각수를 이용하여 고체 수소 저장 장치의 수소 저장시 고체 수소 저장 장치로부터 발생하는 열을 흡수시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 연료 전지 스택을 경유한 냉각수의 순환 경로를 제 1 경로 또는 제 2 경로로 설정하는 온도 제어 밸브; 및
    상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 순환 경로는,
    상기 연료 전지 스택에 수소를 공급하는 고체 수소 저장 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높아질 경우 상기 순환 경로를 상기 제 1 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위 이내일 경우 상기 순환 경로를 상기 제 2 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은,
    상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 발열 반응이 발생하고,
    상기 고체 수소 저장 장치는,
    상기 연료 전지 스택에 상기 수소를 공급할 경우 흡열 반응이 발생하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 순환 경로에 히터를 포함시키고, 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하는 바이패스 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 상기 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 순환 경로에 상기 히터를 포함시키고, 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하도록 상기 바이패스 밸브를 제어하고,
    상기 히터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고체 수소 저장 장치가 상기 수소를 저장할 경우, 상기 바이패스 밸브를 제어하여 상기 냉각수의 상기 연료 전지 스택 경유를 차단하고, 상기 순환 경로를 상기 제 1 경로로 설정하도록 상기 온도 제어 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 온도 관리 장치.
  9. 고체 수소 저장 장치로부터 수소를 공급받아 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택;
    냉각수 펌프로부터 전달되는 냉각수를 상기 연료 전지 스택 및 히터 중 하나에 전달하는 바이패스 밸브;
    상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수를 상기 냉각수 펌프로 유입시키거나 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수를 상기 고체 수소 저장 장치 및 라디에이터를 경유하여 상기 냉각수 펌프로 유입시키는 온도 제어 밸브; 및
    상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도, 상기 고체 수소 저장 장치의 수소 저장 및 상기 수소 저장 장치의 상기 연료 전지 스택의 수소 공급에 기초하여 상기 바이패스 밸브 및 상기 온도 제어 밸브를 제어하여 상기 냉각수의 순환 경로를 결정하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 스택 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도에 기초하여 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하거나,
    상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위 이내일 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지 스택이 상기 전기 에너지를 발생시킬 경우 상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 상한보다 높아질 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 연료 전지 스택, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고체 수소 저장 장치가 수소를 저장할 경우 상기 냉각수 펌프, 상기 바이패스 밸브, 상기 히터, 상기 고체 수소 저장 장치, 상기 라디에이터 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연료 전지 또는 상기 히터를 경유한 냉각수의 온도가 관리 온도 범위의 하한보다 낮을 경우 상기 바이패스 밸브, 상기 히터, 및 상기 온도 제어 밸브로 형성되는 상기 냉각수의 순환 경로를 형성하며,
    상기 히터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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