KR20230018917A - 연료전지용 에어 컨트롤 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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박민구
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템에 관한 것으로, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인; 공기공급라인에 마련되는 공기압축기; 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인; 공기배출라인에 연결되는 하우징, 하우징의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러, 임펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터를 포함하는 압력조절부; 및 연료전지 스택의 내부에서 공기의 압력이 가변되도록 임펠러의 회전을 제어하는 제어부;를 포함하는 것에 의하여, 에너지 효율 저하를 최소화하고 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 에어 컨트롤 시스템 및 그 제어방법{AIR SUPPLY CONTROL SYSTEM FOR FUEL CELL AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명의 실시예는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에너지 효율 저하를 최소화하고 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.
분리판은 연료인 수소를 공급하는 애노드 분리판, 및 산화제인 공기를 공급하는 캐소드 분리판으로 구분될 수 있으며, 연료 또는 산화제가 유동하는 채널(channel)을 포함한다.
연료전지 스택이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되어야 하므로, 유입가스는 연료전지 스택으로 유입되기 전에 가습기에 의해 가습될 수 있다.
최근에는 연료전지 스택으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 가습기를 통과하는 유입가스(건조공기)를 가습하는 방식이 제시된 바 있다.
공기압축기에 의해 압축된 공기는 가습기를 거친 후 연료전지 스택으로 공급될 수 있고, 연료전지 스택에서 배출된 공기는 가습기를 거친 후 공기배출라인을 통해 외부로 배출될 수 있다.
한편, 연료전지 스택이 효율적으로 작동하기 위해서는, 연료전지 스택(연료전지 스택의 캐소드)에 공급되는 공기의 압력이 연료전지 스택의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라 조절될 수 있어야 한다.
그런데, 기존에는 공기배출라인에 마련되는 밸브(예를 들어, 버터플라이 밸브)의 개도율을 조절하여 공기배출라인에 배압을 형성함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절해야 함에 따라, 밸브의 작동시 밸브디스크의 밸브면에 작용하는 압력(배압)에 의해 에너지 손실이 발생하고, 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절하면서, 에너지 효율 저하를 최소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 에너지 효율 저하를 최소화하고 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 에너지 손실없이 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 효과적으로 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 공기압축기를 무리하게 작동시키지 않고도 연료전지 스택으로 공기의 과급을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택 내에서 응축수의 잔류 및 결빙을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 내구성을 향상시키고, 수명을 연장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템은, 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인; 공기공급라인에 마련되는 공기압축기; 연료전지 스택에 연결되며 연료전지 스택으로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인; 공기배출라인에 연결되는 하우징, 하우징의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러, 임펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터를 포함하는 압력조절부; 및 연료전지 스택의 내부에서 공기의 압력이 가변되도록 임펠러의 회전을 제어하는 제어부;를 포함한다.
이는, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절하면서, 에너지 효율 저하를 최소화하기 위함이다.
즉, 기존에는 공기배출라인에 마련되는 밸브(예를 들어, 버터플라이 밸브)의 개도율을 조절하여 공기배출라인에 배압을 형성함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절해야 함에 따라, 밸브의 작동시 밸브디스크의 밸브면에 작용하는 압력(배압)에 의해 에너지 손실이 발생하고, 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 공기배출라인에 마련되는 임펠러의 회전을 조절하여 연료전지 스택의 내부에서 공기의 압력을 가변하는 것에 의하여, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절시 에너지 손실을 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제어부는, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 현재 압력과, 공기의 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러의 회전을 제어한다.
일 예로, 제어부는, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 낮으면, 임펠러의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력이 낮은 것으로 판별되면, 임펠러의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어하는 것에 의하여, 임펠러를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 낮출 수 있고, 결과적으로 공기배출라인에 배압을 높일 수 있으므로, 연료전지 스택 내의 압력을 높일 수 있다.
다른 일 예로, 제어부는, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 높으면, 임펠러의 회전 속도를 기준 속도보다 높게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력이 높은 것으로 판별되면, 임펠러의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 높게 제어하는 것에 의하여, 임펠러를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 높일 수 있고, 결과적으로 공기배출라인에 배압을 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택 내의 압력을 낮출 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템은, 연료전지 스택을 출입하는 공기를 선택적으로 차단하는 에어 컨트롤 밸브, 및 공기배출라인을 선택적으로 차단하는 차단밸브를 포함할 수 있다.
바람직하게, 에어 컨트롤 밸브가 연료전지 스택을 출입하는 공기를 차단한 상태에서, 제어부에 의해 임펠러가 회전하면, 공기배출라인의 내부 압력은 공기공급라인으로 공급되는 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의될 수 있다.
또한, 공기배출라인의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 차단밸브가 공기배출라인을 차단하면, 공기배출라인의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 연료전지 스택을 출입하는 공기를 차단한 상태에서 임펠러를 회전시키는 것에 의하여, 공기압축기를 과급 운전시키지 않고도, 연료전지 스택의 내부에 잔류하는 응축수를 연료전지 스택의 외부로 배출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예는, 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서 차단밸브가 공기배출라인을 차단하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기배출라인의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택에 공기의 출입이 허용되면서, 공기압축기가 작동할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 공기배출라인의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택에 공기의 출입을 허용함과 동시에 공기압축기가 작동하도록 하는 것에 의하여, 공기압축기를 과급 운전하지 않고도, 연료전지 스택에 공기 과급 효과를 구현하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 연료전지 스택에 연결되며, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인; 공기공급라인에 마련되는 공기압축기; 연료전지 스택에 연결되며, 연료전지 스택으로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인; 및 공기배출라인에 연결되는 하우징, 하우징의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러, 임펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터를 포함하는 압력조절부;를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 타겟 압력을 결정하는 결정단계; 연료전지 스택에 공급되는 공기의 현재 압력을 측정하는 측정단계; 현재 압력과 타겟 압력을 비교하는 비교단계; 및 현재 압력과 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러의 회전을 제어하는 제어단계;를 포함한다.
일 예로, 제어단계에서는 현재 압력과 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러의 회전을 제어함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
다른 일 예로, 제어단계에서는, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 높으면, 임펠러의 회전 속도를 기준 속도보다 높게 제어할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택의 비시동 상태에서, 연료전지 스택을 출입하는 공기를 차단하는 단계를 포함하고, 연료전지 스택을 출입하는 공기를 차단한 상태에서, 임펠러가 회전하면, 공기배출라인의 내부 압력은 공기공급라인으로 공급되는 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의되되, 공기배출라인의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택에 공기의 출입을 허용하면서, 공기압축기를 작동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 효율 저하를 최소화하고 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 에너지 손실없이 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 효과적으로 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 공기압축기를 무리하게 작동시키지 않고도 연료전지 스택으로 공기의 과급을 효과적으로 수행하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택 내에서 응축수의 잔류 및 결빙을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 내구성을 향상시키고, 수명을 연장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템으로서, 압력조절부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)에 연결되며 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(100); 공기공급라인(100)에 마련되는 공기압축기(130); 연료전지 스택(20)에 연결되며 연료전지 스택(20)으로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(200); 공기배출라인(200)에 연결되는 하우징(212), 하우징(212)의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러(214), 임펠러(214)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터(216)를 포함하는 압력조절부(210); 및 연료전지 스택(20)의 내부에서 공기의 압력이 가변되도록 임펠러(214)의 회전을 제어하는 제어부(400);를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템(10)은, 차량, 선박, 항공 등과 같은 모빌리티(mobility)에 적용되는 연료전지 시스템의 연료전지 스택(20)에서 처리되는 공기를 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템(10)이 적용되는 피대상체(모빌리티)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템(10)이 전기 에너지로 구동력을 얻는 하이브리드 차량 및/또는 전기 자동차와 같은 친환경 차량에 적용된 연료전지 스택(20)에서 처리되는 공기를 제어하는 예를 들어 설명하기로 한다.
연료전지 스택(20)은, 수소공급부(미도시)에서 공급되는 수소와 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(20)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(20)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)(24)와 캐소드(cathode)(22)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드(24)로 공급되고, 공기는 캐소드(22)로 공급된다.
애노드(24)로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드(22)로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드(22)에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
공기공급라인(100)은 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급하도록 연료전지 스택(20)에 연결된다.
공기공급라인(100)은 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될수 있으며, 공기공급라인(100)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
한편, 연료전지 스택(20)이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다.
이를 위해, 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기는 가습기(150)를 경유하도록 제공될 수 있고, 공기공급라인(100)을 따라 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기는 가습기(150)를 통과하는 중에 가습될 수 있다. 여기서, 공기를 가습한다 함은 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의된다.
일 예로, 가습기(150)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기(건조공기)를 가습하도록 구성될 수 있다.
가습기(150)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 건조공기를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(150)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가습기(150)는 공기압축기(130)와 연료전지 스택(20)의 사이에 마련되되, 가습기(150)에는 유입가스(건조 공기)가 유입(공급)되는 유입가스 공급포트(미도시), 가습기(150)의 내부를 통과한(가습 처리된) 유입가스가 배출되는 유입가스 배출포트(미도시), 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급포트(미도시), 유입가스를 가습시킨 습윤공기를 외부로 배출하는 습윤공기 배출포트(미도시)가 마련될 수 있다.
유입가스 공급포트를 통해 공급된 유입가스는, 가습기(150)의 내부에 마련된 가습막(예를 들어, 중공 사막)(미도시)을 통과하는 중에 습윤공기에 의해 가습 처리된 후, 유입가스 배출포트를 통해 연료전지 스택(20)으로 공급될 수 있다.
아울러, 연료전지 스택(20)에서 배출되는 습윤공기(또는 응축수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(150)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가습기(150)에는 공기압축기(130)를 거쳐 가습기(150)의 유입가스 공급포트에 유입되는 공기를 냉각하는 쿨러(140)가 마련될 수 있다.
쿨러(140)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 유입가스(공기)를 냉각할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 쿨러(140)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
공기압축기(130)는 공기공급라인(100)을 따라 공급되는 공기를 압축시킨 상태로 연료전지 스택(20)에 공급하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 공기압축기(130)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기가 연료전지 스택(20)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기를 압축할 수 있다.
공기압축기(130)로서는 공기를 압축할 수 있는 다양한 공기압축기(130)가 사용될 수 있으며, 공기압축기(130)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 공기압축기(130)는 로터(미도시)의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축시켜 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기공급라인(100)에는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 필터(110)링하기 위한 필터(110)가 마련될 수 있다. 여기서, 공기를 필터링한다 함은, 공기에 포함된 먼지와 같은 이물질을 필터(110)에 의해 걸러내는 것으로 정의된다.
일 예로, 필터(110)는 공기압축기(130)보다 상류(up-stream)에 배치되도록 공기공급라인(100)에 마련될 수 있다.
필터(110)로서는 통상의 건식 또는 여과지 방식의 필터(110)부재가 사용될 수 있으며, 필터(110)의 종류 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기공급라인(100)에는 공기압축기(130)와 필터(110)에 사이에 배치되도록 흡기 소음기(120)가 마련될 수 있다.
흡기 소음기(120)로서는 공기공급라인(100)으로 공기를 흡기함에 따른 소음(예를 들어, 공명음)을 제거할 수 있는 다양한 소음기가 사용될 수 있으며, 흡기 소음기(120)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
공기배출라인(200)은 연료전지 스택(20)에서 처리된 공기를 외부로 배출하도록 연료전지 스택(20)에 연결된다.
공기배출라인(200)은 연료전지 스택(20)에서 배출된 공기를 안내할 수 있는 다양한 구조로 제공될수 있으며, 공기배출라인(200)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 공기배출라인(200)을 따라 배출되는 공기는 가습기(150)를 경유하도록 제공될 수 있고, 가습기(150)를 통과하는 공기(습윤 공기)에 의해 가습기(150)로 유입되는 공기(건조 공기)가 가습될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기배출라인(200)에는 공기배출라인(200)을 따라 배출되는 공기에서 소음(예를 들어, 공명음)을 제거하기 위한 배기 소음기(220)가 마련될 수 있다. 배기소음기로서는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 소음기가 사용될 수 있으며, 배기 소음기(220)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
압력조절부(210)는 연료전지 스택(20)의 운전 조건에 따라 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력을 선택적으로 조절하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 압력조절부(210)는, 공기배출라인(200)에 연결되는 하우징(212), 하우징(212)의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러(214), 및 임펠러(214)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터(216)를 포함하며, 공기압축기(130)(예를 들어, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
하우징(212)은 내부에 임펠러(214)를 수용 가능한 수용공간을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 하우징(212)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
하우징(212)의 일측에는 공기가 유입되는 입구 포트(미도시)가 형성될 수 있고, 하우징(212)의 다른 일측에는 하우징(212)의 내부에서 임펠터를 통과한 공기가 배출되는 배출 포트(미도시)가 형성될 수 있다.
임펠러(214)는 모터(216)에 의해 회전하며, 입구 포트로 유입된 공기를 압축하도록 마련된다.
임펠러(214)의 종류, 구조 및 사이즈는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 임펠러(214)의 종류, 구조 및 사이즈에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
모터(216)는 임펠러(214)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하기 위해 마련된다.
모터(216)로서는 임펠러(214)를 회전시키기 위한 구동력을 제공할 수 있는 다양한 모터(216)가 사용될 수 있으며, 모터(216)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 모터(216)로서는 3상(예를 들어, U상, V상, W상) 2극(예를 들어, N극, S극)의 BLDC 모터가 사용될 수 있다. 또한, 모터(216)에는 고정자에 대한 회전자(예를 들어, 영구자석)의 위치를 감지하기 위한 3개의 홀센서가 마련될 수 있다.
제어부(400)는 연료전지 스택(20)의 내부에서 공기의 압력이 가변되도록 임펠러(214)의 회전을 제어하도록 마련된다.
일 예로, 제어부(400)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리 및/또는 스토리지에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리 및 스토리지는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 공기압축기(130)(예를 들어, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기)와 유사한 구조를 가지며, 하우징(212), 임펠러(214) 및 모터(216)를 포함하는 압력조절부(210)를 공기배출라인(200)에 마련하고, 임펠러(214)의 회전을 제어하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20)의 운전 조건에 따라 연료전지 스택(20) 내의 공기 압력을 조절하는 것이 가능하다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 공기배출라인(200)에 마련되는 임펠러(214)의 회전을 조절하여 연료전지 스택(20) 내부의 공기 압력을 가변하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력을 조절시 에너지 손실을 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 기존에는 공기배출라인에 마련되는 버터플라이 밸브의 개도율을 조절하여 공기배출라인에 배압을 형성함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 압력을 조절해야 함에 따라, 밸브의 작동시 밸브디스크의 밸브면에 작용하는 압력(배압)에 의해 압력 손실 및 에너지 손실이 발생하고, 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 임펠러(214)의 회전을 조절하여 공기배출라인(200)에 배압을 형성하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20) 내부의 공기 압력 가변시, 압력 손실 및 에너지 손실을 최소화하고, 연료전지 스택(20)의 운전 조건에 따라 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력을 효과적으로 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제어부(400)는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력과, 공기의 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러(214)의 회전을 제어한다.
일 예로, 제어부(400)는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 낮으면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력이 낮은 것으로 판별(현재 압력 < 타겟 압력)되면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어하는 것에 의하여, 임펠러(214)를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 낮출 수 있고, 결과적으로 공기배출라인(200)에 배압을 높일 수 있으므로, 연료전지 스택(20) 내의 압력을 높일 수 있다.
다른 일 예로, 제어부(400)는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 높으면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기준 속도보다 높게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력이 높은 것으로 판별(현재 압력 > 타겟 압력)되면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 높게 제어하는 것에 의하여, 임펠러(214)를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 높일 수 있고, 결과적으로 공기배출라인(200)에 배압을 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(20) 내의 압력을 낮출 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 선택적으로 차단하는 에어 컨트롤 밸브(300), 및 공기배출라인(200)을 선택적으로 차단하는 차단밸브(230)를 포함할 수 있다.
에어 컨트롤 밸브(300)로서는 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 선택적으로 차단할 수 있는 다양한 밸브가 사용될 수 있으며, 에어 컨트롤 밸브(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 에어 컨트롤 밸브(300)는 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급하는 제1포트, 연료전지 스택(20)으로부터 공기가 배출되는 제2포트를 개폐하기 위한 제1밸브부재(미도시)와 제2밸브부재(미도시)를 포함할 수 있다.
차단밸브(230)로서는 공기배출라인(200)을 따라 배출되는 공기의 흐름을 선택적으로 단속(ON/OFF)할 수 있는 통상의 밸브(예를 들어, 솔레노이드 밸브)가 사용될 수 있으며, 차단밸브(230)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 에어 컨트롤 밸브(300)가 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단(에어 컨트롤 밸브 OFF)한 상태에서, 제어부(400)에 의해 임펠러(214)가 회전하면, 공기배출라인(200)의 내부 압력은 공기공급라인(100)으로 공급되는 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의될 수 있다.
또한, 공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 차단밸브(230)가 공기배출라인(200)을 차단하면, 공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지될 수 있다.
이는, 연료전지 스택(20) 내에서 응축수의 잔류 및 결빙을 최소화하기 위함이다.
즉, 동절기에 연료전지 스택의 내부에 응축수가 잔류한 상태에서 연료전지 스택(20)의 시동이 정지되면, 연료전지 스택의 내부에 잔류하는 응축수(공기와 수소의 반응물인 응축수)가 결빙되는 문제점이 있다.
한편, 연료전지 스택 내에서의 응축수 잔류를 최소화하기 위하여, 공기압축기를 이용하여 연료전지 스택의 내부에 공기를 강하게 불어넣어(과급 운전) 연료전지 스택의 내부에 잔류하는 응축수를 배출하는 것도 가능하다. 그러나, 공기압축기의 과급 운전에 따른 소비전력 증가로 인해 에너지 효율 및 시스템 효율이 저하되고, 공기압축기의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단(제1포트 및 제2포트를 차단)한 상태에서 임펠러(214)를 회전시키는 것에 의하여, 공기압축기(130)를 과급 운전시키지 않고도, 연료전지 스택(20)의 내부에 잔류하는 응축수를 연료전지 스택(20)의 외부로 배출하는 것이 가능하다.
또한, 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태(잔류 응축수가 배출된 상태)에서 차단밸브(230)가 공기배출라인(200)을 차단함으로써, 연료전지 스택(20)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택(20)에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택(20)에 공기의 출입이 허용(에어 컨트롤 밸브 ON)되면서, 공기압축기(130)가 작동할 수 있다.
이는, 공기압축기(130)를 과급 운전하지 않고도 연료전지 스택(20)의 내부에 발생한 응축수 결빙 부위를 효과적으로 제거하기 위함이다.
즉, 연료전지 스택(20)의 내부에 응축수가 결빙된 상태에서는 연료전지 스택(20)의 성능 및 효율이 저하되므로, 연료전지 스택(20)의 시동 후에는 최대한 신속하게 연료전지 스택(20)의 내부에 잔류하는 결빙 부위를 제거할 수 있어야 한다.
기존에는 공기압축기를 이용하여 연료전지 스택의 내부에 공기를 강하게 불어넣어(과급 운전) 연료전지 스택의 내부에 발생된 결빙 부위를 제거시켜야 함에 따라, 공기압축기의 과급 운전에 따른 소비전력 증가로 인해 에너지 효율 및 시스템 효율이 저하되고, 공기압축기의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택(20)에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택(20)에 공기의 출입을 허용함과 동시에 공기압축기(130)가 작동하도록 하는 것에 의하여, 공기압축기(130)를 과급 운전하지 않고도, 연료전지 스택(20)에 공기 과급 효과(공기압축기를 과급 운전시킨 경우의 공기 과급 효과)를 구현하는 것이 가능하다.
즉, 연료전지 스택(20)의 내부의 압력이 낮게 유지된 상태(기준공급압력보다 낮은 상태)에서는, 연료전지 스택(20)에 공기의 출입을 허용(에어 컨트롤 밸브 ON)하는 것만으로도, 연료전지 스택(20)과 공기공급라인(100)의 압력 차이로 인해, 공기공급라인(100)의 공기가 연료전지 스택(20)으로 빨려 들어갈 수 있으므로, 공기압축기(130)를 무리하게 작동(과급 운전)시키지 않고도(예를 들어, 정상 운전 모드로 작동) 연료전지 스택(20)에 공기를 과급하는 효과를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법을 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 연료전지 스택(20)에 연결되며, 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급하는 공기공급라인(100); 공기공급라인(100)에 마련되는 공기압축기(130); 연료전지 스택(20)에 연결되며, 연료전지 스택(20)으로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인(200); 및 공기배출라인(200)에 연결되는 하우징(212), 하우징(212)의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러(214), 임펠러(214)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터(216)를 포함하는 압력조절부(210);를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 타겟 압력을 결정하는 결정단계(S10); 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력을 측정하는 측정단계(S20); 현재 압력과 타겟 압력을 비교하는 비교단계(S30); 및 현재 압력과 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러(214)의 회전을 제어하는 제어단계(S40);를 포함한다.
단계 1:
먼저, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 타겟 압력을 결정한다.(S10)
결정단계(S10)에서는 연료전지 스택(20)의 운전 조건(또는 습도 상태)에 따라 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 타겟 압력을 결정한다.
이때, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 타겟 압력은 요구되는 연료전지 스택(20)의 사양(또는 차종) 및 사용 환경 등에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 공기의 타겟 압력에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
단계 2:
다음, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력을 측정한다.(S20)
측정단계(S20)에서는 현재 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력을 측정할 수 있다.
공기의 현재 압력은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 측정될 수 있으며, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 측정단계(S20)에서는 연료전지 스택(20)(또는 공기공급라인)에 마련되는 압력 측정 센서에서 센싱된 신호에 기초하여 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력을 측정할 수 있다.
단계 3:
다음, 현재 압력과 타겟 압력을 비교한다.(S30)
비교단계(S30)에서는 기설정된 공기의 타겟 압력과 현재 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력을 비교한다.
바람직하게, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 타겟 압력은 연료전지 스택(20)의 운전 조건 별로 룩업테이블(Lookup Table)에 미리 저장될 수 있으며, 비교단계(S30)에서는 룩업테이블에 미리 저장된 정보(타겟 압력)를 이용하여 공기의 타겟 압력과 공기의 현재 압력을 빠르게 비교할 수 있다.
아울러, 룩업테이블에 미리 저장되지 않은 제어 파라미터(기준소비전력)는, 미리 저장된 인접한 값 간의 오차에 관한 정보를 이용한 보간법(interpolation)으로 산출될 수 있다.
단계 4:
그 후, 현재 압력과 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러(214)의 회전을 제어한다.(S40)
제어단계(S40)에서는 현재 압력과 타겟 압력의 차이에 기초하여 임펠러(214)의 회전을 제어함으로써, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
일 예로, 도 4를 참조하면, 제어단계(S40)에서는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 낮으면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력이 낮은 것으로 판별(현재 압력 < 타겟 압력)되면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어하는 것에 의하여, 임펠러(214)를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 낮출 수 있고, 결과적으로 공기배출라인(200)에 배압을 높일 수 있으므로, 연료전지 스택(20) 내의 압력을 높일 수 있다.
다른 일 예로, 제어단계(S40)에서는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 현재 압력이 타겟 압력보다 높으면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기준 속도보다 높게 제어할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기의 압력이 높은 것으로 판별(현재 압력 > 타겟 압력)되면, 임펠러(214)의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 높게 제어하는 것에 의하여, 임펠러(214)를 거쳐 배기되는 공기의 배기량을 높일 수 있고, 결과적으로 공기배출라인(200)에 배압을 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(20) 내의 압력을 낮출 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법은, 연료전지 스택(20)의 비시동 상태에서, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단하는 단계를 포함하고, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단한 상태에서, 임펠러(214)가 회전하면, 공기배출라인(200)의 내부 압력은 공기공급라인(100)으로 공급되는 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의되되, 공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택(20)에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택(20)에 공기의 출입을 허용하면서, 공기압축기(130)를 작동시킨다.
연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단하는 단계에서는, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 선택적으로 차단하는 에어 컨트롤 밸브(300)를 이용하여, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단(에어 컨트롤 밸브 OFF)할 수 있다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)을 출입하는 공기를 차단(제1포트 및 제2포트를 차단)한 상태에서 임펠러(214)를 회전시키는 것에 의하여, 공기압축기(130)를 과급 운전시키지 않고도, 연료전지 스택(20)의 내부에 잔류하는 응축수를 연료전지 스택(20)의 외부로 배출하는 것이 가능하다.
또한, 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태(잔류 응축수가 배출된 상태)에서 차단밸브(230)가 공기배출라인(200)을 차단함으로써, 연료전지 스택(20)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지될 수 있다.
공기배출라인(200)의 내부 압력이 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 연료전지 스택(20)에 시동 명령이 인가되면, 연료전지 스택(20)에 공기의 출입을 허용함과 동시에 공기압축기(130)가 작동하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20)과 공기공급라인(100)의 압력 차이로 인해, 공기공급라인(100)의 공기가 연료전지 스택(20)으로 빨려 들어갈 수 있으므로, 공기압축기(130)를 무리하게 작동(과급 운전)시키지 않고도(예를 들어, 정상 운전 모드로 작동) 연료전지 스택(20)에 공기를 과급하는 효과를 구현할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지용 에어 컨트롤 시스템
20 : 연료전지 스택
100 : 공기공급라인
110 : 흡입 필터
120 : 흡기 소음기
130 : 공기압축기
140 : 쿨러
150 : 가습기
200 : 공기배출라인
210 : 압력조절부
212 : 하우징
214 : 임펠러
216 : 모터
220 : 배기 소음기
230 : 차단밸브
300 : 에어 컨트롤 밸브
400 : 제어부

Claims (11)

  1. 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인;
    상기 공기공급라인에 마련되는 공기압축기;
    상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인;
    상기 공기배출라인에 연결되는 하우징, 상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러, 상기 임펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터를 포함하는 압력조절부; 및
    상기 연료전지 스택의 내부에서 상기 공기의 압력이 가변되도록 상기 임펠러의 회전을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택에 공급되는 상기 공기의 현재 압력과 상기 공기의 타겟 압력의 차이에 기초하여 상기 임펠러의 회전을 제어하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 현재 압력이 상기 타겟 압력보다 낮으면, 상기 임펠러의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어하고,
    상기 현재 압력이 상기 타겟 압력보다 높으면, 상기 임펠러의 회전 속도를 상기 기준 속도보다 높게 제어하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택을 출입하는 상기 공기를 선택적으로 차단하는 에어 컨트롤 밸브를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 연료전지 스택에 대한 상기 공기의 출입 상태에 기초하여 상기 임펠러의 회전을 제어하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에어 컨트롤 밸브가 상기 연료전지 스택을 출입하는 상기 공기를 차단한 상태에서, 상기 제어부에 의해 상기 임펠러가 회전하면,
    상기 공기배출라인의 내부 압력은 상기 공기공급라인으로 공급되는 상기 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의되는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공기배출라인을 선택적으로 차단하는 차단밸브를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 압력이 상기 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 상기 차단밸브가 상기 공기배출라인을 차단하면,
    상기 내부 압력이 상기 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태가 연속적으로 유지되는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내부 압력이 상기 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 상기 연료전지 스택에 시동 명령이 인가되면,
    상기 연료전지 스택에 상기 공기의 출입이 허용되면서, 상기 공기압축기가 작동하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템.
  9. 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기공급라인; 상기 공기공급라인에 마련되는 공기압축기; 상기 연료전지 스택에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로부터 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배출라인; 및 상기 공기배출라인에 연결되는 하우징, 상기 하우징의 내부에 회전 가능하게 마련되는 임펠러, 상기 임펠러를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 모터를 포함하는 압력조절부;를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법으로서,
    상기 연료전지 스택에 공급되는 상기 공기의 타겟 압력을 결정하는 결정단계;
    상기 연료전지 스택에 공급되는 상기 공기의 현재 압력을 측정하는 측정단계;
    상기 현재 압력과 상기 타겟 압력을 비교하는 비교단계; 및
    상기 현재 압력과 상기 타겟 압력의 차이에 기초하여 상기 임펠러의 회전을 제어하는 제어단계;
    를 포함하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어단계에서는,
    상기 현재 압력이 상기 타겟 압력보다 낮으면, 상기 임펠러의 회전 속도를 기설정된 기준 속도보다 낮게 제어하고,
    상기 현재 압력이 상기 타겟 압력보다 높으면, 상기 임펠러의 회전 속도를 상기 기준 속도보다 높게 제어하는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 비시동 상태에서, 상기 연료전지 스택을 출입하는 상기 공기를 차단하는 단계를 포함하고,
    상기 연료전지 스택을 출입하는 상기 공기를 차단한 상태에서, 상기 임펠러가 회전하면, 상기 공기배출라인의 내부 압력은 상기 공기공급라인으로 공급되는 상기 공기의 기준공급압력보다 낮게 정의되되,
    상기 공기배출라인의 내부 압력이 상기 기준공급압력보다 낮게 정의된 상태에서, 상기 연료전지 스택에 시동 명령이 인가되면, 상기 연료전지 스택에 상기 공기의 출입을 허용하면서, 상기 공기압축기를 작동시키는 연료전지용 에어 컨트롤 시스템의 제어방법.
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