KR20230056121A - 연료전지 응축수 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치는 연료전지 스택의 냉각수에 열을 가하는 제1 히터, 연료전지 스택에서 발생되는 응축수에 열을 가하는 제2 히터 및 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 응축수 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING CONDENSATE OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 응축수 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소공급계(FPS)에서 응축수가 발생한다. 즉, 수소이온의 이동으로 공기극에서 물이 생성되지만, 역 확산(back-diffusion) 현상에 의해 일부 물이 공기극에서 다시 수소극으로 넘어오는데, 전극을 벗어난 물은 공기극으로 다시 들어갈 수 없어 수소극 워터 트랩(fuel water trap, FWT)에 떨어지고 이를 응축수라고 부른다.
워터 트랩에 일정량 이상의 응축수가 응집되면 수소극 드레인 밸브(fuel drain valve, FDV) 수위 센서가 수위를 감지하여 솔레이노이드 밸브를 개방하여 응축수를 외부로 배출시킨다.
연료전지 승용 차량의 경우 Vent가 연료전지보다 낮은 위치에 있어 응축수 배출이 원활하고, 주/정차 시 물 배출로 인한 위험성이 적다.
한편, 산업용 차량(건설기계 등)의 경우 실내 작업장에서 주/정차 하는 경우가 많고, 배수 시설이 되어있지 않은 밀폐 공간이 많아 연료전지 OFF 시 주변 바닥에 물이 고이는 문제가 많이 발생한다. 따라서, 산업용 차량의 경우 물로 인한 사고를 방지하기 위한 기술이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 연료전지에서 발생하는 응축수를 건조시킬 수 있는 연료전지 응축수 관리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 해당 분야의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치는 연료전지 스택의 냉각수에 열을 가하는 제1 히터, 연료전지 스택에서 발생되는 응축수에 열을 가하는 제2 히터 및 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2 히터는 응축수를 저장하는 리저버 탱크 내부에 구비되는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제2 히터는 응축수가 유동되는 배관 내부에 원통 형상으로 구비되는 PTC 히터를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 미만이면 상기 제1 히터를 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능으로 구동킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 이상이면 상기 제2 히터를 COD 기능으로 구동시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리에 충전 중 상기 고전압 배터리의 충전량이 소정 한계치를 초과하면 잔여 전력으로 상기 제2 히터를 구동시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 히터의 기능별로 연결된 릴레이를 선택하여 상기 제1 히터의 기능별 동작이 수행되도록 제어하며, 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어할 경우 상기 제1 히터의 선택을 해제 후 상기 제2 히터를 선택하여 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 방법은 제1 히터를 구동하여 연료전지 스택의 냉각수에 열을 가하는 단계, 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 제2 히터의 구동을 제어하는 단계 및 상기 제2 히터를 구동하여 연료전지 스택에서 발생되는 응축수에 열을 가하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 응축수 관리 방법은 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 미만이면 상기 제1 히터를 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능으로 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 응축수 관리 방법은 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 이상이면 상기 제2 히터를 COD 기능으로 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 응축수 관리 방법은 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리에 충전 중 상기 고전압 배터리의 충전량이 소정 한계치를 초과하면 잔여 전력으로 상기 제2 히터를 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 연료전지 응축수 관리 방법은 상기 제1 히터의 기능별로 연결된 릴레이를 선택하여 상기 제1 히터의 기능별 동작이 수행되도록 제어하는 단계와, 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어할 경우 상기 제1 히터의 선택을 해제 후 상기 제2 히터를 선택하여 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 기술은 연료전지에서 발생하는 응축수를 건조시켜 외부로 배출되도록 하여, 안정적인 수소공급으로 인한 출력 안정성 향상과 연료 전지 수명이 증대되고, 응축수 관리를 통해 산업용 차량의 주행 안정성을 향상 시킬 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통하여 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 나타내는 블록도이며,
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이며,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 구성하는 응축수 히터를 설명하기 위한 도면이며,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템은 수소공급부(H2), 수소차단밸브(110), 수소공급밸브(120), 이젝터(130), 연료전지스택(140), 수소퍼지밸브(150), 워터트랩(160), 응축수 밸브(170), 공기공급기(180), 가습기(190), 공기차단밸브(200), 압력조절밸브(210) 및 응축수 관리 장치(300)를 포함하여 구성할 수 있다.
수소공급부(H2)는 연료전지스택(140)으로 연료인 수소를 공급하는 것으로 수소가 저장된 수소 탱크(미도시)와 레귤레이터(미도시) 등을 포함할 수 있으며, 수소 탱크로부터 연장되는 수소 공급계의 배관을 따라 수소가 연료전지스택(140)으로 유동될 수 있다.
수소 탱크는 700bar 정도의 고압 수소 가스를 용기 내부에 저장할 수 있다.
레귤레이터는 수소 탱크에 저장된 고압 수소를 17bar 정도로 감압시키며, 감압된 수소를 레귤레이터 후단으로 공급할 수 있다.
수소 공급계의 배관을 따라 레귤레이터 후단으로 수소차단밸브(110)와 수소공급밸브(120)가 구비될 수 있다.
수소차단밸브(110)는 NC(Nomally-closed) 타입의 밸브 일 수 있다. 수소차단밸브(110)는 비상시에 수소 탱크로부터 방출될 수 있는 수소를 차단하기 위한 밸브일 수 있다.
수소공급밸브(120)는 연료전지스택(140)에 공급되는 수소 압력을 조절할 수 있다. 수소공급밸브(120)는 전자석에 의해 구동될 수 있는 솔레노이드 타입의 밸브로 구성될 수 있다. 수소공급밸브(120)는 후단에 형성된 배관에 의해 연료전지스택(140)과 연결될 수 있다.
이젝터(130)는 수소공급부(H2)를 통해 공급된 저압 수소를 연료전지스택(140)으로 공급할 수 있다.
이젝터(130)는 연료전지스택(140)의 수소극으로부터 배출되는 고온 다습한 수소와 수소공급부(H2)로부터 공급되는 건조한 수소를 믹싱하여 연료전지스택(140)의 수소극으로 공급할 수 있다.
연료전지스택(140)은 수소와 산소의 화학 반응을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 것으로, 전해질막의 양쪽에서 전기 화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와, 막전극접합체의 일면에 적층되고 연료인 수소를 공급받는 수소극(anode)과, 막전극접합체의 타면에 적층되고 산화제인 산소를 공급받는 공기극(cathode)으로 구성될 수 있다.
연료전지스택(140)에서 전기 화학적 반응에 따라 생성되는 응축수는 연료전지스택(140) 내부에 생성되고, 이는 연료전지스택(140) 외부의 응축수 배출 경로를 거쳐 Vent로 원활하게 배출되어야 한다.
연료전지스택(140) 내부에서 응축수가 잘 배출되지 않는 경우, 즉 플러딩(flooding) 상태인 경우, 연료인 수소의 공급을 방해하여 연료전지스택(140)의 발전 성능이 저하되며, 심각한 경우 연료전지스택(140)의 손상을 일으킬 수 있다.
수소극의 응축수를 배출하기 위해서는 연료전지스택(140) 내부의 수소 흐름량을 증가시켜 연료전지스택(140) 내부에서의 유체(수분을 포함한 혼합 가스)의 흐름 속도를 증가시켜야 한다.
이때, 가장 많이 이용되는 것이 주기적인 수소의 퍼지이다. 즉, 연료전지스택(140) 내의 수분을 제거하고자 할 때 응축수 밸브(170)를 통해 퍼징함으로써 일시적으로 연료전지스택(140) 내의 수소 흐름량을 증가시킬 수 있다.
수소극에서 배출되는 수소를 포함하는 가스는 이젝터(130)를 통해서 다시 수소극으로 재순환되고, 나머지는 워터트랩(160) 및 응축수 밸브(170) 등을 통해서 외부로 배출될 수 있다.
수소퍼지밸브(150)는 연료전지스택(140)에서 반응에 불필요한 수소를 대기 중으로 방출시킬 수 있다.
워터트랩(160)은 응축수를 저장할 수 있다.
응축수 밸브(170)는 워터트랩(160)에 저장된 응축수를 외부로 배출시키기 위한 밸브이다. 응축수 밸브(170)는 전자석에 의해 구동될 수 있는 솔레노이드 타입의 밸브로 구성될 수 있다.
공기공급기(180)는 고전압을 이용하는 BLDC(Brushless Direct Current motor) 3상 모터인 공기공급모터(191)를 회전 구동하여 압축 공기를 생성하며, BPCU(Blower Pump Control Unit)를 통하여 최대 10만 RPM까지 제어가 가능하다. 공기공급기(180)에서 생성된 압축 공기는 가습기(190)로 공급될 수 있다.
가습기(190)는 연료전지스택(140)의 공기극에 연결된 공기 공급 라인과 공기 배출 라인 사이에 구비되어 공기 공급 라인을 따라 공기극으로 공급되는 공기를 가습시킬 수 있다.
가습기(190)는 공기공급기(180)를 통하여 건조한 상태로 유입되어 공기 공급 라인을 따라 유동하는 공기와, 공기극에서 습한 상태로 배출되어 공기 배출 라인을 따라 유동하는 공기를 수분 교환하여, 공기 공급 라인을 유동하는 공기를 가습시킬 수 있다.
공기차단밸브(200)는 가습기(190)에서 공급되는 공기를 연료전지스택(140)으로 유동되도록 하거나 또는 차단되도록 열림 또는 닫힘 동작을 수행할 수 있다.
공기차단밸브(200)는 차량 시동 중(IGN ON) 열림 상태일 경우, 가습기(190)에서 공급된 공기를 연료전지스택(140)의 공기극으로 공급하거나 또는 연료전지스택(140)에서 사용된 공기를 가습기(190)로 배출시킬 수 있다.
공기차단밸브(200)는 차량 시동 종료(IGN Off) 시 닫힘 상태가 되어 공기의 유동을 차단함으로써 연료전지스택(140)으로 공기가 공급되지 못하게 막을 수 있다. 공기차단밸브(200)의 닫힘 상태에서 열림 상태의 가동 범위는 0도~90도가 될 수 있다.
압력조절밸브(210)는 응축수의 배출 경로에 구비되며, 공기극으로부터 배출되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
응축수 관리 장치(300)는 압력조절밸브(210)의 후단인 응축수의 배출 경로에 구비되어, 응축수의 배출 경로를 지나는 응축수를 건조시킬 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 응축수 관리 장치(300)는 압력조절밸브(210)의 전단에 구비될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니며, 응축수의 배출 경로 상의 다양한 위치에 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치는 온도센서(310), 고전압 배터리(320), 모터관리부(330), 배터리관리부(340), COD 히터(350), 응축수 히터(360) 및 제어부(370)를 포함할 수 있다.
온도센서(310)는 외기 기온을 측정할 수 있다.
고전압 배터리(320)는 연료전지 차량의 제동 시 회생되는 에너지를 충전할 수 있다. 즉, 연료전지 차량의 주행 시 회생 제동에 의해 모터에서 전력이 회수되고 해당 에너지는 고전압 배터리(320)에 충전될 수 있다.
한편, 연료전지 차량의 주행이 계속되는 경우 회생 제동으로 인해 고전압 배터리(320)의 충전량(State Of Charge; SOC)이 소정의 한계치(예를 들어, SOC가 85% 이상)에 도달하면 충전이 완료되었다고 판단할 수 있으며, 고전압 배터리의 충전량(SOC)이 소정의 한계치를 넘어서면 더이상 충전할 수 없어 회생 제동이 불가능한 상황이 된다.
참고로, 일반적인 연료전지 차량에서 모터를 구동하는 주 동력원으로 연료전지 스택(140)과 고전압 배터리(320)를 함께 사용한다. 주 동력원이 2개이므로 어떤 원인에 의해 1개의 동력원에서 이상이 발생되었을 경우, 연료전지 차량은 연료전지 스택(140)만으로 비상 주행을 하거나 또는 고전압 배터리(320)만을 이용하여 비상 주행을 실시하여 차량이 안전한 곳으로 이동을 할 수 있도록 페일-세이프(Fail-safe)가 구성되어 있다.
모터관리부(330)는 고전압 시스템에서 필요한 전력을 소모하며 연료전지 차량 모터(미도시)를 구동하고, 회생 제동 시에는 연료전지 차량 모터에서 생성된 전류를 고전압 시스템으로 보내 고전압 배터리(320)가 충전되도록 할 수 있도록 한다. 모터관리부(330)는 MCU(Motor Control Unit) 또는 VCU((Vehicle Control Unit)를 포함할 수 있다.
배터리관리부(340)는 고전압 배터리(320)의 충전 상태 정보인 SOC(Stat Of Charge) 정보를 제공한다. 배터리관리부(340)는 BMS(Battery Management System)를 포함할 수 있다.
COD 히터(350)는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능, 냉 시동 기능, 회생 제동 기능 및 급속 고전압 소진 기능의 4가지로 동작할 수 있다.
실시 예에 따르면, 연료전지 차량의 시동이 꺼지고 연료전지 스택(140)의 셧 다운 시 연료전지 스택(140)의 잔여 수소와 산소가 존재할 수 있는데, 이러한 잔여 수소와 산소로 인하여 연료전지 스택(140)의 내구성이 감소할 수 있다. 이때, 잔여 수소와 산소를 연료전지 스택(140)에서 반응시켜 발생하는 전력을 COD 히터(350)에서 소모하여 연료전지 스택(140)의 내구성을 증가시킬 수 있으며, 이러한 COD 히터(350)의 기능을 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능으로 정의할 수 있다.
또한 실시 예에 따르면, 영하의 외기 온도에서 연료전지 차량 시동 후 연료전지 스택(140)의 전력 생성을 원활하게 하기 위해, COD 히터(350)의 발열체를 통해 냉각수를 가열하여 연료전지 스택(140)의 온도를 승온 시킴으로써 연료전지 스택(140)의 출력 성능을 정상화시킬 수 있는데, 이러한 COD 히터(350)의 기능을 냉 시동 기능으로 정의할 수 있다.
또한 실시 예에 따르면, 연료전지 차량의 회생 제동 시 발생하는 전력은 고전압 배터리(320)에 충전되는데, 고전압 배터리(320)의 SOC가 높은 경우 COD 히터(350)에서 발열로 회생 에너지를 강제로 소모시킬 수 있으며, 이러한 COD 히터(350)의 기능을 회생 제동 기능으로 정의할 수 있다.
또한 실시 예에 따르면, 연료전지 차량이 사고 등으로 고전압 배터리(320)에 충격이 발생하여 고전압 배터리(320)의 절연 파괴 시 고전압이 연료전지 차량의 샤시나 프레임을 통하여 흐르게 되어 감전의 위험이 있다. 이때, 고전압 시스템 차단 후 고전압 배터리(320)의 잔여 전력을 COD 히터(350)에서 소모하여 감전 사고를 방지할 수 있으며, 이러한 COD 히터(350)의 기능을 급속 고전압 소진 기능으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 차량의 충돌 후 60초 이내에 DC 60V, AC 30V 미만으로 고전압 배터리(320)에 잔여하는 전력을 저감시킬 수 있다.
응축수 히터(360)는 연료전지 스택(140)에서 발생된 응축수를 발열을 통하여 건조시킬 수 있다. 예를 들어, 응축수 히터(360)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터를 이용할 수 있다. 응축수 히터(360)로서 PTC 히터를 사용하는 경우, 추가 전력 장치나 연료전지 스택(140) 출력의 소모 없이 열을 발생 시킬 수 있고, 비용을 줄일 수 있으며, 용이하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
응축수 히터(360)는 COD 히터(350)의 기능 중 냉 시동 기능을 제외한 나머지 기능들(즉, COD 기능, 회생 제동 기능 및 급속 고전압 소진 기능)에 기반하여 얻어지는 전력을 이용하여 구동될 수 있다. 예를 들어, 응축수 히터(360)는 냉 시동 기능을 제외한 나머지 기능들의 미 사용시에 소비되지 않고 남는 전력을 사용하여 구동할 수 있다.
즉, 응축수 히터(360)는 연료전지 차량의 시동이 꺼지고 연료전지 스택(140)의 셧 다운 시 연료전지 스택(140)의 잔여 수소와 산소를 반응시켜 발생하는 전력을 전달받아 구동할 수 있다. 또한, 응축수 히터(360)는 고전압 배터리(320)의 SOC가 높은 경우, 연료전지 차량의 회생 제동 시 발생하는 전력을 전달받아 구동할 수 있다. 또한, 응축수 히터(360)는 연료전지 차량이 사고 등으로 고전압 배터리(320)에 충격이 발생하여 고전압 배터리(320)의 절연 파괴 시 고전압 배터리(320)의 잔여 전력을 전달받아 구동할 수 있다.
제어부(370)는 연료전지 제어 장치의 각 구성요소들 간 전달되는 신호를 처리할 수 있다. 제어부(370)는 연료전지 제어 유닛(Fuel Control Unit; FCU)를 포함할 수 있다. 제어부(370)는 모터관리부(330)를 통하여 연료전지 차량의 상태 정보를 전달받고, 배터리 관리부(340)를 통하여 고전압 배터리(340)의 충전 상태를 전달받을 수 있다. 제어부(370)는 COD 히터(350)의 냉 시동 기능을 제외한 나머지 기능들의 미 사용시에 소비되지 않고 남는 전력을 응축수 히터(360)가 사용하여 구동하도록 제어할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, COD 히터(350)는 고전압 회로에서 NC(Normally Connected) 타입 또는 NO(Normally Open) 타입으로 선택적으로 구분되는 릴레이 회로에 연결될 수 있다. 즉, 도 4의 NC 타입에서의 COD 히터(350)는 COD 기능으로 동작하고, 도 5의 NO 타입에서의 COD 히터(350)는 냉 시동 기능, 회생 제동 기능 및 급속 고전압 소진 기능으로 동작할 수 있다.
응축수 히터(360)는 COD 히터(350)와 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 응축수 히터(360)는 NC 타입의 릴레이 회로에 연결되는 경우 또는 NO 타입의 릴레이 회로에 연결되는 경우에 상관없이 동작할 수 있다.
제어부(370)는 선택부(375)를 제어하여 COD 히터(350)를 동작시킬 지 또는 응축수 히터(360)를 동작시킬 지 선택할 수 있다. 따라서, COD 히터(350)를 선택하여 동작시키면 응축수가 건조되지 않고, 응축수 히터(360)를 선택하여 동작시키면 응축수가 건조될 수 있다.
제어부(370)는 잔여 전력이 없는 경우 NC 타입의 릴레이 회로가 응축수 히터(360)로 연결되도록 제어하고, 잔여 전력이 발생하는 경우 NO 타입의 릴레이 회로가 응축수 히터(360)로 연결되도록 제어할 수 있다. 즉, 잔여 전력이 발생하지 않는 상황에서 응축수가 많이 발생하는 경우, 제어부(370)는 NC 타입의 릴레이 회로가 응축수 히터(360)로 연결되도록 제어하여 응축수 히터(360)가 발열 되도록 할 수 있다.
외기온이 소정 온도를 초과하는 경우 COD 기능은 응축수 히터(360)가 수행할 수 있다. 예를 들어, 외기온이 15℃ 초과하면, 제어부(370)는 NC 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 응축수 히터(360)를 선택함으로써, COD 기능을 응축수 히터(360)가 수행하도록 제어할 수 있다.
한편, 외기온이 소정 온도 미만인 경우, COD 기능은 COD 히터(350)가 수행할 수 있다. 예를 들어, 외기온이 15℃미만이면, 제어부(370)는 NC 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 COD 히터(350)를 선택함으로써, COD 기능을 COD 히터(350)가 수행하도록 제어할 수 있다.
제어부(370)는 냉 시동 조건이 되면, COD 기능을 해제하고 냉 시동 기능이 수행되도록 할 수 있다. 예를 들어, 외기온이 영하일 때, 제어부(370)는 NO 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 COD 히터(350)를 선택함으로써, 냉 시동 기능을 COD 히터(350)가 수행하도록 제어할 수 있다.
제어부(370)는, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리(320)에 충전 중 고전압 배터리(320)의 충전량이 소정 한계치를 초과하면 잔여 전력으로 응축수 히터(360)를 구동킬 수 있다. 예를 들어, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리(320)에 충전 중 고전압 배터리(320)의 충전량이 85%를 초과하면 제어부(370)는 NO 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 응축수 히터(360)를 선택함으로써, 잔여 전력으로 응축수 히터(360)가 구동되도록 제어할 수 있다.
이렇게 함으로써, 외기온이 소정 온도를 초과하여 COD 기능을 응축수 히터(360)가 수행할 때와, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리(320)에 충전 중 고전압 배터리(320)의 충전량이 소정 한계치를 초과하여 잔여 전력으로 응축수 히터(360)를 구동시킬 때, 응축수 히터(360)는 발열되어 응축수를 건조시킬 수 있다.
아울러, 제어부(370)는 연료전지 응축수 관리 장치의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 제어부(370)는 다른 구성요소(예: 센서)로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리에 저장하고, 휘발성 메모리에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(370)는 메인 프로세서(예: 중앙 처리 장치 또는 어플리케이션 프로세서) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(예: 그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(195)가 메인 프로세서 및 보조 프로세서를 포함하는 경우, 보조 프로세서는 메인 프로세서보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서는 메인 프로세서와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
도면에 나타내지는 않았지만, 실시 예들에 따르면, 연료전지 응축수 관리 장치는 저장부를 더 포함할 수 있다.
저장부는 연료전지 응축수 관리 장치를 제어하는 명령어, 제어 명령어 코드, 제어 데이터 또는 사용자 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들면, 저장부는 애플리케이션(application) 프로그램, OS(operating system), 미들웨어(middleware) 또는 디바이스 드라이버(device driver) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
저장부는 휘발성 메모리(volatile memory) 또는 불휘발성(non-volatile memory) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
휘발성 메모리는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static RAM), SDRAM(synchronous DRAM), PRAM(phase-change RAM), MRAM(magnetic RAM), RRAM(resistive RAM), FeRAM(ferroelectric RAM) 등을 포함할 수 있다.
불휘발성 메모리는 ROM(read only memory), PROM(programmable ROM), EPROM(electrically programmable ROM), EEPROM(electrically erasable programmable ROM), 플래시 메모리(flash memory) 등을 포함할 수 있다.
저장부는 하드 디스크 드라이브(HDD, hard disk drive), 솔리드 스테이트 디스크(SSD, solid state disk), eMMC(embedded multimedia card), UFS(universal flash storage)와 같은 불휘발성 매체(medium)를 더 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 장치를 구성하는 응축수 히터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 응축수 히터(360)는 응축수를 저장하는 리저버 탱크(361) 내부에 판 형상의 PTC 히터로 구비될 수 있다. 따라서, 리저버 탱크(361)에 응축수가 저장되면, 판 형상의 PTC 히터의 발열로 인하여 응축수가 건조될 수 있다.
도 7을 참조하면, 응축수 히터(360)는 응축수가 유동되는 배관(362) 내부에 원통 형상의 PTC 히터로 구비될 수 있다. 이 경우는 굴삭기, 포크레인 등과 같이 배기구의 배관이 길게 형성된 경우로써, 원통 형상의 PTC 히터의 발열로 인하여, 배관을 지나는 응축수가 PTC 히터에 닿으면서 건조될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 응축수 관리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 도 2의 연료전지 응축수 관리 장치가 도 8의 프로세스를 수행하는 것을 가정한다.
먼저, 고전압 시스템이 온 되고(S110), 외기온이 소정 온도를 초과하는 경우(S120), 제어부(370)는 NC 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 응축수 히터(360)를 선택함으로써, COD 기능을 응축수 히터(360)가 수행하도록 제어할 수 있다(S130).
한편, 외기온이 소정 온도 미만인 경우(S120), 연료전지 시스템이 온 되고(S140), 제어부(370)는 NC 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 COD 히터(350)를 선택함으로써, COD 기능을 COD 히터(350)가 수행하도록 제어할 수 있다(S150).
제어부(370)는 냉 시동 조건이 되면(S160), NO 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 COD 히터(350)를 선택함으로써, 냉 시동 기능을 COD 히터(350)가 수행하도록 제어할 수 있다(S170).
제어부(370)는 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리(320)에 충전 중(S180), 고전압 배터리(320)의 충전량이 소정 한계치를 초과하면(S190), NO 타입의 릴레이 회로를 선택 후 선택부(375)를 제어하여 응축수 히터(360)를 선택함으로써, 잔여 전력으로 응축수 히터(360)가 구동되도록 제어할 수 있다(S200).
이렇게 함으로써, 외기온이 소정 온도를 초과하여 COD 기능을 응축수 히터(360)가 수행할 때와, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리(320)에 충전 중 고전압 배터리(320)의 충전량이 소정 한계치를 초과하여 잔여 전력으로 응축수 히터(360)를 구동시킬 때, 응축수 히터(360)는 발열되어 응축수를 건조시킬 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리 또는 외장 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다.
기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다.
대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 연료전지에서 발생하는 응축수를 건조시켜 외부로 배출되도록 하여, 안정적인 수소공급으로 인한 출력 안정성 향상과 연료 전지 수명이 증대되고, 응축수 관리를 통해 산업용 차량의 주행 안정성을 향상 시킬 수 있다. 그리고, 고전압 배터리의 SOC 관리에 따른 절연 파괴를 방지할 수 있고, 리저버 탱크가 있으면 굴삭기에서 강제로 외기온을 낮춰 공기를 과급 시켜 blow를 높이는 방법으로 응축수 배출을 하지 않아도 되므로, 불필요한 제어 전력 낭비가 줄어들 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 연료전지 스택의 냉각수에 열을 가하는 제1 히터;
    연료전지 스택에서 발생되는 응축수에 열을 가하는 제2 히터; 및
    상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 히터는, 응축수를 저장하는 리저버 탱크 내부에 구비되는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 히터는, 응축수가 유동되는 배관 내부에 원통 형상으로 구비되는 PTC 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 미만이면 상기 제1 히터를 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 이상이면 상기 제2 히터를 COD 기능으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리에 충전 중 상기 고전압 배터리의 충전량이 소정 한계치를 초과하면 잔여 전력으로 상기 제2 히터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 히터의 기능별로 연결된 릴레이를 선택하여 상기 제1 히터의 기능별 동작이 수행되도록 제어하며, 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어할 경우, 상기 제1 히터의 선택을 해제 후 상기 제2 히터를 선택하여 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 장치.
  8. 제1 히터를 구동하여 연료전지 스택의 냉각수에 열을 가하는 단계;
    상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 제2 히터의 구동을 제어하는 단계; 및
    상기 제2 히터를 구동하여 연료전지 스택에서 발생되는 응축수에 열을 가하는 단계
    를 포함하는 연료전지 응축수 관리 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 응축수 관리 방법은, 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 미만이면 상기 제1 히터를 COD(Cathode Oxygen Depletion) 기능으로 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연료전지 응축수 관리 방법은, 연료전지 스택 구동 시 외기온이 소정 온도 이상이면 상기 제2 히터를 COD 기능으로 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 응축수 관리 방법은, 회생 제동 시 발생하는 전력을 고전압 배터리에 충전 중 상기 고전압 배터리의 충전량이 소정 한계치를 초과하면 잔여 전력으로 상기 제2 히터를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 응축수 관리 방법은, 상기 제1 히터의 기능별로 연결된 릴레이를 선택하여 상기 제1 히터의 기능별 동작이 수행되도록 제어하는 단계와, 상기 제1 히터의 기능들 중 적어도 일부의 기능의 동작 여부에 기초한 잔여 전력을 이용하여 상기 제2 히터의 구동을 제어할 경우, 상기 제1 히터의 선택을 해제 후 상기 제2 히터를 선택하여 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 응축수 관리 방법.
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