KR20230153837A - Fuel cell system and heating control method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 실내 난방용 덕트로 이송시키는 냉각팬, 상기 덕트 내로 유입된 공기가 실내로 배출되도록 유로 상의 댐퍼 도어를 회전시키는 액추에이터, 및 상기 라디에이터의 토출 공기 온도에 기초하여 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a cooling fan that sucks heated air discharged from a radiator and transfers it to an indoor heating duct, and an actuator that rotates a damper door on the flow path so that the air introduced into the duct is discharged indoors. , and a control unit that controls the rotation angle of the actuator based on the temperature of the discharge air of the radiator.
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 난방 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and its heating control method.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. A fuel cell system can generate electrical energy using a fuel cell stack. For example, if hydrogen is used as a fuel for a fuel cell stack, it can be an alternative to solving global environmental problems, so continuous research and development is being conducted on fuel cell systems.
연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(thermal management system, TMS)을 포함할 수 있다.The fuel cell system consists of a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen from the air, an oxidizing agent necessary for electrochemical reactions, to the fuel cell stack, and fuel. It may include a thermal management system (TMS) that removes reaction heat from the cell stack to the outside of the system, controls the operating temperature of the fuel cell stack, and performs a water management function.
열 관리 시스템은, 냉각수 역할을 하는 부동액을 연료전지 스택으로 순환시켜 적정 온도(예를 들어, 60~70℃)를 유지시키는 냉각 장치의 일 종류로서, 냉각수가 순환하는 TMS 라인, 냉각수가 저장된 리저버, 냉각수를 순환시키는 펌프, 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 필터, 및 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터를 포함할 수 있다. 또한, 열 관리 시스템은 냉각수를 가열하는 히터, 및 냉각수를 이용하여 연료전지 시스템이 포함된 장치(예: 차량)의 내부를 냉난방 하는 공조유닛 등을 포함할 수 있다. The thermal management system is a type of cooling device that maintains an appropriate temperature (e.g., 60 to 70°C) by circulating antifreeze, which acts as coolant, into the fuel cell stack. It includes a TMS line through which the coolant circulates, and a reservoir where the coolant is stored. , a pump that circulates the coolant, an ion filter that removes ions contained in the coolant, and a radiator that emits heat from the coolant to the outside. Additionally, the thermal management system may include a heater that heats coolant, and an air conditioning unit that uses coolant to cool or heat the interior of a device (eg, vehicle) containing a fuel cell system.
일 예로서, 공조유닛은 연료전지 시스템이 포함된 차량의 실내 난방을 위한 전기히터를 포함할 수 있다. 전기히터는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터가 널리 사용되고 있으며, PTC 히터는 급속한 발열이 가능하므로 실내 온도를 쉽게 승온시킬 수 있고, 간단한 제어로직으로도 쉽게 난방을 제어할 수 있다.As an example, the air conditioning unit may include an electric heater for heating the interior of a vehicle including a fuel cell system. PTC (Positive Temperature Coefficient) heaters are widely used as electric heaters. PTC heaters are capable of rapid heat generation, so they can easily raise the room temperature, and heating can be easily controlled with simple control logic.
다만, PTC 히터는 배터리 또는 연료전지로부터 전력을 공급받아 작동하는데, 실내 난방을 위해서는 많은 전력을 소비해야 하므로 주행 거리가 짧아지는 등의 연비 저하 문제가 발생할 수 있다.However, PTC heaters operate by receiving power from a battery or fuel cell, and require a lot of power to heat the room, which can lead to problems with reduced fuel efficiency, such as shortened driving distance.
본 발명의 일 목적은, 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 냉각에 사용된 냉각수의 폐열을 실내 난방에 이용함으로써 PTC 히터의 전력 소모를 최소화하고 연비 효율을 증대시키는 연료전지 시스템 및 그의 난방 제어 방법을 제공함에 있다.One object of the present invention is to provide a fuel cell system and a heating control method thereof that minimize the power consumption of the PTC heater and increase fuel efficiency by using the waste heat of the coolant used to cool the fuel cell stack in the fuel cell system for indoor heating. It is provided.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 라디에이터의 냉각팬을 난방 유닛의 블로워로 활용함으로써 HVAC(Heating Ventilation and Air Conditioning) 블로워나 히터 코어(HTR CORE)와 같은 부품을 제거하여 원가를 절감시키고, 냉각수 경로를 최소화하여 냉각수 펌프 효율을 증대시키는 연료전지 시스템 및 그의 난방 제어 방법을 제공함에 있다. In addition, another object of the present invention is to reduce costs by eliminating parts such as HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) blowers and heater cores (HTR CORE) by using the cooling fan of the radiator as a blower of the heating unit, and to reduce costs by using the cooling fan of the radiator as a blower of the heating unit. To provide a fuel cell system and a heating control method thereof that increase coolant pump efficiency by minimizing .
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 소형 연료전지 시스템에서 냉각팬을 다익형의 송풍기 팬으로 구성함으로써 연료전지 시스템의 전체적인 크기를 줄일 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 난방 제어 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell system and a heating control method thereof that can reduce the overall size of the fuel cell system by configuring the cooling fan in a small fuel cell system as a multi-blade blower fan.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 실내 난방용 덕트로 이송시키는 냉각팬, 상기 덕트 내로 유입된 공기가 실내로 배출되도록 유로 상의 댐퍼 도어를 회전시키는 액추에이터, 및 상기 라디에이터의 토출 공기 온도에 기초하여 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 제어부를 포함한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a cooling fan that sucks heated air discharged from a radiator and transfers it to an indoor heating duct, and an actuator that rotates a damper door on the flow path so that the air introduced into the duct is discharged indoors. , and a control unit that controls the rotation angle of the actuator based on the temperature of the discharge air of the radiator.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 실내 온도를 측정하는 제1 온도센서, 및 상기 라디에이터의 토출 공기 온도를 측정하는 제2 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the fuel cell system according to the present invention further includes a first temperature sensor that measures the indoor temperature, and a second temperature sensor that measures the temperature of discharge air from the radiator.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하는 경우, 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하여 상기 실내로 배출되는 공기의 풍량을 제어하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, when the indoor temperature is below the target temperature during indoor heating and the discharge air temperature of the radiator exceeds the indoor temperature, the control unit adjusts the rotation angle of the actuator to control the air discharged into the room. It is characterized by controlling the amount of air.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 실내 난방 중 상기 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 미만이 되면, 상기 유로 상의 댐퍼 도어가 개방되는 방향으로 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the control unit adjusts the rotation angle of the actuator in a direction in which the damper door on the flow path is opened when the indoor temperature falls below a predetermined temperature during indoor heating.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도 이하인 경우, PTC 히터로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the control unit controls power supply to the PTC heater when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator is below the indoor temperature during indoor heating.
일 실시예에서, 상기 PTC 히터는, 상기 덕트의 출구에 배치되어, 상기 전력 공급 시 상기 유로를 따라 실내로 배출되는 공기를 가열시키는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the PTC heater is disposed at the outlet of the duct and heats air discharged into the room along the flow path when the power is supplied.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하면 상기 PTC 히터로의 전력 공급을 차단하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the control unit blocks power supply to the PTC heater when the discharge air temperature of the radiator exceeds the room temperature.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 실내 난방 시 상기 실내 온도가 목표 온도를 초과하면, 대기 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the control unit is characterized in that when the indoor temperature exceeds the target temperature during indoor heating, the control unit operates in standby mode.
일 실시예에서, 상기 냉각팬은, 다익형의 송풍기 팬으로 구성된 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the cooling fan is characterized by being composed of a multi-blade blower fan.
일 실시예에서, 상기 냉각팬은, 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 상기 라디에이터에 외기를 송풍하되, 실내 난방 시 상기 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 상기 덕트로 이송시키는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the cooling fan blows outside air to the radiator disposed on a cooling line through which coolant passing through the fuel cell stack circulates, and when heating the room, it sucks in heated air discharged from the radiator and blows it into the duct. It is characterized by transport.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 난방 제어 방법은, 냉각팬에 의해 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 실내 난방용 덕트로 이송시키는 단계, 상기 덕트 내로 유입된 공기를 실내로 배출되도록 유로 상의 댐퍼 도어를 회전시키는 액추에이터를 제어하는 단계, 및 상기 라디에이터의 토출 공기 온도에 기초하여 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계를 포함한다.In addition, a heating control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes the steps of sucking heated air discharged from a radiator by a cooling fan and transferring it to an indoor heating duct, and discharging the air introduced into the duct into the room. Preferably, it includes controlling an actuator that rotates a damper door on the flow path, and controlling a rotation angle of the actuator based on the discharge air temperature of the radiator.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 난방 제어 방법은, 제1 온도센서로부터 실내 온도를 측정하는 단계, 및 제2 온도센서로부터 상기 라디에이터의 토출 공기 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the heating control method according to the present invention further includes measuring the indoor temperature from a first temperature sensor, and measuring the discharge air temperature of the radiator from a second temperature sensor. .
일 실시예에서, 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계는, 실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하는 경우, 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하여 상기 실내로 배출되는 공기의 풍량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of controlling the rotation angle of the actuator includes controlling the rotation angle of the actuator when the indoor temperature is below the target temperature during indoor heating and the discharge air temperature of the radiator exceeds the indoor temperature. It is characterized in that it includes the step of controlling the amount of air discharged into the room by adjusting.
일 실시예에서, 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계는, 실내 난방 중 상기 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 미만이 되면, 상기 유로 상의 댐퍼 도어가 개방되는 방향으로 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the step of controlling the rotation angle of the actuator includes adjusting the rotation angle of the actuator in a direction in which the damper door on the flow path is opened when the indoor temperature during indoor heating falls below a predetermined temperature. It is characterized in that it further includes.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 난방 제어 방법은, 실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도 이하인 경우, PTC 히터로의 전력 공급을 제어하는 단계, 및 상기 PTC 히터가 상기 유로를 따라 실내로 배출되는 공기를 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the heating control method according to the present invention includes the steps of controlling power supply to the PTC heater when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator is below the indoor temperature during indoor heating. , and the step of the PTC heater heating the air discharged into the room along the flow path.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 난방 제어 방법은, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하면 상기 PTC 히터로의 전력 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the heating control method according to the present invention further includes the step of blocking power supply to the PTC heater when the discharge air temperature of the radiator exceeds the room temperature.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 난방 제어 방법은, 실내 난방 시 상기 실내 온도가 목표 온도를 초과하면, 대기 모드로 동작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the heating control method according to the present invention further includes operating in standby mode when the indoor temperature exceeds the target temperature during indoor heating.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 난방 제어 방법은, 상기 냉각팬이 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 단계를 더 포함하되, 실내 난방 시 상기 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 상기 덕트로 이송시키는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the heating control method according to the present invention further includes the step of the cooling fan blowing outside air to the radiator disposed on the cooling line through which coolant circulating through the fuel cell stack is used, The heated air discharged from the radiator is sucked in and transferred to the duct.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연료전지 시스템에서 연료전지 스택의 냉각에 사용된 냉각수의 폐열을 실내 난방에 이용함으로써 PTC 히터의 전력 소모를 최소화하고 연비 효율을 증대시키는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, the waste heat of the coolant used to cool the fuel cell stack in the fuel cell system is used for indoor heating, thereby minimizing the power consumption of the PTC heater and increasing fuel efficiency.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 라디에이터의 냉각팬을 난방 유닛의 블로워로 활용함으로써 HVAC 블로워나 히터 코어(HTR CORE)와 같은 부품을 제거하여 공간 확보 및 원가를 절감시킬 수 있으며, 냉각수 경로를 최소화하여 냉각수 펌프 효율을 증대시키는 효과가 있다. In addition, according to embodiments of the present invention, by using the cooling fan of the radiator as a blower of the heating unit, it is possible to secure space and reduce costs by removing parts such as HVAC blowers and heater cores (HTR CORE), and to reduce costs by removing parts such as HVAC blowers and heater cores (HTR CORE). This has the effect of increasing coolant pump efficiency by minimizing .
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 연료전지 시스템에서 냉각팬을 다익형의 송풍기 팬으로 구성함으로써 연료전지 시스템의 전체적인 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.Additionally, according to embodiments of the present invention, the overall size of the fuel cell system can be reduced by configuring the cooling fan in the fuel cell system as a multi-blade blower fan.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 난방 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 난방 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram illustrating a fuel cell system according to various further embodiments of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing a heating structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating the operation flow of a heating control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, when describing embodiments of the present invention, if detailed descriptions of related known configurations or functions are judged to impede understanding of the embodiments of the present invention, the detailed descriptions will be omitted.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. Additionally, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present application. No.
도 1 내지 도 3은 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이고, 도 2 및 도 3은 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.1 to 3 show fuel cell systems according to various embodiments. FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 show other embodiments. This is a diagram showing a fuel cell system.
도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 시스템은 차량의 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인(110)과 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인(120)을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기(300)를 더 포함할 수 있으나, 생략 가능하다. Referring to FIG. 1, the fuel cell system for a vehicle is configured such that the first coolant circulates through the
연료전지 시스템은 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로, 또는 난방 루프)를 형성하거나, 또는 제1 냉각라인(110)과 냉각 라인을 형성하기 위하여 제1 연결라인(130) 및 제2 연결라인(140)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수는 제1 연결라인(130) 또는 제2 연결라인(140)을 순환하면서 냉각 또는 가열될 수 있다. 일 예로, 제1 냉각라인(110)은 차량의 초기 시동 상태에서는 냉간 시동 능력을 확보하기 위하여 제1 연결라인(130) 및 제2 연결라인(140)과 가열 루프를 형성하고, 주행 중에는 연료전지 스택(10)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 제1 냉각수가 제1 라디에이터(60)를 통과하는 냉각 루프를 형성할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템에 필요한 냉각량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제2 연결라인(140)으로 흐르고 나머지 일부는 제1 라디에이터(60)를 통과할 수 있다.The fuel cell system forms a heating loop (heating circulation path, or heating loop) with the
다른 실시예에서, 외기가 지정된 온도만큼 높은 경우, 제1 냉각라인(110)은 가열 루프를 형성하지 않으며 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 열을 통해 시동 능력을 확보할 수 있다.In another embodiment, when the outside air is as high as a specified temperature, the
제1 냉각수가 순환하는 제1 냉각라인(110) 상에는 연료전지 스택(10), 제1 밸브(20), 제1 펌프(30), 제2 밸브(40), 및 제1 라디에이터(60)가 배치될 수 있다. On the
연료전지 스택(10)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 연료전지 스택(10)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 제1 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 제1 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.The fuel cell stack 10 (or may be referred to as a 'fuel cell') is a structure capable of producing electricity through a redox reaction of fuel (eg, hydrogen) and an oxidizing agent (eg, air). can be formed. As an example, the
연료전지 스택(10)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.In the
제1 밸브(20)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 히터(50)가 배치된 제1 연결라인(130) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 제1 밸브(20)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 밸브(20)는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 이 경우, 제1 밸브(20)는, 제1 펌프(30)에 의해 펌핑된 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제1 포트(21), 제1 밸브(20)를 통과하는 제1 냉각수가 연료전지 스택(10)으로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(22), 및 제1 연결라인(130)의 일단과 연결되는 제3 포트(23)를 포함할 수 있다. 제1 밸브(20)의 제2 포트(22) 및 제3 포트(23)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 연결라인(130)의 히터(50) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. The
제1 연결라인(130)은 제1 냉각수를 가열하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 가열 루프(가열 순환 경로)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결라인(130)을 따라 유동하는 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)에 설치된 히터(50)를 통과하는 중에 가열될 수 있다. The
제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 강제적으로 유동시키도록 설정될 수 있다. 제1 펌프(30)는 제1 냉각수를 펌핑할 수 있는 다양한 수단을 포함할 수 있으며 제1 펌프(30)의 종류 및 개수가 본 문서에서 제한되는 것은 아니다. The
제2 밸브(40)는 제1 냉각라인(110) 상에서 제1 냉각수의 유동 경로를 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제2 밸브(40)는 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에 위치하도록 제1 냉각라인(110) 상에 제공되며, 제2 연결라인(140)의 일단 및 제1 라디에이터(60)의 출구에 연결될 수 있다. 제2 밸브(40)는 제1 냉각수의 유동 경로를 선택적으로 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 밸브(40)는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 삼방 밸브인 경우, 제2 밸브(40)는 제2 연결라인(140)과 연결되는 제1 포트(41), 제1 라디에이터(60)를 통과하는 제1 냉각수가 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제2 포트(42), 및 제1 냉각수가 제1 펌프(30)로 유입되도록 제1 냉각라인(110)과 연결되는 제3 포트(43)를 포함할 수 있다. 제2 밸브(40)의 제1 포트(41) 또는 제2 포트(42)가 개폐됨으로써, 제1 냉각수의 유동 경로가 제1 라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환될 수 있다. 제2 밸브(40)의 개도량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제1 라디에이터(60)를 지나고 나머지 일부는 제2 연결라인(140)을 따라 흐를 수 있다. The
도 1에는 도시하지 않았으나, 연료전지 시스템은 제1 냉각수의 이온을 필터링하는 이온 필터(미도시)가 구비될 수 있다. 이온 필터는 제1 냉각수가 흐르는 제1 냉각라인 상에 배치되거나, 혹은 제1 냉각라인과 연결된 별도의 연결라인 상에 배치될 수 있다. 시스템의 부식이나 용출(exudation) 등으로 인해 제1 냉각수의 전기전도도가 증가하면 제1 냉각수로 전기가 흐르게 되어 연료전지 스택(10)이 단락되거나 제1 냉각수 쪽으로 전류가 흐르게 되는 문제점이 발생하게 되므로, 제1 냉각수는 낮은 전기전도도를 유지할 수 있어야 한다. 이온 필터는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 제1 냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 설정될 수 있다. Although not shown in FIG. 1, the fuel cell system may be equipped with an ion filter (not shown) that filters ions in the first coolant. The ion filter may be placed on a first cooling line through which the first coolant flows, or may be placed on a separate connection line connected to the first cooling line. If the electrical conductivity of the first coolant increases due to corrosion or exudation of the system, electricity flows into the first coolant, causing a problem in which the
제2 연결라인(140)은 제1 냉각수를 냉각하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 냉각 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제2 연결라인(140)의 일단은 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제2 연결라인(140)의 다른 일단은 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다. The
제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시키도록 설정될 수 있다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1 라디에이터(60)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수가 저장되는 제1 리저버(62)에 연결될 수 있다. The
연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)과 제1 지점(제1 밸브(20))의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제1 온도 센서(112), 제1 연결라인(130)의 다른 일단과 제1 펌프(30)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(114), 및 히터(50)에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제3 온도 센서(116)를 포함할 수 있다. 연료전지 시스템은 제1 온도 센서(112), 제2 온도 센서(114), 및 제3 온도 센서(116)에서 측정된 온도에 기초하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유입 유량을 제어할 수 있다. 일 예로, 제1 냉각라인(110)을 따라 순환하는 제1 냉각수의 측정 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 낮으면 제1 냉각수의 유입 유량을 미리 설정된 설정 유량보다 낮게 제어할 수 있다. The fuel cell system includes a
제2 냉각라인(120)은 차량의 전장부품(200)을 경유하도록 구성되며, 제2 냉각수는 제2 냉각라인(120)을 따라서 순환할 수 있다. 여기서, 차량의 전장부품(200)은, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 부품으로 이해될 수 있으며, 전장부품(200)의 종류 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. The
일 예로, 연료전지 스택(10)과 차량의 고전압 배터리(미도시) 사이에 구비되는 BHDC(bi-directional high voltage DC-DC converter)(210), 연료전지 스택(10)의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로워(미도시)를 제어하는 BPCU(blower pump control unit)(220), 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(low-voltage DC-DC converter)(230), 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(air compressor, ACP)(240), 및 에어쿨러(air cooler)(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도 1 내지 3에 도시되지 않았지만, 전장부품(200)은 DC-DC 벅/부스트(buck/boost) 컨버터를 더 포함할 수 있다.For example, a bi-directional high voltage DC-DC converter (BHDC) 210 provided between the
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 강제적으로 유동시키기 위한 제2 펌프(205)가 배치될 수 있다. 제2 펌프(205)는 제2 냉각수를 펌핑할 수 있는 펌핑 수단을 포함할 수 있으며, 제2 펌프(205)의 종류 및 특성이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.A
제2 냉각라인(120) 상에는 제2 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터(70)가 배치될 수 있다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2 라디에이터(70)의 종류 및 구조가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제2 라디에이터(70)는 제2 냉각수가 저장되는 제2 리저버(72)에 연결될 수 있다.A
실시예에서, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 냉각팬(80)에 의해 동시에 냉각되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)는 나란하게 배치되고, 냉각팬(80)은 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)에 외기를 송풍하도록 설정될 수 있다. 하나의 냉각팬(80)에 의해 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 시스템의 구조는 간소화되고 설계자유도 및 공간활용성이 향상될 수 있으며, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 전력 소모가 최소화될 수 있다. In an embodiment, the
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 라디에이터(60)를 냉각시키기 위한 제1 냉각팬(80)과 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 제2 냉각팬(85)이 별도로 배치될 수 있다. 이 경우, 연료전지 시스템은 제1 냉각팬(80)의 회전수를 제어할 때 전장부품(200)의 열부하와 관련된 파라미터를 배제할 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 도 1의 연료전지 시스템 구조에 기반하지만, 동일한 원리가 도 2의 연료전지 시스템 구조에 적용될 수 있다. In another embodiment, as shown in FIG. 2, the
다시 도 1을 참조하면, 열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키도록 설정될 수 있다. 열교환기(300)가 포함되는 경우, 제1 냉각라인(110) 및 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수 및 제2 냉각수가 열교환을 수행하면서 유동할 수 있는 TMS(thermal management system) 라인을 구성할 수 있으며, 이 경우 제1 냉각수 또는 제2 냉각수는 TMS 라인 상에서 냉매(cooling medium) 또는 열매(heat medium)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 전장부품을 냉각하는 제2 냉각수의 온도가 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제1 냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되므로, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 것에 의해 제1 라디에이터(60) 및 냉각팬(80)의 용량을 증가시키지 않고도 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있고, 연료전지 스택(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. Referring again to FIG. 1, the
실시 예에서, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제2 냉각라인(120)은 열교환기(300)를 경유하도록 제2 라디에이터(70)의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각수는 제1 냉각라인(110)에 연결된 열교환기(300)를 따라 유동될 수 있으며, 제2 냉각라인(120)은 제1 냉각수에 노출(예를 들어, 제1 냉각수가 제2 냉각라인(120)의 둘레를 따라 유동)되도록 열교환기(300)의 내부를 통과할 수 있다. 이와 같이, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수의 상호 열교환에 의해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있다. 제1 라디에이터(60)를 통과한 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 라디에이터(70)를 통과한 제2 냉각수의 제2 온도보다 높게 형성되고, 열교환기(300)를 통과한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 낮게 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 냉각수의 제2 온도보다 대략 10℃높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2 냉각수와 열교환)한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 1℃낮게 형성될 수 있다. In an embodiment, the
도 1 내지 도 2에 따른 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)와 별도로 배치되지만, 다른 실시예에서 열교환기(300)는 도 3에 도시된 바와 제1 라디에이터(60)에 직접 연결될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)의 지정된 위치(좌측 상단부)에 연결될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 난방 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram showing a heating structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템의 난방 구조는 라디에이터(60, 70)로부터 토출된 공기(가열된 공기)를 블로워를 통해 덕트(420) 내로 압송시켜 차량의 실내로 공급되도록 함으로써 냉각수로부터 회수된 폐열을 차량의 실내 난방에 활용하도록 한다.Referring to FIG. 4, the heating structure of the fuel cell system is to pump the air (heated air) discharged from the
예를 들어, 제1 라디에이터(60)는 연료전지 스택(10)으로부터 배출된 제1 냉각수를 냉각시킨 후에 다시 연료전지 스택(10)으로 보낸다. 이때, 냉각팬(80)은 제1 라디에이터(60)에 외기를 송풍하고, 제1 라디에이터(60)는 냉각팬(80)에 의해 제1 냉각수의 폐열을 회수하여 냉각시킨다. 따라서, 연료전지 시스템의 난방 유닛은 제1 라디에이터(60)로부터 토출된 공기(가열된 공기)를 덕트(420)를 통해 실내로 공급할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)가 나란하게 배치되어 하나의 냉각팬(80)에 의해 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)가 동시에 냉각되는 경우, 연료전지 시스템의 난방 유닛은 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)로부터 토출된 공기(가열된 공기)를 덕트(420)를 통해 실내로 공급할 수도 있다. 다만, 이하의 설명에서는 편의를 위해 라디에이터(60)로 지칭하여 설명하도록 한다.For example, the
냉각팬(80)은 다익형의 송풍기 팬(또는, '시로코 팬'으로 참조될 수 있다.)으로 구성될 수 있다. 이와 같이, 다익형의 송풍기 팬은 소형화가 가능하기 때문에, 소형의 냉각팬(80)을 장착시킬 수 있어 연료전지 시스템의 전체적인 크기를 줄일 수 있어 소형 연료전지 시스템에서 활용될 수 있다.The cooling
또한, 냉각팬(80)은 난방 유닛의 블로워를 대신하여 라디에이터(60)의 냉각 후에 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기(가열 공기)를 차량의 난방 유닛으로 압송시키는 역할을 할 수도 있다. 이때, 냉각팬(80)의 공기 흡입 방향은 도 5에 도시된 제어부(510)에 의해 반대로 제어될 수도 있다.Additionally, the cooling
연료전지 시스템의 난방 유닛은 PTC 히터(410), 블로워, 덕트(420), 댐퍼 도어(431, 435) 및 액추에이터(440)를 포함할 수 있다.The heating unit of the fuel cell system may include a
PTC 히터(410)는 차량에 탑재되는 배터리 또는 연료전지 스택(10)의 전기 에너지를 공급받아 작동됨에 따라 열을 발생시키는 열원으로서, 덕트(420)를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기를 가열시키는 역할을 한다. PTC 히터(410)는 도 5에 도시된 제어부(510)에 의해 동작이 제어될 수 있다.The
블로워는 라디에이터(60)를 냉각시키는 냉각팬(80)으로 대체될 수 있다. 따라서, 냉각팬(80)은 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기(가열된 공기)를 덕트(420) 내부로 이송시켜 덕트(420)를 따라 차량의 실내 또는 실외로 토출되도록 한다. 여기서, 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기는 냉각수로부터 회수된 폐열에 의해 가열된 공기로서, 이 가열된 공기를 차량의 실내로 공급함으로써 PTC 히터(410)를 작동시키지 않고도 실내 난방이 가능함에 따라 PTC 히터(410)의 전력 사용량을 감소시켜 실내 난방 효율을 증대시킬 수 있다.The blower can be replaced with a cooling
덕트(420)는 냉각팬(80)에 의해 이송되는 가열된 공기를 실내로 공급하기 위한 이송 통로이다. 덕트(420)의 유로 상에는 댐퍼 도어(431, 435) 및 액추에이터(440)가 설치될 수 있다. 댐퍼 도어(431, 435) 및 액추에이터(440)는 덕트(420)를 통해 이송되는 공기가 차량의 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택적으로 배출될 수 있도록 유로를 절환시키는 역할을 한다. 여기서, 댐퍼 도어(431, 435)는 액추에이터(440)(예를 들어, 전기모터)에 의해 회전하면서 덕트(420)의 실내 유로 및 실외 유로를 선택적으로 개폐한다. 댐퍼 도어(431, 435)는 덕트(420) 내의 실내 유로에 설치되는 제1 댐퍼 도어(431) 및 실외 유로에 설치되는 제2 댐퍼 도어(435)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 액추에이터(440)는 제1 댐퍼 도어(431) 개방 시 제2 댐퍼 도어(435)를 폐쇄시키고, 제2 댐퍼 도어(435) 개방 시 제1 댐퍼 도어(431)를 폐쇄시킬 수 있다. 액추에이터(440)는 도 5에 도시된 제어부(510)의 제어에 의해 작동하여 댐퍼 도어(431, 435)의 위치를 제어할 수 있다.The
제1 댐퍼 도어(431) 및 액추에이터(440)에 의해 덕트(420)의 실내 유로가 개방된 경우, 냉각팬(80)에 의해 덕트(420) 내로 이송된 공기가 차량의 실내로 공급될 수 있다. 이때, 덕트(420)의 출구 측에는 PTC 히터(410)가 배치될 수 있다.When the indoor flow path of the
이에, 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기는 냉각팬(80)에 의해 덕트(420) 내로 이송된 후 PTC 히터(410)를 통과하여 차량의 실내로 공급될 수 있다. 만일, PTC 히터(410)가 동작하지 않는 경우, 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기는 냉각팬(80)을 통해 덕트(420) 내로 유입되어 덕트(420)의 실내 유로를 따라 그대로 차량의 실내로 공급될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기(가열된 공기)만으로 차량의 실내 난방을 수행함으로써 전력 소모를 최소화하면서 난방 효율을 증대시킬 수 있다.Accordingly, the air discharged by the
한편, PTC 히터(410)가 동작하는 경우, 라디에이터(60)에 의해 토출된 공기는 냉각팬(80)을 통해 덕트(420) 내로 유입되어 실내 유로를 따라 이송되는 중 PTC 히터(410)에 의해 추가로 가열된 후에 차량의 실내로 공급될 수 있다.Meanwhile, when the
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템은 제어부(510), 제1 온도센서(520) 및 제2 온도센서(530)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 온도센서(520)는 차량의 실내에 배치되어 실내 온도를 측정하는 센서일 수 있다. 또한, 제2 온도센서(530)는 라디에이터(60)의 공기 토출구에 배치되어 라디에이터(60)의 토출 공기 온도를 측정하는 센서일 수 있다.Referring to FIG. 5 , the fuel cell system may include a
제어부(510)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(510)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 일 예로서, 제어부(510)는 연료전지 시스템의 전반적인 기능들을 제어하는 연료전지 제어기(Fuel cell Control Unit, FCU) 일 수 있다. The
제어부(510)는 실내 난방 모드 온(ON) 동작 시, 냉각팬(80)이 블로워로 동작하도록 제어할 수 있다. 일 예로, 제어부(510)는 실내 난방 모드 온(ON) 동작 시 냉각팬(80)의 공기 흡입 방향을 제어할 수 있다.The
또한, 제어부(510)는 냉각팬(80)을 통해 덕트(420) 내로 라디에이터(60)의 토출 공기가 흡입되면, 제1 온도센서(520)를 통해 차량의 실내 온도를 감지하고, 제2 온도센서(530)를 통해 라디에이터(60)의 토출 공기 온도를 감지할 수 있다. 이에, 제어부(510)는 제1 온도센서(520) 및 제2 온도센서(530)에 의해 감지된 온도에 기초하여 액추에이터(440)의 각도를 조절하거나, 혹은 PTC 히터(410)의 작동 상태를 제어할 수 있다.In addition, when the discharge air of the
일 예로, 제어부(510)는 제1 온도센서(520)에 의해 감지된 실내 온도가 목표 온도 이상이면 실내 난방 제어를 수행하지 않고 대기 모드로 동작할 수 있다.For example, if the indoor temperature detected by the first temperature sensor 520 is above the target temperature, the
한편, 제어부(510)는 제1 온도센서(520)에 의해 감지된 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 제2 온도센서(530)에 의해 감지된 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과하는 경우, PTC 히터(410)를 작동하지 않은 상태에서 라디에이터(60)의 토출 공기 만으로 실내 난방 제어를 수행할 수 있다. 이때, 제어부(510)는 차량의 실내로 유입되는 풍량을 제어하기 위하여 제1 댐퍼 도어(431)와 결합된 액추에이터(440)의 각도를 조절할 수 있다. Meanwhile, the
일 예로서, 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과하지만 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 미만인 경우, 제어부(510)는 실내 유로 상의 제1 댐퍼 도어(431)가 개방되는 방향으로 액추에이터(440)의 각도를 조절함으로써 실내로 유입되는 공기의 풍량을 증가시킬 수 있다. 다른 예로서, 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과하지만 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 이상인 경우, 제어부(510)는 실내 유로 상의 제1 댐퍼 도어(431)가 닫히는 방향으로 액추에이터(440)의 각도를 가변적으로 조절함으로써 실내로 유입되는 공기의 풍량을 감소시키거나 현재 풍량을 유지시킬 수 있다.As an example, when the discharge air temperature of the
이와 같이, 제어부(510)는 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과하는 상태에서 실내 온도에 따라 실내 유로 상의 제1 댐퍼 도어(431)와 결합된 액추에이터(440)의 각도를 조절함으로써 실내 온도를 제어할 수 있다.In this way, the
한편, 제어부(510)는 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도 이하이면 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 난방을 하기에는 부족하다고 판단할 수 있다. 이에, 제어부(510)는 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도 이하인 경우 PTC 히터(410)로 배터리 또는 연료전지 스택(10)의 전기 에너지를 공급하여 PTC 히터(410)를 가변 작동시킨다. 따라서, PTC 히터(410)는 열을 발생시켜 PTC 히터(410)를 통과하여 실내로 공급되는 공기를 가열시킴으로써 실내 난방이 이루어지도록 한다. Meanwhile, if the temperature of the discharge air from the
제어부(510)는 PTC 히터(410) 작동 시 소정 시간(예를 들어, PTC 히터(410)가 예열되는 시간) 동안 딜레이 후에 제2 온도센서(530)를 통해 라디에이터(60)의 토출 공기 온도를 감지한다. 이때, 제어부(510)는 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과할 때까지 계속해서 PTC 히터(410)를 가변 작동시키도록 한다. 제어부(510)는 라디에이터(60)의 토출 공기 온도가 실내 온도를 초과하면 PTC 히터(410)의 작동을 중지시키고 액추에이터(440)의 각도를 조절하는 것으로 실내 난방 제어를 수행할 수 있다.When operating the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 난방 제어 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The heating control operation flow of the fuel cell system according to the present invention configured as described above will be described in more detail as follows.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 난방 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating the operation flow of a heating control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 연료전지 시스템은 실내 난방 모드가 온(ON) 상태가 되면(S110), 실내 온도(Tcabin)를 측정하여 목표 온도(Ttarget)와 비교한다. 이때, 실내 온도(Tcabin)가 목표 온도(Ttarget) 이상이면(S120), 연료전지 시스템은 실내 난방 제어를 수행하지 않고 대기 모드로 진입한다(S125). Referring to FIG. 6, when the indoor heating mode is turned on (S110), the fuel cell system measures the indoor temperature (T cabin ) and compares it with the target temperature (T target ). At this time, if the indoor temperature (T cabin ) is higher than the target temperature (T target ) (S120), the fuel cell system enters standby mode without performing indoor heating control (S125).
이후, 연료전지 시스템은 실내 온도(Tcabin)가 목표 온도(Ttarget) 미만이 되면(S120), 라디에이터(60)의 토출 공기 온도(TRAD air out)를 측정하여 실내 온도(Tcabin)와 비교하고, 비교 결과 라디에이터(60)의 토출 공기 온도(TRAD air out)가 실내 온도(Tcabin)를 초과하면(S130), PTC 히터(410)를 작동시키지 않은 채로 제1 댐퍼 도어(431)와 결합된 액추에이터(440)의 각도를 조절한다(S140). 'S140' 과정에서, 액추에이터(440)는 회전 동작에 의해 덕트(420) 내 실내 유로 상의 제1 댐퍼 도어(431)를 개방시킬 수 있으므로, 연료전지 시스템은 액추에이터(440)의 각도를 가변적으로 조절하는 것으로써 실내로 공급되는 공기의 풍량을 제어할 수 있다.Afterwards, when the indoor temperature (T cabin ) falls below the target temperature (T target ) (S120), the fuel cell system measures the discharge air temperature (T RAD air out ) of the
연료전지 시스템은 실내 온도(Tcabin)가 기 설정된 소정 온도(예를 들어, A℃) 이상이면(S150), 실내 난방을 중지할 때까지 계속해서 'S140' 동작을 반복하여 수행한다.If the indoor temperature (T cabin ) is above a preset temperature (e.g., A°C) (S150), the fuel cell system continues to repeat the 'S140' operation until indoor heating is stopped.
한편, 연료전지 시스템은 실내 온도(Tcabin)가 기 설정된 소정 온도 미만이면(S150), 라디에이터(60)의 토출 공기 온도(TRAD air out)를 다시 측정하여 실내 온도(Tcabin)를 초과하는지 확인한다. 만일, 라디에이터(60)의 토출 공기 온도(TRAD air out)가 여전히 실내 온도(Tcabin)를 초과하는 경우, 연료전지 시스템은 'S140' 과정에서 덕트(420) 내 실내 유로 상의 제1 댐퍼 도어(431)가 더 많이 개방되도록 액추에이터(440)의 각도를 조절할 수 있다.Meanwhile, if the indoor temperature (T cabin ) is below a preset temperature (S150), the fuel cell system measures the discharge air temperature (T RAD air out ) of the
연료전지 시스템은 실내 온도(Tcabin)가 기 설정된 소정 온도 미만인 경우(S150), 라디에이터(60)의 토출 공기 온도(TRAD air out)를 다시 측정하여 실내 온도(Tcabin) 이하인 것으로 확인되면(S130), PTC 히터(410)를 가변적으로 작동시킨다(S132). 'S132' 과정에서 작동된 PTC 히터(410)는 열을 발생시켜 덕트(420) 내 실내 유로를 통해 차량의 실내로 공급되는 공기를 가열시킨다. 따라서, PTC 히터(410)에 의해 가열된 공기는 차량의 실내로 공급됨에 따라 실내 온도(Tcabin)를 상승시킨다. When the indoor temperature (T cabin ) is below a preset temperature (S150), the fuel cell system measures the discharge air temperature (T RAD air out ) of the
연료전지 시스템은 PTC 히터(410)에 의해 가열된 공기가 실내로 공급되는 경우, 마찬가지로 실내로 공급되는 공기의 풍량을 조절하기 위하여 액추에이터(440)의 각도를 조절할 수 있다(S140). 다만, PTC 히터(410)가 소정 온도에 도달하기까지 예열 시간이 필요하므로, 연료전지 시스템은 소정 시간 딜레이 후에 액추에이터(440)의 각도를 조절할 수 있다(S134, S140).When air heated by the
이후, 연료전지 시스템은 'S120' 내지 'S150' 과정을 반복 수행하며 차량의 실내 난방 제어를 수행한다. 만일, 실내 난방 중지 요청이 있는 경우(S160), 연료전지 시스템은 실내 난방을 중지하고 실내 난방 모드를 오프(OFF) 상태로 전환한다(S170).Afterwards, the fuel cell system repeatedly performs the 'S120' to 'S150' processes to control the vehicle's interior heating. If there is a request to stop indoor heating (S160), the fuel cell system stops indoor heating and switches the indoor heating mode to OFF (S170).
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 시스템에서 연료전지 스택(10)의 냉각에 사용된 냉각수의 폐열을 실내 난방에 이용함으로써 PTC 히터(410)의 전력 소모를 최소화하고 연비 효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 라디에이터(60)의 냉각팬(80)을 난방 유닛의 블로워로 활용함으로써 HVAC 블로워나 히터 코어(HTR CORE)와 같은 부품을 제거하여 공간 확보 및 원가를 절감시킬 수 있으며, 냉각수 경로를 최소화하여 냉각수 펌프 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 냉각팬(80)을 다익형의 송풍기 팬으로 구성함으로써 연료전지 시스템의 전체적인 크기를 줄일 수 있으며, 그로 인해 소형 연료전지 시스템에도 적용 및 활용 가능하다.As such, the fuel cell system according to the present invention minimizes the power consumption of the
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. The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
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.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.
10: 연료전지 스택
60: 제1 라디에이터
70: 제2 라디에이터
80: 냉각팬
410: PTC 히터
420: 덕트
431, 435: 댐퍼 도어
440: 액추에이터
510: 제어부
520: 제1 온도센서
530: 제2 온도센서10: Fuel cell stack 60: First radiator
70: second radiator 80: cooling fan
410: PTC heater 420: duct
431, 435: Damper door 440: Actuator
510: Control unit 520: First temperature sensor
530: Second temperature sensor
Claims (18)
상기 덕트 내로 유입된 공기가 실내로 배출되도록 유로 상의 댐퍼 도어를 회전시키는 액추에이터; 및
상기 라디에이터의 토출 공기 온도에 기초하여 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 제어부;
를 포함하는 연료전지 시스템.A cooling fan that sucks heated air discharged from the radiator and transfers it to an indoor heating duct;
an actuator that rotates a damper door on the flow path so that air introduced into the duct is discharged indoors; and
a control unit that controls the rotation angle of the actuator based on the temperature of the discharge air of the radiator;
A fuel cell system including.
실내 온도를 측정하는 제1 온도센서; 및
상기 라디에이터의 토출 공기 온도를 측정하는 제2 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
A first temperature sensor that measures indoor temperature; and
The fuel cell system further includes a second temperature sensor that measures the temperature of the discharge air from the radiator.
상기 제어부는,
실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하는 경우, 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하여 상기 실내로 배출되는 공기의 풍량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The control unit,
During indoor heating, when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator exceeds the indoor temperature, the rotation angle of the actuator is adjusted to control the volume of air discharged into the room. fuel cell system.
상기 제어부는,
실내 난방 중 상기 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 미만이 되면, 상기 유로 상의 댐퍼 도어가 개방되는 방향으로 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 3,
The control unit,
A fuel cell system, characterized in that when the indoor temperature falls below a predetermined temperature during indoor heating, the rotation angle of the actuator is adjusted in a direction in which the damper door on the flow path is opened.
상기 제어부는,
실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도 이하인 경우, PTC 히터로의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The control unit,
A fuel cell system that controls power supply to the PTC heater when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator is below the indoor temperature during indoor heating.
상기 PTC 히터는,
상기 덕트의 출구에 배치되어, 상기 전력 공급 시 상기 유로를 따라 실내로 배출되는 공기를 가열시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 5,
The PTC heater is,
A fuel cell system disposed at the outlet of the duct to heat air discharged into the room along the passage when power is supplied.
상기 제어부는,
상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하면 상기 PTC 히터로의 전력 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 5,
The control unit,
A fuel cell system, characterized in that when the discharge air temperature of the radiator exceeds the room temperature, power supply to the PTC heater is cut off.
상기 제어부는,
실내 난방 시 상기 실내 온도가 목표 온도를 초과하면, 대기 모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 2,
The control unit,
A fuel cell system characterized in that it is controlled to operate in standby mode when the indoor temperature exceeds the target temperature during indoor heating.
상기 냉각팬은,
다익형의 송풍기 팬으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The cooling fan is,
A fuel cell system characterized by consisting of a multi-blade blower fan.
상기 냉각팬은,
연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 상기 라디에이터에 외기를 송풍하되,
실내 난방 시 상기 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 상기 덕트로 이송시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.In claim 1,
The cooling fan is,
Outside air is blown to the radiator disposed on the cooling line through which coolant circulating through the fuel cell stack is circulated,
A fuel cell system characterized in that the heated air discharged from the radiator is sucked in during indoor heating and transferred to the duct.
상기 덕트 내로 유입된 공기를 실내로 배출되도록 유로 상의 댐퍼 도어를 회전시키는 액추에이터를 제어하는 단계; 및
상기 라디에이터의 토출 공기 온도에 기초하여 상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계;
를 포함하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.Inhaling heated air discharged from the radiator by a cooling fan and transferring it to an indoor heating duct;
Controlling an actuator that rotates a damper door on the flow path to discharge air introduced into the duct into the room; and
controlling the rotation angle of the actuator based on the discharge air temperature of the radiator;
A heating control method for a fuel cell system including.
제1 온도센서로부터 실내 온도를 측정하는 단계; 및
제2 온도센서로부터 상기 라디에이터의 토출 공기 온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 11,
Measuring indoor temperature from a first temperature sensor; and
A heating control method for a fuel cell system, further comprising measuring the discharge air temperature of the radiator from a second temperature sensor.
상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계는,
실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하는 경우, 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하여 상기 실내로 배출되는 공기의 풍량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 12,
The step of controlling the rotation angle of the actuator is,
During indoor heating, when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator exceeds the indoor temperature, controlling the volume of air discharged into the room by adjusting the rotation angle of the actuator. A heating control method for a fuel cell system, characterized in that.
상기 액추에이터의 회전 각도를 제어하는 단계는,
실내 난방 중 상기 실내 온도가 기 설정된 소정 온도 미만이 되면, 상기 유로 상의 댐퍼 도어가 개방되는 방향으로 상기 액추에이터의 회전 각도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 13,
The step of controlling the rotation angle of the actuator is,
A heating control method for a fuel cell system, further comprising adjusting a rotation angle of the actuator in a direction in which the damper door on the flow path is opened when the indoor temperature falls below a predetermined temperature during indoor heating.
실내 난방 시에 상기 실내 온도가 목표 온도 미만이고, 상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도 이하인 경우, PTC 히터로의 전력 공급을 제어하는 단계; 및
상기 PTC 히터가 상기 유로를 따라 실내로 배출되는 공기를 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 12,
Controlling power supply to the PTC heater when the indoor temperature is below the target temperature and the discharge air temperature of the radiator is below the indoor temperature during indoor heating; and
A heating control method for a fuel cell system, further comprising the step of allowing the PTC heater to heat air discharged into the room along the flow path.
상기 라디에이터의 토출 공기 온도가 상기 실내 온도를 초과하면 상기 PTC 히터로의 전력 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 15,
A heating control method for a fuel cell system, further comprising cutting off power supply to the PTC heater when the discharge air temperature of the radiator exceeds the room temperature.
실내 난방 시 상기 실내 온도가 목표 온도를 초과하면, 대기 모드로 동작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.In claim 12,
A heating control method for a fuel cell system, further comprising operating in standby mode when the indoor temperature exceeds the target temperature during indoor heating.
상기 냉각팬이 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 단계를 더 포함하되,
실내 난방 시 상기 라디에이터로부터 토출된 가열 공기를 흡입하여 상기 덕트로 이송시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 난방 제어 방법.
In claim 11,
It further includes the step of the cooling fan blowing outside air to the radiator disposed on a cooling line through which coolant circulating through the fuel cell stack,
A heating control method for a fuel cell system, characterized in that heated air discharged from the radiator is sucked in during indoor heating and transferred to the duct.
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