KR20230171233A - 연료전지 시스템 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

연료전지 시스템 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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KR20230171233A
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원종보
최성경
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Abstract

본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인; 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터; 상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬; 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프; 상기 냉각수의 유동 경로를 상기 연료전지 스택 또는 상기 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브; 및 상기 냉각팬, 상기 펌프, 및 상기 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 밸브의 동작 상태에 기초하여 상기 밸브, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 동작 모드를 결정할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 그것의 동작 방법{FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 문서에 개시된 실시예들은 연료전지 시스템 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
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. 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.
열관리 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 냉난방하는 공조유닛(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택 뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.
연료전지 시스템은 냉각수의 이동 경로를 조절하기 위하여 밸브를 포함한다. 이 때, 밸브의 고장이 발생하여도 운전자/탑승자의 안전을 보장하기 위해서는 연료전지의 열관리 성능을 유지할 수 있는 FAIL-SAFETY 기능이 필요하다. 따라서, 밸브의 고장이 발생하더라도 비상 조치를 취하기 위한 시간을 확보하도록 비상 제어가 필요하다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인; 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터; 상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬; 상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프; 상기 냉각수의 유동 경로를 상기 연료전지 스택 또는 상기 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브; 및 상기 냉각팬, 상기 펌프, 및 상기 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 밸브의 동작 상태에 기초하여 상기 밸브, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 동작 모드를 결정할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 동작 방법은, 냉각수의 유동 경로를 연료전지 스택 또는 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브의 동작 상태를 확인하는 단계; 및 상기 동작 상태에 기초하여 상기 밸브, 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프 및 상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬의 동작 모드를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들에 따른 연료전지 시스템은, 밸브의 고장이 발생한 경우에도 비상 제어를 통해 연료전지의 열관리 성능을 보장하여 비상 조치를 취할 시간을 확보할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 동작 모드를 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 냉각팬 및 펌프의 회전수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
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 문서에서 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.
본 문서에서 설명되는 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 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.
본 문서에서 사용되는 용어 "모듈", 또는 “...부”는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램 또는 애플리케이션)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 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.
도 1 내지 도 2는 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸다.
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. 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기(300)를 더 포함할 수 있으나, 생략 가능하다.
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), 제2 연결라인(150), 및 제3 연결라인(140)을 포함할 수 있다. 제1 냉각수는 제1 연결라인(130), 제2 연결라인(150), 또는 제3 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 제3 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. 다른 실시예에 따르면, 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. 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.
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.
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.
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. 예를 들어, 제1 밸브(20)는 제1 냉각라인(110)상에서 제1 펌프(30)의 일단, 제1 연결라인(130)의 일단, 및 연료전지 스택(10)의 일단과 연결될 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. 즉, 제2 포트(22)가 개방되고 제3 포트(23)가 차단되면 제1 냉각수는 연료전지 스택(10)으로 유입되고, 이와 반대로 제3 포트(23)가 개방되고 제2 포트(22)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)을 통해 히터(50)로 유입될 수 있다.
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. 제1 연결라인(130)의 일단은 제1 펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제1 지점에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제1 연결라인(130)의 다른 일단은 제1 펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제2 지점에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1 펌프(30)의 입구는 제1 냉각수가 제1 펌프(30)에 유입되는 입구로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 출구는, 제1 펌프(30)를 통과한 제1 냉각수가 배출되는 출구로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이는, 제1 펌프(30)로부터 배출된 제1 냉각수가 연료전지 스택(10)의 제1 냉각수 유입구(미도시)까지 유동하는 구간으로 정의될 수 있다. 또한, 제1 펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이는, 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구(미도시)로부터 배출된 제1 냉각수가 제1 펌프(30)의 입구까지 유동하는 구간으로 정의될 수 있다.
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.
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, 제3 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 사방 밸브(four way valve) 또는 삼방 밸브(three way valve)일 수 있다. 삼방 밸브인 경우, 제2 밸브(40)는 제3 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(44)를 포함하며, 사방 밸브인 제2 밸브(40)는 제2 연결라인(150)의 일단에 연결되는 제3 포트(43)를 더 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. 즉, 제1 포트(41)가 개방되고 제2 포트(42)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 라디에이터(60)를 거치지 않고 연료전지 스택(10)으로 유입되고, 이와 반대로 제2 포트(42)가 개방되고 제1 포트(41)가 차단되면 제1 냉각수는 제1 라디에이터(60)를 거친 후 연료전지 스택(10)으로 유입될 수 있다.
제2 연결라인(150)은 공조유닛(HAVC UNIT)(90)을 가열 하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 난방 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제2 연결라인(150)은 공조유닛(90)의 난방용 히터(미도시)를 가열하는 루프를 형성할 수 있다. 제2 연결라인(150)의 일단은 제1 지점(제1 연결라인(130)의 일단이 제1 냉각라인(110)에 연결되는 지점)과 연료전지 스택(10)의 입구 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제1 냉각수 중 일부가 제2 연결라인(150)을 통해 순환할 수 있다. 제2 연결라인(150)의 다른 일단은 제1 펌프(30)와 제2 지점(제1 연결라인(130)의 다른 일단이 제1 냉각라인(110)에 연결되는 지점)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다.
제2 연결라인(150)에는 공조유닛(90)을 통과한 제1 냉각수의 이온을 필터링하는 이온 필터(95)가 구비될 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 필터(95)는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 제1 냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 설정될 수 있다. 이와 같이, 연료전지 스택(10)으로 유동되는 제1 냉각수의 공급이 차단(제1 밸브(20)의 제2 포트(22) 차단)되는 냉시동 중에, 제1 냉각수는 제1 연결라인(130)의 히터(50)를 경유하며 순환(승온 루프)함과 동시에, 제2 연결라인(150)을 따라서도 순환하도록 하는 것에 의하여 냉시동시에도 제2 연결라인(150)에 구비된 이온 필터(95)에 의한 필터링(제1 냉각수에 포함된 이온 제거)이 가능하다. 따라서, 냉시동 직후 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제3 연결라인(140)은 제1 냉각수를 냉각하기 위하여 제1 냉각라인(110)과 냉각 루프를 형성할 수 있다. 일 예로, 제3 연결라인(140)의 일단은 제1 펌프(30)와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결되고, 제3 연결라인(140)의 다른 일단은 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구와 제1 라디에이터(60)의 사이에서 제1 냉각라인(110)에 연결될 수 있다.
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.
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. 이와 같이, 제1 냉각수의 측정 온도가 낮으면 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유입 유량을 낮게 제어하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10) 내부에 정체된 제1 냉각수의 온도와 연료전지 스택(10)에 유입되는 제1 냉각수 온도 간 편차에 의한 열 충격 및 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
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. 일 예로, 전장부품(200)은 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 블로어(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 2에 도시되지 않았지만, 전장부품(200)은 DC-DC 벅/부스트(buck/boost) 컨버터를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
실시예에 따르면, 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 설계 자유도 및 공간활용성이 향상될 수 있으며, 제1 라디에이터(60) 및 제2 라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 전력 소모가 최소화될 수 있다. 이와 같은 냉각팬(80)의 구조는 '듀얼 타입'으로 참조될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 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. 이와 같은 냉각팬(80, 85)의 구조는 '멀티 타입'으로 참조될 수 있다.
열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환시키기도록 설정될 수 있다. 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. 또한, 연료전지 시스템은 주행풍을 사용할 수 없는 차량(예를 들어, 건설기계)의 정차 중에 제1 냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 고출력 운전을 보장하고, 안전성 및 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
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, 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.
도 3은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 블록도를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은. 밸브(510), 펌프(520), 냉각팬(530) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 밸브(510), 펌프(520), 냉각팬(530) 각각은 도 1 또는 도 2에 도시된 제2 밸브(40), 제1 펌프(30), 제1 냉각팬(80)과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 때, 밸브(510)는 CTV(Control Temperature Valeve)밸브를 포함할 수 있으며, 개도를 통해 라디에이터로 흐르는 냉각수량과 바이패스되어 연료전지 스택으로 흐르는 냉각수량을 조절할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 연료전지 시스템(1)의 각 구성 예를 들어, 냉각팬(530), 펌프(520) 및 밸브(510) 등과 전기적 또는 물리적으로 연결되어 각각의 동작을 제어하고 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태에 기초하여 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작 모드를 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태를 감지할 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태가 정상인지 또는 고장인지 판단할 수 있다. 일 예로, 제어부(500)는 밸브(510)에 부착된 센서를 통해 밸브(510)의 액추에이터(actuator) 또는 기어의 결함을 감지하거나, 제어부(500)와 밸브(510) 간 CAN(Controller Area Network) 통신 불능을 감지하는 등의 방법을 통해 밸브(510)의 고장 여부를 판단할 수 있다. 제어부(500)는 밸브(510)의 고장이 감지되면, 경고 신호를 차량 내의 다른 제어기(예를 들어, 차량 디스플레이 제어기)로 송신하여 경고등을 점등하게 할 수 있다. 제어부(500)는 이와 유사한 방식으로 사용자에게 경고를 할 수 있다.
제어부(500)는 밸브(510)의 고장이 감지되면 비상 조치가 수행되는 동안 연료전지 시스템(1)의 냉각량을 확보하기 위하여 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작을 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 동작 모드에 기초하여 밸브(510)의 개도를 제어할 수 있으며, 제어부(500)는 동작 모드에 기초하여 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 회전수를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(500)는 밸브(510)의 개도를 제어하여 냉각수가 라디에이터로 흐르는 비율을 조절할 수 있고, 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 회전수를 제어하여 냉각수의 냉각 정도를 조절할 수 있다.
실시예에 따르면, 동작 모드는 일반 모드 및 비상 모드를 포함할 수 있다. 여기서, 일반 모드는 제어부(500)에 의해 밸브(510)의 동작 상태가 정상이라고 판단되었을 때의 동작 모드를 포함할 수 있으며, 비상 모드는 밸브(510)의 동작 상태가 고장이라고 판단되었을 때의 동작 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태가 고장이라고 판단되면, 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작 모드를 비상 모드로 결정할 수 있고, 밸브(510)가 고장이 아닌 상태에서는 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작 모드를 일반 모드로 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 비상 모드에서 냉각수의 유동 경로가 라디에이터로 전환되도록 밸브의(510)의 개도를 최대로 설정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 밸브(510)의 개도를 100%로 설정할 수 있다. 밸브(510)는 일반 모드에서, 냉각수의 온도 등에 기초하여 개도를 자동적으로 조절할 수 있으나, 고장이 발생한 비상 모드에서는 밸브(510)의 동작이 정상적으로 이루어지지 않으므로, 제어부(500)는 냉각수가 모두 라디에이터로 흐르도록 제어하여, 냉각수의 과도한 승온을 방지하고 냉각을 유도할 수 있다. 이와 같이, 연료전지 시스템(1)은 밸브(510)의 고장이 발생하더라도 비상 조치를 취할 때까지의 시간을 확보할 수 있다.
실시예에 따르면, 연료전지 시스템(1)은 센서부(600)를 더 포함할 수 있다. 센서부(600)는 연료전지 입구의 냉각수 온도, 연료전지 출구의 냉각수 온도 및 외기온을 측정할 수 있다. 여기서, 연료전지 입구는 연료전지 스택의 입구를, 연료전지 출구는 연료전지 스택의 출구를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 센서부(600)는 연료전지 입구의 냉각수 온도 및 연료전지 출구의 냉각수 온도를 측정하도록 설정된 적어도 하나의 냉각수 온도 센서(610) 및 외기온을 측정하도록 설정된 외기 온도 센서(620)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 외기 온도 센서(620)는 연료전지 시스템(또는 차량)의 외기온을 측정할 수 있다. 일 예로, 외기 온도 센서(620)는 제1 라디에이터(60) 또는 제2 라디에이터(70)의 전면에 배치될 수 있다.
실시예에 따르면, 냉각수 온도 센서(610)는 적어도 하나일 수 있고, 연료전지 스택(10)의 입구에 대응하는 지점(예를 들어, 도 1의 제1 온도 센서(112)에 대응하는 위치)의 냉각수 온도 및/또는 연료전지 스택(10)의 출구에 대응하는 지점의 냉각수 온도를 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 냉각수 온도 센서(610) 및 외기 온도 센서(620)는 하나의 통합된 모듈로 구현되거나, 별도의 구성으로 구현될 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 외기온 및 연료전지 출력값에 기초하여 냉각팬(530)의 회전수를 결정하고, 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬(530)의 회전수를 보정하며, 연료전지 출구의 냉각수 온도에 기초하여 펌프(520)의 회전수를 결정할 수 있다. 이 때, 연료전지 출력값은 연료전지 스택(10)의 출력값을 포함할 수 있으며, 연료전지 스택(10)의 제어기(예를 들어, FCU(fuel-cell control unit))등에 의하여 결정될 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 외기온, 연료전지의 출력값, 및 냉각팬(530)의 회전수의 관계를 나타내는 제1 테이블 정보(예를 들어, 룩업(look-up) 테이블)를 데이터베이스로 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 테이블 정보는 하기의 [표 1]과 같은 형태로 표현될 수 있다.
냉각팬의 회전수
(단위: RPM)		 연료전지의 출력값(단위: kW)
0 A B C D E
일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상
외기온
(단위: ℃)		 ≤-10 0 0 W-10A W'-10A W-10A W'-10A W-10A W'-10A W-10A W'-10A W-10A W'-10A
0 0 0 W0A W'0A W0B W'0B W0C W'0C W0D W'0D W0E W'0E
10 0 0 W10A W'10A W10B W'10B W10C W'10C W10D W'10D W10E W'10E
20 0 0 W20A W'20A W20B W'20B W20C W'20C W20D W'20D W20E W'20E
30 0 0 W30A W'30A W30B W'30B W30C W'30C W30D W'30D W30E W'30E
40 0 0 W40A W'40A W40B W'40B W40C W'40C W40D W'40D W40E W'40E
50 0 0 W50A W'50A W50B W'50B W50C W'50C W50D W'50D W50E W'50E
[표 1]에서, 연료전지의 출력값은 0 < A < B < C < D < E의 관계를 가질 수 있다. 또한, 연료전지의 출력값 또는 외기온이 증가할수록 냉각팬(530)의 회전수는 증가할 수 있지만 반드시 정비례 관계인 것은 아니다. 냉각팬(530)의 성능은 유한할 것이므로, 제어부(500)는 일정 수준 이상의 냉각팬(530)의 회전수를 최대 회전수로 설정할 수 있다. 예를 들어, W40E, W50D, 및 W50E는 모두 최대 회전수로 동일할 수 있다. 반대로, 냉각팬(530)이 일정 수준 이하로 회전하면 냉각 성능에 영향이 없을 것이므로, 제어부(500)는 일정 수준 이하의 냉각팬(530)의 회전수를 최소 회전수로 설정할 수 있다.
실시예에 따르면, 외기온, 연료전지의 출력, 및 냉각팬(530)의 회전수를 나타내는 값은 이산적(discrete)일 것이므로, 테이블 정보에 표현된 값들의 사이 값은 보간법(interpolation)으로 처리될 수 있다. 예를 들어, 외기온이 0도이고 연료전지의 출력값이 A와 B 사이인 경우, 제어부(500)는 일반 모드에서 냉각팬(530)의 회전수를 W0A로 설정할 수 있다. 또한, 차량(예를 들어, 건설기계)이 정차하는 경우와 같이 연료전지의 출력값이 A보다 작은 경우 제어부(500)는 냉각팬(530)의 회전수를 0으로 설정할 수 있다. 이 경우, 전장부품(200)의 열부하 또는 공기 이동경로 상의 통기저항 증감에 따라서 냉각 성능이 현저히 감소할 수 있다. 따라서, 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(1)은 냉각 성능을 보장하기 위하여 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기반하여 결정된 회전수를 보정할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 연료전지 입구의 냉각수 온도 및 냉각팬(530)의 회전수의 관계를 나타내는 제2 테이블 정보를 데이터베이스로 저장할 수 있고, 예를 들어, 제2 테이블 정보는 하기의 [표 2]와 같은 형태로 표현될 수 있다.
냉각팬 회전수 보정값
(단위: RPM)		 연료전지 입구의 냉각수 온도(단위: ℃)
≤T0 ≤T1 ≤T2 ≤T3 ≤T4 ≤T5
일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상
0 0 WT1 W'T1 WT2 W'T2 WT3 W'T3 WT4 W'T4 WT5 W'T5
[표 2]에서, 연료전지 입구의 냉각수 온도는 T0 < T1 < T2 < T3 < T4 < T5 의 관계를 가질 수 있다. 예를 들어, 외기온이 10도이고 연료전지의 출력값이 A이며, 연료전지 입구의 냉각수 온도가 T1 과 T2 사이인 경우, 제어부(500)는 냉각팬(530)의 회전수를 일반 모드에서 W10A + WT2로 설정할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 연료전지 출구의 냉각수 온도 및 냉각팬(530)의 회전수의 관계를 나타내는 제3 테이블 정보를 데이터베이스로 저장할 수 있다. 예를 들어, 제3 테이블 정보는 하기의 [표 3]와 같은 형태로 표현될 수 있다.
펌프 회전수
(단위: RPM)		 연료전지 출구의 냉각수 온도(단위: ℃)
≤T'0 ≤T'1 ≤T'2 ≤T'3 ≤T'4 ≤T'5
일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상 일반 비상
0 0 WT1' W'T1' WT2' W'T2' WT3' W'T3' WT4' W'T4' WT5 W'T5'
[표 3]에서, 연료전지 입구의 냉각수 온도는 T'0 < T'1 < T'2 < T'3 < T'4 < T'5 의 관계를 가질 수 있다. [표 3]에서 T'0,T'1,T'2 ,T'3,T'4,T'5 각각은 [표 2] 에서 T0,T1,T2,T3,T4,T5 각각과 동일한 값일 수도 있다. 예를 들어, 연료전지 출구의 냉각수 온도가 T'3일 때, 제어부(500)는 펌프(520)의 회전수를 비상 모드에서 W'T3' 로 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(500)는 일반 모드에서의 냉각팬(530) 및 펌프(520)의 회전수와 비상 모드에서의 냉각팬(530) 및 펌프(520)의 회전수를 각각 다르게 결정할 수 있다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템의 동작 방법은, 냉각수의 유동 경로를 연료전지 스택 또는 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브의 동작 상태를 확인하는 단계(S100), 동작 상태에 기초하여 밸브, 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프 및 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬의 동작 모드를 결정하는 단계(S200), 동작 모드에 기초하여 밸브의 개도를 제어하고, 펌프 및 냉각팬의 회전수를 제어하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
S100 단계에서, 제어부(500)는 냉각수의 유동 경로를 연료전지 스택 또는 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브(510)의 동작 상태를 확인할 수 있다.
S200 단계에서, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태에 기초하여 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작 모드를 결정할 수 있다.
S300 단계에서, 제어부(500)는 동작 모드에 기초하여 밸브(510)의 개도를 제어하고, 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 회전수를 제어할 수 있다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 동작 모드를 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태에 기초하여 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 도 5에 도시된 S210 내지 S230 단계는 도 4에 도시된 S200 단계를 구성할 수 있다.
S210 단계에서, 제어부(500)는 밸브의 동작 상태가 고장인지 판단할 수 있다.
S220 단계에서, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태가 정상 상태와 같이 고장이 아닌 경우, 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)을 일반 모드로 결정할 수 있다.
S230 단계에서, 제어부(500)는 밸브(510)의 동작 상태가 고장이라고 판단되면, 밸브(510), 펌프(520) 및 냉각팬(530)을 비상 모드로 결정할 수 있다.
도 6은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 냉각팬 및 펌프의 회전수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 제어부(500)는 외기온 및 연료전지 출력값에 기초하여 냉각팬(530)의 회전수를 결정하고, 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬(530)의 회전수를 보정하며, 연료전지 출구의 냉각수 온도에 기초하여 펌프(520)의 회전수를 결정할 수 있다. 도 6에 도시된 S310 내지 S340 단계는 도 4에 도시된 S300 단계를 구성할 수 있다.
S310 단계에서, 센서부(600)는 연료전지 입구의 냉각수 온도, 연료전지 출구의 냉각수 온도 및 외기온을 측정할 수 있다.
S320 단계에서, 제어부(500)는 외기온 및 연료전지 출력값에 기초하여 냉각팬의 회전수를 결정할 수 있다.
S330 단계에서, 제어부(500)는 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬의 회전수를 보정할 수 있다.
S340 단계에서, 제어부(500)는 연료전지 출구의 냉각수 온도에 기초하여 펌프의 회전수를 결정할 수 있다.
이상에서, 본 문서에 개시된 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 문서에 개시된 실시예들이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 문서에 개시된 실시예들의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소를 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 문서의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택을 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인;
    상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 냉각시키도록 설정된 라디에이터;
    상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬;
    상기 냉각라인 상에 배치되고 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프;
    상기 냉각수의 유동 경로를 상기 연료전지 스택 또는 상기 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브; 및
    상기 냉각팬, 상기 펌프, 및 상기 밸브의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 밸브의 동작 상태에 기초하여 상기 밸브, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 동작 모드를 결정하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 동작 모드에 기초하여 상기 밸브의 개도를 제어하고, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 제어하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 동작 모드는 일반 모드 및 비상 모드를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 밸브의 동작 상태가 고장이라고 판단되면 상기 밸브, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 상기 동작 모드를 상기 비상 모드로 결정하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 비상 모드에서,
    상기 냉각수의 유동 경로가 상기 라디에이터로 전환되도록 상기 밸브의 개도를 최대로 설정하는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    연료전지 입구의 냉각수 온도, 연료전지 출구의 냉각수 온도 및 외기온을 측정하도록 설정된 센서부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 외기온 및 연료전지 출력값에 기초하여 상기 냉각팬의 회전수를 결정하고,
    상기 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 냉각팬의 회전수를 보정하며,
    상기 연료전지 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 펌프의 회전수를 결정하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 일반 모드에서의 상기 냉각팬 및 상기 펌프의 회전수와 상기 비상 모드에서의 상기 냉각팬 및 상기 펌프의 회전수를 각각 다르게 결정하는 연료전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 상기 연료전지 입구의 냉각수 온도 및 상기 연료전지 출구의 냉각수 온도를 측정하도록 설정된 적어도 하나의 냉각수 온도 센서; 및
    상기 외기온을 측정하도록 설정된 외기 온도 센서를 포함하는 연료전지 시스템.
  8. 냉각수의 유동 경로를 연료전지 스택 또는 라디에이터로 전환하도록 설정된 밸브의 동작 상태를 확인하는 단계; 및
    상기 동작 상태에 기초하여 상기 밸브, 상기 냉각수를 펌핑하도록 설정된 펌프 및 상기 라디에이터에 외기를 송풍하도록 설정된 냉각팬의 동작 모드를 결정하는 단계를 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서
    상기 동작 모드에 기초하여 상기 밸브의 개도를 제어하고, 상기 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 제어하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 동작 모드는 일반 모드 및 비상 모드를 포함하고,
    상기 밸브의 동작 상태가 고장이라고 판단되면 상기 밸브, 상기 펌프 및 상기 냉각팬을 비상 모드로 결정하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    연료전지 입구의 냉각수 온도, 연료전지 출구의 냉각수 온도 및 외기온을 측정하는 단계;
    상기 외기온 및 연료전지 출력값에 기초하여 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 단계;
    상기 연료전지 입구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 냉각팬의 회전수를 보정하는 단계; 및
    상기 연료전지 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 펌프의 회전수를 결정하는 단계를 더 포함하는 연료전지 시스템의 동작 방법.
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