KR20240005369A - 연료전지 시스템 및 그의 시동 정지 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택을 경유하는 제1 유로 또는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 경유하는 제2 유로를 통한 냉각수의 유동 경로를 전환하는 냉각수 제어 밸브, 및 상기 연료전지 스택의 시동 정지 요청이 있으면, 시동 정지 시퀀스를 수행하며 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 냉각수 제어 밸브는, 펌프로 유입되는 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브 및 상기 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브가 통합된 형태로 구성된다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 시동 정지 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM AND SHUTDOWN CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 시동 정지 제어 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.
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 이온필터, 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(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.
이러한, 열 관리 시스템은 시동 정지 시, 연료전지 스택에서 발생된 전력이 남아있거나, 혹은 반응을 위해 유입된 수소 및 산소가 잔류할 수 있다. 이와 같이 연료전지 스택에 전력 혹은 수소 및 산소가 남아있는 경우, 연료전지 스택의 캐소드(산소극) 측 카본에 부식이 일어나 연료전지 스택의 내구성을 저하시키게 된다.
본 발명의 목적은, 연료전지 스택의 시동 정지 시 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 통해 연료전지 스택 내에 남아있는 수소와 산소 반응에 의해 생성된 전력을 열 에너지로 소비함으로써 잔존 산소를 모두 제거하여 연료전지 스택의 내구성을 확보할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 시동 정지 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연료전지 스택의 시동 정지 시, 통합된 냉각수 제어 밸브를 통해 연료전지 스택과 COD 히터 간의 유로를 신속하고 용이하게 제어할 수 있는 연료전지 시스템 및 그의 시동 정지 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택을 경유하는 제1 유로 또는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 경유하는 제2 유로를 통한 냉각수의 유동 경로를 전환하는 냉각수 제어 밸브, 및 상기 연료전지 스택의 시동 정지 요청이 있으면, 시동 정지 시퀀스를 수행하며 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 냉각수 제어 밸브는, 펌프로 유입되는 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브 및 상기 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브가 통합된 형태로 구성된다.
일 실시예에서, 상기 시동 정지 시퀀스는, 상기 펌프의 회전수(RPM)를 사전에 설정된 값으로 설정하는 제1 동작, 상기 연료전지 스택 및 라디에이터와 연결된 밸브가 차단되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제2 동작, 냉각팬 및 전장부품으로 냉각수를 공급하는 제2 펌프의 회전수(RPM)를 미리 정해진 최소값으로 설정하는 제3 동작, COD 히터의 릴레이를 온(ON) 설정하는 제4 동작, 상기 COD 히터의 동작 모드를 시동 정지 모드로 설정하는 제5 동작, 상기 COD 히터에 대한 저전압 보호 로직을 비활성화시키는 제6 동작 및 상기 COD 히터의 허용 전력을 사전에 설정된 값으로 설정하는 제7 동작을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 냉각수 제어 밸브는, 상기 COD 히터를 경유하는 상기 제2 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제1 포트, 상기 연료전지 스택을 경유하는 상기 제1 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제2 포트, 상기 제1 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터의 바이패스 라인인 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제2 유로로 배출하는 제3 포트, 상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 상기 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제1 유로로 배출하는 제4 포트, 및 상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터를 경유하는 제4 유로로 배출하는 제5 포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 냉각수 제어 밸브는, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제2 동작 수행 시, 상기 제1 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제2 포트 및 상기 제4 포트의 밸브를 차단(close)하고, 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제1 포트 및 상기 제3 포트의 밸브를 개방(Open)하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 냉각수 제어 밸브는, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제2 동작 수행 시, 상기 라디에이터로 유입되는 냉각수가 차단되도록 상기 제4 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제5 포트의 밸브를 차단(Close)하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 될 때까지, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 시동 정지 시퀀스는, 상기 펌프, 상기 제2 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수(RPM)를 '0'으로 설정하는 제8 동작 및 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터와 연결된 밸브가 개방되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제9 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 수행하는 동안 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 되면, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제8 동작 및 상기 제9 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 시동 정지 시퀀스가 종료되면, 상기 연료전지 스택의 시동을 정지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법은, 연료전지 스택의 시동 정지 요청이 있으면, 제어기가 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계, 상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 동안 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 유로 또는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 경유하는 제2 유로와 연결된 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 단계, 및 상기 냉각수 제어 밸브가 상기 제어기의 제어에 따라 상기 제1 유로 또는 상기 제2 유로를 통한 냉각수의 유동 경로를 전환하는 단계를 포함하며, 상기 냉각수 제어 밸브는, 펌프로 유입되는 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브 및 상기 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브가 통합된 형태로 구성된다.
일 실시예에서, 상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는, 상기 펌프의 회전수(RPM)를 사전에 설정된 값으로 설정하는 제1 동작을 수행하는 단계, 상기 연료전지 스택 및 라디에이터와 연결된 밸브가 차단되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제2 동작을 수행하는 단계, 냉각팬 및 전장부품으로 냉각수를 공급하는 제2 펌프의 회전수(RPM)를 미리 정해진 최소값으로 설정하는 제3 동작을 수행하는 단계, 상기 COD 히터의 릴레이를 온(ON) 설정하는 제4 동작을 수행하는 단계, 상기 COD 히터의 동작 모드를 시동 정지 모드로 설정하는 제5 동작을 수행하는 단계, 상기 COD 히터에 대한 저전압 보호 로직을 비활성화시키는 제6 동작을 수행하는 단계, 및 상기 COD 히터의 허용 전력을 사전에 설정된 값으로 설정하는 제7 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 제어 밸브는, 상기 COD 히터를 경유하는 상기 제2 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제1 포트, 상기 연료전지 스택을 경유하는 상기 제1 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제2 포트, 상기 제1 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터의 바이패스 라인인 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제2 유로로 배출하는 제3 포트, 상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 상기 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제1 유로로 배출하는 제4 포트, 및 상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터를 경유하는 제4 유로로 배출하는 제5 포트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 동작을 수행하는 단계는, 상기 제1 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제2 포트 및 상기 제4 포트의 밸브를 차단(close)하고, 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제1 포트 및 상기 제3 포트의 밸브를 개방(Open)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 동작을 수행하는 단계는, 상기 라디에이터로 유입되는 냉각수가 차단되도록 상기 제4 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제5 포트의 밸브를 차단(Close)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 될 때까지, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작이 반복하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 수행하는 동안 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 되면, 상기 펌프, 상기 제2 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수(RPM)를 0으로 설정하는 제8 동작을 수행하는 단계; 및
상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터와 연결된 밸브가 개방되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제9 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시동 정지 제어 방법은, 상기 시동 정지 시퀀스가 종료되면, 상기 연료전지 스택의 시동을 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 시동 정지 시 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 통해 연료전지 스택 내에 남아있는 수소와 산소 반응에 의해 생성된 전력을 열 에너지로 소비함으로써 잔존 산소를 모두 제거하여 연료전지 스택의 내구성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 시동 정지 시, 통합된 냉각수 제어 밸브를 통해 연료전지 스택과 COD 히터 간의 유로를 신속하고 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 구조도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 제어 밸브의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 제어 밸브의 연결 구조를 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a의 냉각수 제어 밸브 연결 구조에 따른 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 제어 밸브의 연결 구조를 도시한 도면이다.
도 6b는 도 6a의 냉각수 제어 밸브 연결 구조에 따른 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시동 정지 시퀀스의 동작 흐름을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 제어 밸브의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 차량용 연료전지 시스템은 차량의 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인과 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인(160)을 포함할 수 있다. 실시 예에서, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환 시키는 열교환기(300)를 더 포함할 수 있으나, 생략 가능하다.
연료전지 시스템은 제1 냉각라인을 형성하는 복수의 유로, 즉, 제1 내지 제5 유로(110~150)를 포함할 수 있다. 제1 냉각수는 제1 내지 제5 유로(110~150)를 순환하면서 냉각 또는 가열될 수 있다.
제1 냉각수가 순환하는 제1 내지 제5 유로(110~150) 상에는 연료전지 스택(10), COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(20), 제1 펌프(30), 이온필터(Coolant Ion Filter, CIF)(40) 및 제1 라디에이터(50) 등을 포함하여 구성될 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.
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. 이를 위해, 이온필터(40)는 제1 냉각수의 이온을 필터링하는 역할을 한다. 이온필터(40)는 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지하기 위해 제1 냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 설정될 수 있다.
제1 라디에이터(50)는 복수의 유로를 따라 이동하는 제1 냉각수를 냉각시키도록 설정될 수 있으며, 냉각팬(60)은 제1 라디에이터(50)에 외기를 송풍하도록 설정될 수 있다. 제1 라디에이터(50)는 제1 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1 라디에이터(50)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제1 라디에이터(50)는 제1 냉각수가 저장되는 리저버(52)에 연결될 수 있다.
제1 냉각수가 이동하는 유로는 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 유로(110), COD 히터(20)를 경유하는 제2 유로(120) 및 이온필터(40)를 경유하는 제3 유로(130)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 냉각수가 이동하는 유로는 연료전지 스택(10)에 의해 가열된 제1 냉각수를 냉각시키기 위해 제1 라디에이터(50)를 경유하는 제4 유로(140) 및 제1 라디에이터(50)를 바이패스하여 통과하도록 하는 제5 유로(150)를 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 시스템은 제1 내지 제5 유로(110~150)를 통한 제1 냉각수의 이동 경로를 전환하는 냉각수 제어 밸브(70)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 일 예로 냉각수 제어 밸브(70)는 제1 펌프(30)로 유입되는 제1 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브(예를 들어, 냉각수 온도 제어 밸브(Coolant Temperature control Valve, CTV) 및 제1 펌프(30)에 의해 펌핑된 제1 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브(예를 들어, 냉각수 바이패스 밸브(Coolant Bypass Valve, CBV)가 통합된, 통합 냉각수 온도 제어 밸브(Integrated Coolant Temperature control Valve, ICTV) 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 펌프(30)는 냉각수 공급 펌프(Coolant Supply Pump, CSP)일 수 있다.
냉각수 제어 밸브(70)는 제1 내지 제5 유로(110~150)와 연결되는 복수 개의 포트를 포함하며, 각 포트의 밸브 개폐 상태는 제어기(400)에 의해 제어될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제어기(400)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 제어기(400)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 일 예로, 제어기(400)는 연료전지 시스템의 상위 제어기일 수 있다.
제어기(400)는 연료전지 스택(10), COD 히터(20), 제1 펌프(30), 이온필터(40), 제1 라디에이터(50) 및 냉각팬(60) 등의 구동 유닛들과 신호를 송수신하며 각 구동 유닛의 제어량을 결정하고, 각 구동 유닛의 동작 상태를 관리한다.
제어기(400)는 연료전지 스택(10), COD 히터(20), 제1 펌프(30), 이온필터(40), 제1 라디에이터(50) 및 냉각팬(60) 등의 구동 유닛들과 신호를 송수신하며 각 구동 유닛의 제어량을 결정하고, 각 구동 유닛의 동작 상태를 관리한다. 제어기(400)는 연료전지 시스템 온(ON) 시, 열 관리 제어를 위한 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정하고, 열 관리 제어 동작을 수행하는 동안 각 구동 유닛들을 구동하면서 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는지 확인한다.
제어기(400)는 열 관리 제어를 위한 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능이 결정되면, 결정된 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능에 기초하여 제1 펌프(30)의 회전수 및 냉각팬(60)의 회전수를 결정할 수 있다.
또한, 제어기(400)는 제1 냉각수의 온도에 기초하여 냉각수 제어 밸브(70)에 구비된 각 포트의 밸브 개도량을 결정할 수 있다. 제어기(400)는 냉각팬(60)의 회전수, 연료전지 스택(10) 입구 및 출구의 제1 냉각수 온도와, 제1 라디에이터(50) 출구의 제1 냉각수 온도 등에 기초하여 제1 냉각수 유량을 결정하고, 결정된 제1 냉각수 유량에 따라 냉각수 제어 밸브(70)의 개도량을 결정할 수 있다. 이때, 제어기(400)는 도 1에 도시된 제1 내지 제5 유로(110~150) 상에 배치된 온도 센서(미도시)로부터 측정된 제1 냉각수 온도에 기초하여 각 유로를 따라 흐르는 제1 냉각수의 유량을 결정할 수 있다. 일 예로서, 온도 센서는 연료전지 스택(10)의 입구 및 출구의 제1 냉각수 온도, 제1 라디에이터(50) 출구의 제1 냉각수 온도, COD 히터(20)의 제1 냉각수 온도 등을 측정할 수 있다.
제어기(400)는 정해진 유로를 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.
도 3을 참조하면, 냉각수 제어 밸브(70)는 오방 밸브(5-way valve)일 수 있다. 일 예로, 냉각수 제어 밸브(70)는 제1 냉각수가 유입되는 제1 포트(71) 및 제2 포트(72)를 포함하고, 제1 포트(71) 또는 제2 포트(72)를 통해 유입된 제1 냉각수가 배출되는 제3 포트(73), 제4 포트(74) 및 제5 포트(75)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 포트(71) 및 제3 포트(73)는 제1 값(θ1) 내지 제2 값(θ2) 사이에서 밸브의 개도량이 조절될 수 있다. 한편, 제2 포트(72), 제4 포트(74) 및 제5 포트(75)는 제2값(θ2) 내지 제3값(θ3) 사이에서 밸브의 개도량이 조절될 수 있다.
제1 포트(71)는 COD 히터(20)를 경유하는 제2 유로(120) 및 이온필터(40)를 경유하는 제3 유로(130)와 연결되어, 제1 포트(71) 개방 시 제2 유로(120) 및 제3 유로(130)를 통과한 제1 냉각수가 유입될 수 있다.
제2 포트(72)는 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 유로(110) 및 이온필터(40)를 경유하는 제3 유로(130)와 연결되어, 제2 포트(72) 개방 시 제1 유로(110) 및 제3 유로(130)를 통과한 제1 냉각수가 유입될 수 있다. 여기서, 이온필터(40)를 통과한 제1 냉각수는 제1 포트(71) 및 제2 포트(72)의 개폐 상태에 따라 제1 포트(71) 또는 제2 포트(72)로 유입될 수 있다.
제3 포트(73) 및 제4 포트(74)는 제1 라디에이터(50)를 거치지 않고 제1 냉각수를 제1 펌프(30)의 입구로 유동시키는 제5 유로(150)와 연결된다. 일 예로, 제3 포트(73)는 제1 포트(71) 개방 시 함께 개방되어 제1 포트(71)를 통해 유입된 제1 냉각수를 제5 유로(150)로 배출시킬 수 있다. 제4 포트(74)는 제2 포트(72) 개방 시에 개방될 수 있으며, 제2 포트(72)를 통해 유입된 제1 냉각수의 일부 또는 전체를 제5 유로(150)로 배출시킬 수 있다.
제5 포트(75)는 제1 라디에이터(50)를 경유하는 제4 유로(140)와 연결되어, 제5 포트(75) 개방 시에 제1 냉각수를 제4 유로(140)로 배출시킬 수 있다. 제5 포트(75)는 제2 포트(72) 개방 시에 개방될 수 있으며, 제2 포트(72)를 통해 유입된 제1 냉각수의 일부 또는 전체를 제4 유로(140)로 배출시킬 수 있다.
제5 포트(75)에 의해 배출된 제1 냉각수는 제4 유로(140)를 따라 유동하며 제1 라디에이터(50)를 거쳐 냉각되고, 다시 제1 펌프(30)로 유입될 수 있다.
냉각수 제어 밸브(70)의 제1 내지 제5 포트(71~75)는 제어기(400)에 의해 개폐가 제어될 수 있다. 즉, 제어기(400)는 도 1에 도시된 제1 내지 제5 유로(110~150) 중 제1 냉각수의 유동 경로를 결정하고, 결정된 제1 냉각수의 유동 경로에 따라 냉각수 제어 밸브(70)에 구비된 각 포트의 밸브 개폐 상태를 제어할 수 있다.
냉각수 제어 밸브(70)는 제어기(400)로부터의 제어 신호에 따라 제1 내지 제5 포트(71~75) 중 일부 포트의 밸브를 개방함으로써 연료전지 시스템을 순환하는 제1 냉각수의 유동 경로를 전환할 수 있다. 이때, 제1 냉각수는 제1 유로(110), 제2 유로(120), 제3 유로(130), 제4 유로(140) 및 제5 유로(150) 중 일부 유로를 따라 순환하면서 냉각 또는 가열될 수 있다.
한편, 제2 냉각라인(160)은 차량의 전장부품(200)을 경유하도록 구성되며, 제2 냉각수는 제2 냉각라인(160)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 1에는 도시되지 않았지만, 전장부품(200)은 DC-DC 벅/부스트(buck/boost) 컨버터를 더 포함할 수 있다.
제2 냉각라인(160) 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(160) 상에는 제2 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터(55)가 배치될 수 있다. 제2 라디에이터(55)는 제2 냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2 라디에이터(55)의 종류 및 구조가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 제2 라디에이터(55)는 제2 냉각수가 저장되는 제2 리저버(57)에 연결될 수 있다.
실시예에서, 제1 라디에이터(50) 및 제2 라디에이터(55)는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 냉각팬(60)에 의해 동시에 냉각되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 라디에이터(50) 및 제2 라디에이터(55)는 나란하게 배치되고, 냉각팬(60)은 제1 라디에이터(50) 및 제2 라디에이터(55)에 외기를 송풍하도록 설정될 수 있다. 하나의 냉각팬(60)에 의해 제1 라디에이터(50) 및 제2 라디에이터(55)가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 시스템의 구조는 간소화되고 설계자유도 및 공간활용성이 향상될 수 있으며, 제1 라디에이터(50) 및 제2 라디에이터(55)를 냉각시키기 위한 전력 소모가 최소화될 수 있다. 물론, 제1 라디에이터(50)를 냉각시키기 위한 제1 냉각팬과 제2 라디에이터(55)를 냉각시키기 위한 제2 냉각팬이 별도로 배치될 수도 있다. 이 경우, 연료전지 시스템은 제1 냉각팬의 회전수를 제어할 때 전장부품(200)의 열부하와 관련된 파라미터를 배제할 수 있다.
열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환 시키도록 설정될 수 있다. 열교환기(300)가 포함되는 경우, 제1 냉각라인(110~150) 및 제2 냉각라인(160)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, 전장부품(200)을 냉각하는 제2 냉각수의 온도가 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제1 냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되므로, 연료전지 시스템은 제1 냉각수와 제2 냉각수를 상호 열교환 시키는 것에 의해 제1 라디에이터(50) 및 냉각팬(60)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.
실시 예에서, 열교환기(300)는 제1 라디에이터(50)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에서 제1 냉각라인에 연결되고, 제2 냉각라인(160)은 열교환기(300)를 경유하도록 제2 라디에이터(55)의 출구와 전장부품(200)을 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각수는 제1 냉각라인에 연결된 열교환기(300)를 따라 유동될 수 있으며, 제2 냉각라인(160)은 제1 냉각수에 노출(예를 들어, 제1 냉각수가 제2 냉각라인(160)의 둘레를 따라 유동)되도록 열교환기(300)의 내부를 통과할 수도 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(50)를 통과한 제1 냉각수의 제1 온도는 제2 라디에이터(55)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. 열교환기(300)는 제1 라디에이터(50)와 별도로 배치되지만, 실시 형태에 따라 제1 라디에이터(50)에 직접 연결될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도이다. 도 4에 도시된 제어 블록도는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어를 위한 제어 구조를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 제어기(400)는 연료전지 스택(10)의 운전 중 시동 정지(shutdown) 요청이 있으면, 사전에 정의된 시동 정지 시퀀스를 실행하여 연료전지 시스템의 시동을 정지시킨다. 이때, 제어기(400)는 외기 온도에 따라 저온 시동 정지(Cold Shutdown)를 수행할지 혹은 정상 시동 정지(Normal Shutdown)를 수행할지를 결정할 수 있다.
이에, 연료전지 시스템은 차량의 외기 온도를 측정하기 위한 외기 온도 센서(410)를 더 포함할 수 있다. 제어기(400)는 연료전지 스택(10)의 운전 중 시동 정지 요청이 있으면, 외기 온도 센서(410)에 의해 측정된 외기 온도 정보를 수신한다. 이때, 제어기(400)는 외기 온도 센서(410)로부터 수신된 외기 온도가 기 설정된 온도(T) 이하이면 저온 시동 정지(Cold Shutdown)를 위한 제1 시동 정지 시퀀스를 실행하고, 그렇지 않으면 정상 시동 정지(Normal Shutdown)를 위한 제2 시동 정지 시퀀스를 실행할 수 있다. 여기서, 제1 시동 정지 시퀀스 및 제2 시동 정지 시퀀스는 공통적으로 수행하는 시동 정지 시퀀스를 포함할 수 있다. 한편, 제1 시동 정지 시퀀스는 제2 시동 정지 시퀀스와 구별되는 별도의 동작을 더 포함할 수도 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 제1 시동 정지 시퀀스 및 제2 시동 정지 시퀀스에서 별도로 수행되는 동작에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
제어기(400)는 시동 정지 시, 사전에 정의된 시동 정지 시퀀스에 따라 COD 히터(20), 제1 펌프(CSP)(30) 및 제2 펌프(CPP)(205), 냉각팬(C/FAN)(60) 및 냉각수 제어 밸브(ICTV)(70)를 제어할 수 있다.
먼저, 제어기(400)는 시동 정지 시퀀스의 제1 동작으로서, 제1 펌프(30)의 회전수(RPM)를 제1 설정값(w1)으로 설정한다.
또한, 제어기(400)는 시동 정지 시퀀스의 제2 동작으로서, 냉각수 제어 밸브(ICTV)(70)를 통해 각 포트의 밸브 개도량를 정해진 각도로 설정한다. 여기서, 제어기(400)는 시동 정지 시퀀스를 수행하는 동안, 연료전지 스택(10)으로 제1 냉각수가 유입되지 않도록 차단하고, 제1 냉각수가 냉각되는 것을 방지하기 위하여 제1 라디에이터(50)로 흐르는 제1 냉각수가 바이패스되도록 냉각수 제어 밸브(ICTV)(70)의 밸브 개도량을 제어할 수 있다. 이때, 제어기(400)는 연료전지 스택(10)의 입구 및 출구에 연결된 COD 히터(20)로 제1 냉각수가 유입되도록 할 수 있다.
이에, 시동 정지 시퀀스에 따른 냉각수 제어 밸브(70)의 연결 구조 및 제1 냉각수의 흐름은 도 5a 및 도 5b를 참조하도록 한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시동 정지 시의 냉각수 제어 밸브의 연결 구조를 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a의 냉각수 제어 밸브의 연결 구조에 따른 제1 냉각수의 흐름을 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 제어기(400)는 연료전지 스택(10)으로 제1 냉각수가 공급되는 것을 차단하기 위하여, 연료전지 스택(10)을 경유하는 제1 유로(110)와 연결된 냉각수 제어 밸브(70)의 제2 포트(72) 및 제4 포트(74)의 밸브를 차단(close)하고, COD 히터(20)로 제1 냉각수를 공급하는 제2 유로(120)와 연결된 냉각수 제어 밸브(70)의 제1 포트(71) 및 제3 포트(73)의 밸브를 개방할 수 있다. 또한, 제어기(400)는 제1 라디에이터(50)로 유입되는 제1 냉각수를 바이패스하기 위하여, 제1 라디에이터(50)를 경유하는 제4 유로(140)와 연결된 냉각수 제어 밸브(70)의 제5 포트(75)의 밸브를 차단하고, 제1 라디에이터(50)의 바이패스 라인인 제5 유로(150)와 연결된 제3 포트(73)의 밸브를 개방할 수 있다.
이와 같이, 냉각수 제어 밸브(ICTV)(70)는 제1 냉각수가 연료전지 스택(10) 및 제1 라디에이터(50)로 유입되지 않도록 제2 포트(72), 제4 포트(74) 및 제5 포트(75)를 차단하고, 제1 냉각수가 COD 히터(20) 및 이온필터(40)로 유입되도록 제1 포트(71) 및 제3 포트(73)를 개방한다. 따라서, 제1 냉각수가 제2 유로(120) 및 제5 유로(150)를 따라 순환하는 가열 루프가 형성될 수 있다.
이 경우, 냉각수 제어 밸브(70)의 제어에 따른 제1 냉각수의 흐름은 도 5b와 같다. 도 5b와 같이, 시동 정지 시, 제1 냉각수는 제2 유로(120) 및 제5 유로(150)를 따라 가열 루프를 순환하면서 COD 히터(20)에 의해 가열될 수 있다. 또한, 제1 냉각수는 제2 유로(120) 및 제5 유로(150)를 따라 순환함과 동시에, 제3 유로(130)를 따라서도 순환하도록 하는 것에 의하여 제3 유로(130) 상의 이온필터(40)에 의한 필터링(냉각수에 포함된 이온 제거)을 통해 제1 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지시킬 수 있다.
또한, 제어기(400)는 시동 정지 시퀀스의 제3 동작으로서, 냉각팬(C/FAN)(60) 및 제2 펌프(CPP)의 회전수(RPM)를 최소 설정값(MIN)으로 설정한다.
또한, 제어기(400)는 시동 정지 시퀀스의 제1 내지 제3 동작을 완료하면, 제4 동작으로서, COD 히터(COD HTR)(20)의 릴레이(Relay)를 온(ON) 제어한 후에, 제5 동작으로서, COD 히터(20)의 동작 모드를 시동 정지 모드(Shutdown Mode)로 설정한다. 여기서, COD 히터(20)의 릴레이는 연료전지 스택(10) 및 COD 히터(20)를 연결하는 라인 상에 배치되며, COD 히터(20)의 릴레이를 온(ON) 제어하는 경우 연료전지 스택(10)과 COD 히터(20)가 연결될 수 있다.
시동 정지 시, 연료전지 스택(10) 내에 연료전지 스택(10)에서 발전한 전력이 남아있으면 연료전지 스택(10)의 안전성이 떨어지고 연료전지 스택(10)의 내구성을 저하시키게 된다. 이에, COD 히터(20)는 시동 정지 시 연료전지 스택(10)의 입구 및 출구에 연결되어, 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 전력을 열 에너지로 방출함으로써 연료전지 스택(10)에 남아있는 전력을 모두 소진시킨다. 이로 인해, 연료전지 스택(10)의 내구성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
COD 히터(20)는 연료전지 스택(10)의 전압이 COD 히터(20)의 최저 작동 전압 아래로 내려가는 경우 동작 시간이 길어져 내구성이 저하된다. 이를 방지하기 위해, COD 히터(20) 동작 시, 전압 보호 로직(420)을 활성화시킨다. 일 예로, 연료전지 시스템은 저전압 보호 로직(Under Voltage Protection)을 활성화시켜 연료전지 스택(10)의 전압이 COD 히터(20)의 최저 작동 전압 아래로 내려가면 COD 히터(20)의 동작을 중단시켜 내구성이 저하되는 것을 방지하도록 한다. 다만, 시동 정지 시에는 연료전지 스택(10)의 발전이 중단되기 때문에 연료전지 스택(10)의 전압이 점차 떨어지게 된다. 이 경우, 연료전지 스택(10)의 전압이 COD 히터(20)의 최저 작동 전압 아래로 내려가더라도 연료전지 스택(10) 내에 잔류하는 수소 및 산소나 전력을 제거하기 위해서는 COD 히터(20)의 동작이 중단되지 않아야 한다. 따라서, 제어기(400)는 제6 동작으로서, COD 히터(20)가 시동 정지 모드로 동작하는 동안 중단되지 않도록 저전압 보호 로직을 비활성화시키도록 한다.
이때, 제어기(400)는 제7 동작으로서, COD 히터(20)의 허용 전력을 제1 전력값(P1)으로 설정한다. 여기서, 제어기(400)는 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 수소 및 산소나 전력을 빠르게 소진시키기 위해, COD 히터(20)의 허용 전력을 상향 설정할 수 있다.
제어기(400)는 시동 정지 시퀀스의 제1 동작 내지 제7 동작을 수행한 후에, 연료전지 스택(10)의 전압을 모니터링한다. 이때, 연료전지 스택(10)의 모니터링 전압(VSVM)이 기 설정된 기준 전압(V1)을 초과하는 경우, 제어기(400)는 제1 동작 내지 제7 동작을 반복하여 수행할 수 있다.
한편, 제어기(400)는 연료전지 스택(10)의 모니터링 전압(VSVM)이 기 설정된 기준 전압(V1) 이하로 떨어지면, 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 수소 및 산소 또는 전력 등이 어느 정도 제거된 것으로 판단한다. 이에, 제어기(400)는 제8 동작으로서, 냉각팬(C/FAN)(60), 제1 펌프(30) 및 제2 펌프(205)의 회전수(RPM)를 '0'으로 설정하고, 제9 동작으로서, 냉각수 제어 밸브(70)를 통해 연료전지 스택(10) 및 제1 라디에이터(50)와 연결된 포트의 밸브를 모두 개방하도록 한다.
제9 동작에 의해, 냉각수 제어 밸브(70)는 연료전지 스택(10) 및 제1 라디에이터(50)와 연결된 포트의 밸브를 모두 개방한다. 이 경우, 냉각수 제어 밸브(70)의 연결 구조 및 제1 냉각수 흐름은 도 6a 및 도 6b를 참조하도록 한다.
도 6a을 참조하면, 냉각수 제어 밸브(70)는 연료전지 스택(10) 및 제1 라디에이터(50)와 연결된 포트, 즉, 제2 포트(72) 및 제5 포트(75)의 밸브를 개방한다. 여기서, 제어기(400)는 제4 포트(74)의 밸브를 개방할 수도 있다. 이 경우, 제1 냉각수의 일부는 제4 유로(140)를 따라 제1 라디에이터(50)를 통과하고, 나머지 일부는 제5 유로(150)를 따라 흐를 수 있다.
한편, 냉각수 제어 밸브(70)는 COD 히터(20)로 제1 냉각수가 유입되는 것을 방지하기 위해, 제2 유로(120)와 연결된 제1 포트(71) 및 제3 포트(73)의 밸브를 차단시킬 수 있다. 이 경우, 도 6b와 같이, 제1 냉각수가 제1 유로(110), 제3 유로(130), 제4 유로(140) 및 제5 유로(150)를 따라 순환하는 냉각 루프가 형성될 수 있다.
제어기(400)는 시동 정지 시퀀스에 정의된 동작을 모두 수행하면, 연료전지 시스템을 오프(OFF) 시키도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 정지 시퀀스의 동작 흐름을 도시한 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 운전 중 시동 정지(Shutdown) 요청이 있으면(S110, S120), 외기 온도 센서(410)로부터 수신된 외기 온도를 확인한다. 이때, 연료전지 시스템은 확인된 외기온이 기 설정된 온도(T) 이하이면(S130), 저온 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 저온 시동 정지(Cold Shutdown)를 수행하고(S140), 그렇지 않으면 정상 시동 정지(Normal Shutdown)를 수행한다(S150).
여기서, 연료전지 시스템은 저온 시동 정지 혹은 정상 시동 정지 시에 도 8의 시동 정지 시퀀스를 수행할 수 있다
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템은 우선 제1 펌프(CSP)(30)의 회전수(RPM)를 제1 설정값(ω1)으로 설정하고(S210), 시동 정지 시퀀스를 수행하는 동안, 연료전지 스택(10)으로 제1 냉각수가 유입되지 않도록 차단하고, 제1 냉각수가 냉각되는 것을 방지하기 위하여 제1 라디에이터(50)로 흐르는 제1 냉각수가 바이패스되도록 냉각수 제어 밸브(ICTV)(70)의 밸브 개도량을 제어한다(S220)
또한, 연료전지 시스템은 냉각팬(C/FAN)(60) 및 제2 펌프(CPP)의 회전수(RPM)를 최소 설정값(MIN)으로 설정하고(S230), COD 히터(COD HTR)(20)의 릴레이(Relay)를 온(ON) 제어한다(S240). 여기서, COD 히터(20)의 릴레이는 연료전지 스택(10) 및 COD 히터(20)를 연결하는 라인 상에 배치되며, COD 히터(20)의 릴레이를 온(ON) 제어하는 경우 연료전지 스택(10)과 COD 히터(20)가 연결될 수 있다. 이때, COD 히터(20)는 시동 정지 시 연료전지 스택(10)의 입구 및 출구에 연결되어, 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 전력을 열 에너지로 방출함으로써 연료전지 스택(10)에 남아있는 전력을 모두 소진시킨다. 이로 인해, 연료전지 스택(10)의 내구성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이후, 연료전지 시스템은 COD 히터(20)의 동작 모드를 시동 정지 모드(Shutdown Mode)로 설정한다(S250). 여기서, 연료전지 시스템은 시동 정지 시 연료전지 스택(10)의 발전이 중단됨에 따라 연료전지 스택(10)의 전압이 COD 히터(20)의 최저 작동 전압 아래로 내려가더라도 연료전지 스택(10) 내에 잔류하는 수소 및 산소나 전력을 제거하기 위해, COD 히터(20)가 시동 정지 모드로 동작하는 동안 중단되지 않도록 저전압 보호 로직을 비활성화(Disable) 시키도록 하고(S260), COD 히터(20)의 허용 전력을 제1 전력값(P1)으로 설정한다(S270). 여기서, COD 히터(20)의 허용 전력은 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 수소 및 산소나 전력을 빠르게 소진시키기 위해, COD 히터(20)의 허용 전력을 상향 설정할 수 있다.
연료전지 시스템은 'S210' 내지 'S270' 과정의 동작들을 수행한 후에, 연료전지 스택(10)의 전압을 모니터링하고, 연료전지 스택(10)의 모니터링 전압(VSVM)이 기 설정된 기준 전압(V1)을 초과하는 경우(S280), 'S210' 내지 'S270' 과정의 동작들을 반복하여 수행하도록 한다.
한편, 'S280' 과정에서 연료전지 스택(10)의 모니터링 전압(VSVM)이 기 설정된 기준 전압(V1) 이하로 떨어지면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10) 내에 남아있는 수소 및 산소 또는 전력 등이 어느 정도 제거된 것으로 판단하여, 냉각팬(C/FAN)(60), 제1 펌프(CSP)(30) 및 제2 펌프(CPP)(205)의 회전수(RPM)를 '0'으로 설정하고(S290), 냉각수 제어 밸브(70)를 통해 연료전지 스택(10) 및 제1 라디에이터(50)와 연결된 포트의 밸브를 모두 개방하도록 한다(S300).
연료전지 시스템은 도 8에 도시된 시동 정지 시퀀스에 정의된 동작을 모두 수행하면, 연료전지 시스템을 오프(OFF) 시키도록 한다(S160).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 연료전지 스택 20: COD 히터
30: 제1 펌프 40: 이온필터
50: 제1 라디에이터 55: 제2 라디에이터
60: 냉각팬 70: 냉각수 제어 밸브
71~75: 제1~제5 포트 110~150: 제1~제5 유로
200: 전장부품 205: 제2 펌프
400: 제어기 410: 외기 온도 센서
420: 전압 보호 로직

Claims (17)

  1. 연료전지 스택을 경유하는 제1 유로 또는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 경유하는 제2 유로를 통한 냉각수의 유동 경로를 전환하는 냉각수 제어 밸브; 및
    상기 연료전지 스택의 시동 정지 요청이 있으면, 시동 정지 시퀀스를 수행하며 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    펌프로 유입되는 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브 및 상기 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브가 통합된 형태로 구성된 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스는,
    상기 펌프의 회전수(RPM)를 사전에 설정된 값으로 설정하는 제1 동작, 상기 연료전지 스택 및 라디에이터와 연결된 밸브가 차단되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제2 동작, 냉각팬 및 전장부품으로 냉각수를 공급하는 제2 펌프의 회전수(RPM)를 미리 정해진 최소값으로 설정하는 제3 동작, COD 히터의 릴레이를 온(ON) 설정하는 제4 동작, 상기 COD 히터의 동작 모드를 시동 정지 모드로 설정하는 제5 동작, 상기 COD 히터에 대한 저전압 보호 로직을 비활성화시키는 제6 동작 및 상기 COD 히터의 허용 전력을 사전에 설정된 값으로 설정하는 제7 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    상기 COD 히터를 경유하는 상기 제2 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제1 포트;
    상기 연료전지 스택을 경유하는 상기 제1 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제2 포트;
    상기 제1 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터의 바이패스 라인인 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제2 유로로 배출하는 제3 포트;
    상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 상기 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제1 유로로 배출하는 제4 포트; 및
    상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터를 경유하는 제4 유로로 배출하는 제5 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제2 동작 수행 시, 상기 제1 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제2 포트 및 상기 제4 포트의 밸브를 차단(close)하고, 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제1 포트 및 상기 제3 포트의 밸브를 개방(Open)하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제2 동작 수행 시, 상기 라디에이터로 유입되는 냉각수가 차단되도록 상기 제4 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제5 포트의 밸브를 차단(Close)하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 될 때까지, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스는,
    상기 펌프, 상기 제2 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수(RPM)를 '0'으로 설정하는 제8 동작 및 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터와 연결된 밸브가 개방되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제9 동작을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 수행하는 동안 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 되면, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제8 동작 및 상기 제9 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 시동 정지 시퀀스가 종료되면, 상기 연료전지 스택의 시동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 연료전지 스택의 시동 정지 요청이 있으면, 제어기가 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계;
    상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 동안 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 유로 또는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 경유하는 제2 유로와 연결된 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 단계: 및
    상기 냉각수 제어 밸브가 상기 제어기의 제어에 따라 상기 제1 유로 또는 상기 제2 유로를 통한 냉각수의 유동 경로를 전환하는 단계를 포함하며,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    펌프로 유입되는 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제1 밸브 및 상기 펌프에 의해 펌핑된 냉각수의 유동 경로를 전환하는 제2 밸브가 통합된 형태로 구성된 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는,
    상기 펌프의 회전수(RPM)를 사전에 설정된 값으로 설정하는 제1 동작을 수행하는 단계;
    상기 연료전지 스택 및 라디에이터와 연결된 밸브가 차단되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제2 동작을 수행하는 단계;
    냉각팬 및 전장부품으로 냉각수를 공급하는 제2 펌프의 회전수(RPM)를 미리 정해진 최소값으로 설정하는 제3 동작을 수행하는 단계;
    상기 COD 히터의 릴레이를 온(ON) 설정하는 제4 동작을 수행하는 단계;
    상기 COD 히터의 동작 모드를 시동 정지 모드로 설정하는 제5 동작을 수행하는 단계;
    상기 COD 히터에 대한 저전압 보호 로직을 비활성화시키는 제6 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 COD 히터의 허용 전력을 사전에 설정된 값으로 설정하는 제7 동작을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 냉각수 제어 밸브는,
    상기 COD 히터를 경유하는 상기 제2 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제1 포트;
    상기 연료전지 스택을 경유하는 상기 제1 유로와 연결되어 냉각수가 유입되는 제2 포트;
    상기 제1 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터의 바이패스 라인인 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제2 유로로 배출하는 제3 포트;
    상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 상기 제5 유로를 통해 상기 펌프와 연결된 상기 제1 유로로 배출하는 제4 포트; 및
    상기 제2 포트에 의해 유입된 냉각수를 라디에이터를 경유하는 제4 유로로 배출하는 제5 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 동작을 수행하는 단계는,
    상기 제1 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제2 포트 및 상기 제4 포트의 밸브를 차단(close)하고, 상기 제2 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제1 포트 및 상기 제3 포트의 밸브를 개방(Open)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 동작을 수행하는 단계는,
    상기 라디에이터로 유입되는 냉각수가 차단되도록 상기 제4 유로와 연결된 상기 냉각수 제어 밸브의 상기 제5 포트의 밸브를 차단(Close)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 될 때까지, 상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작이 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스를 수행하는 단계는,
    상기 시동 정지 시퀀스의 상기 제1 동작 내지 상기 제7 동작을 수행하는 동안 상기 연료전지 스택의 모니터링 전압이 기준 전압 이하가 되면, 상기 펌프, 상기 제2 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수(RPM)를 '0'으로 설정하는 제8 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터와 연결된 밸브가 개방되도록 상기 냉각수 제어 밸브의 밸브 개도량을 제어하는 제9 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 시동 정지 시퀀스가 종료되면, 상기 연료전지 스택의 시동을 정지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 시동 정지 제어 방법.
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