KR20240028790A - 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택 및 라디에이터를 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에서 상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서, 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각수의 유량을 조절하는 밸브, 및 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도 및 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도의 차이에 기초하여 상기 밸브의 개도량을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법{FUEL CELL SYSTEM AND THERMAL MANAGEMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 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 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(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다. 열 관리 시스템은 연료전지 스택뿐만 아니라 차량의 전장부품의 적정 온도를 유지시킬 수 있다.
다만, 연료전지 스택의 출력이 낮거나 외기온이 낮은 저 부하 조건에서, 스택 냉각수가 라디에이터 및 냉각팬 등에 의해 과도하게 냉각될 경우, 연료전지 스택 입구로 유입되는 냉각수 온도에 급격한 온도 변화가 발생할 수 있으며, 이에 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도를 제어하는 밸브의 개도를 안정적으로 조절하기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 연료전지 스택의 출력이 낮거나 외기온이 낮은 저 부하 조건에서도 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도를 목표 온도로 유지되도록 함으로써 연료전지 스택의 내구성을 확보함과 동시에 열관리 시스템의 효율을 향상시키는 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 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 스택 및 라디에이터를 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에서 상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서, 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각수의 유량을 조절하는 밸브, 및 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도 및 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도의 차이에 기초하여 상기 밸브의 개도량을 제어하는 제어기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 열 관리 동작 초기에 상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수를 정해진 횟수만큼 강제 순환시키는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 온도 센서는, 상기 연료전지 스택의 입구와 연결된 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 연료전지 스택의 입구 냉각수의 제1 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 및 상기 라디에이터의 출구와 상기 밸브 사이를 연결하는 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 라디에이터의 출구 냉각수의 제2 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수가 정해진 횟수만큼 강제 순환된 이후에, 상기 제1 온도 센서에 의해 측정되는 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 센서에 의해 측정되는 상기 제2 온도를 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 개도량을 밸브 닫힘 방향으로 강제 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 밸브의 열림 각도를 사전에 정의된 설정값으로 강제 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 밸브의 열림 각도를 강제 조정한 이후에도, 소정 시간마다 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도를 확인하여 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬의 동작 상태를 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 오프(OFF) 상태로 전환하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 상기 냉각팬의 회전수를 최소 회전수로 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 냉각팬이 오프(OFF) 상태인 경우, 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도만큼 강제 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 소정 시간마다 상기 밸브의 열림 각도를 닫힘 방향으로 소정 각도씩 강제 조정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 밸브의 열림 각도가 강제 조정된 이후에, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 되면, 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 밸브를 자동 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하이면, 상기 밸브의 정상 작동 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 방법은, 연료전지 스택 및 라디에이터를 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 온도 센서로부터 상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계, 및 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도 및 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도의 차이에 기초하여, 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 관리 방법은, 상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계 이전에, 상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수를 정해진 횟수만큼 강제 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 입구와 연결된 상기 냉각라인 상에 배치된 제1 온도 센서로부터 상기 연료전지 스택의 입구 냉각수의 제1 온도를 측정하는 단계, 및 상기 라디에이터의 출구와 상기 밸브 사이를 연결하는 상기 냉각라인 상에 배치된 제2 온도 센서로부터 상기 라디에이터의 출구 냉각수의 제2 온도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 열림 각도를 사전에 정의된 설정값으로 강제 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는, 상기 밸브의 열림 각도를 강제 조정한 이후에도, 소정 시간마다 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도를 확인하여 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬의 동작 상태를 확인하는 단계, 상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 오프(OFF) 상태로 전환하거나 최소 회전수로 조정하는 단계, 및 상기 냉각팬이 오프(OFF) 상태에서 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도만큼 강제 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 소정 시간마다 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도씩 강제 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 관리 방법은, 상기 밸브의 열림 각도가 강제 조정된 이후에, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 되면, 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 밸브를 자동 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 출력이 낮거나 외기온이 낮은 저 부하 조건에서도 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도가 목표 온도로 유지되도록 함으로써 연료전지 스택의 내구성을 확보함과 동시에 열관리 시스템의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제2 밸브의 개도량을 제어하는 동작을 설명하는데 참조되는 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 방법에 대한 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 1 내지 도 4는 다양한 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제1 냉각수 흐름을 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 다른 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 도시한 도면이다.
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.
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 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 연결라인(130) 및 제3 연결라인(140)과 가열 루프를 형성한다. 또한, 주행 중에는 연료전지 스택(10)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 냉각수가 제1 라디에이터(60)를 통과하는 냉각 루프를 형성할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에는 도시되지 않았지만, 연료전지 시스템에 필요한 냉각량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제3 연결라인(140)으로 흐르고 나머지 일부는 제1 라디에이터(60)를 통과할 수 있다.
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. 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 제4 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 밸브(40)의 개도량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제1 라디에이터(60)를 지나고 나머지 일부는 제3 연결라인(140)을 따라 흐를 수 있다. 한편, 제2 밸브(40)는 오방 밸브(five way valve) 일 수도 있다. 일 예로, 제2 밸브(40)는 통합 제어 온도 밸브(Integrated Control Temperature Valve, ICTV) 일 수 있다.
제2 연결라인(150)은 공조유닛(HVAC UNIT)(90)을 가열하기 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 냉 시동 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, 냉 시동 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 라디에이터(60)와 제2 밸브(40) 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도 센서(114), 히터(50)에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제3 온도 센서(116) 및 제1 연결라인(130)의 다른 일단과 제1 펌프(30)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 제4 온도 센서(118)를 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 제1 온도 센서(112), 제2 온도 센서(114), 제3 온도 센서(116) 및 제4 온도 센서(118)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 4에 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.
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.
다른 실시예에서, 도 3에 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 3의 연료전지 시스템 구조에 적용될 수 있다.
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.
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.
도 1 내지 도 3에 따른 열교환기(300)는 제1 라디에이터(60)와 별도로 배치되지만, 다른 실시예에서 열교환기(300)는 도 4에 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.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행하는 제어기(400)를 포함할 수 있다. 여기서, 제어기(400)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다.
제어기(400)는 연료전지 시스템 구동 시 온도 센서에 의해 측정된 냉각수 온도를 이용하여 제2 밸브(40) 및 냉각팬(80)의 구동을 제어한다.
여기서, 온도 센서는 앞서 설명한 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)를 포함할 수 있다. 제1 온도 센서(112)는 연료전지 스택(10)과 제1 밸브(20)의 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 센서로서, 구체적으로 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도를 측정한다. 제2 온도 센서(114)는 제1 라디에이터(60)와 제2 밸브(40) 사이에서 제1 냉각수의 온도를 측정하는 센서로서, 구체적으로 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도를 측정한다.
이에, 제어기(400)는 연료전지 시스템 구동 시, 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)에 의해 측정된 냉각수 온도의 차이에 기초하여 제2 밸브(40) 및 냉각팬(80)의 동작을 제어할 수 있다.
여기서, 제어기(400)는 연료전지 시스템에서 열 관리 시스템의 초기 작동 시, 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)에 의해 냉각수 온도가 정상적으로 센싱되도록 하기 위하여, 제1 냉각라인(110)을 따라 N 회 동안 제1 냉각수가 강제 순환되도록 한다. 일 예로, 제어기(400)는 정해진 시간 동안 제1 펌프를 소정 회전수(RPM)로 동작시켜, 제1 냉각라인(110)을 따라 제1 냉각수를 1회 강제 순환시키도록 한다.
제어기(400)는 제1 냉각라인(110)을 따라 제1 냉각수를 강제 순환시킨 후에, 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)에 의해 측정된 제1 온도 및 제2 온도를 확인한다. 여기서, 연료전지 스택(10)의 출력이 낮거나 외기온이 낮은 저 부하 조건에서는, 제1 냉각수가 제1 라디에이터(60) 및 냉각팬(80) 등에 의해 과도하게 냉각될 수 있으며, 과도하게 냉각된 제1 냉각수가 제2 밸브(40)로 유입될 수 있다. 이 경우, 제2 밸브(40)는 과도하게 냉각된 제1 냉각수의 유입으로 인해 밸브의 개도량을 안정적으로 제어하기 어려울 뿐만 아니라, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 급격한 온도 변화로 인해 연료전지 스택(10)의 내구성이 저하될 수 있다.
이에, 제어기(400)는 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 급격한 온도 변화를 방지하기 위하여, 제1 온도 센서(112)에 의해 측정된 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도(이하에서는 '제1 온도(T1)'라 칭하도록 한다.)와, 제2 온도 센서(114)에 의해 측정된 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도(이하에서는 '제2 온도(T2)'라 칭하도록 한다.)를 확인하고, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)에 기초하여 제2 밸브(40)의 개도량을 조절하도록 한다.
제2 밸브(40)의 개도량, 즉, 밸브의 열림 각도 변화에 따른 제1 냉각수의 유량 변화는 도 6의 그래프를 참조하도록 한다. 도 6을 참조하면, 제어기(400)는 제2 밸브(40)의 열림 각도를 α와 β(여기서, α<β) 사이에서 조절할 수 있다. 만일, 제2 밸브(40)의 열림 각도가 γ(여기서, α≤γ<β)로 조절되면, α에서 γ까지의 그래프에 의해 형성되는 면적(예를 들어, 삼각형의 면적)만큼 냉각수 유량을 제어할 수 있다.
만일, 제2 밸브(40)의 열림 각도가 γ에서 밸브 열림 방향인 β 방향으로 조정되면, 제1 라디에이터(60)의 출구로 토출되어 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유량이 증가하게 된다. 한편, 제2 밸브(40)의 열림 각도가 γ에서 밸브 닫힘 방향인 α 방향으로 조정되면, 제1 라디에이터(60)의 출구로 토출되어 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유량이 감소하게 된다.
제어기(400)는 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값(A) 이하인지를 판단한다. 이때, 제어기(400)는 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A) 이하이면, 제2 밸브(40)의 자동 제어가 정상적으로 작동하고 있는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 제어기(400)는 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A)을 초과하는 경우, 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이를 감소시키기 위하여, 제2 밸브(40)의 개도량을 현재 상태에서 밸브 닫힘 방향으로 소정량(소정 각도)만큼 강제 조정한다. 이 경우, 제2 밸브(40)의 개도량을 밸브 닫힘 방향으로 강제 조정함으로써 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 유량을 감소시켜 급격한 온도 변화가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
실시 형태에 따라, 제어기(400)는 제2 밸브(40)에서 제1 라디에이터(60)의 출구와 연결된 제2 포트(42)의 밸브 개도량을 닫힘 방향으로 강제 조정하고, 대신에 제3 연결라인(140)과 연결된 제1 포트(41)의 밸브 개도량을 열림 방향으로 조정할 수도 있다. 이 경우, 제1 라디에이터(60)에 의해 냉각된 제1 냉각수의 유량을 감소시키면서 제3 연결라인(140)을 통해 바이패스 된 제1 냉각수의 유량을 증가시킴으로써, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1 냉각수의 온도가 급변하는 것을 방지할 수 있게 된다.
여기서, 제어기(400)는 제2 밸브(40)의 개도량을 강제 조정한 이후에도, 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 여전히 기 설정된 기준값(A)을 초과하면, 냉각팬(80)이 온(ON) 상태인지를 확인한다. 만일, 냉각팬(80)이 온(ON) 상태인 경우, 제어기(400)는 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시킴으로써, 냉각팬(80)의 동작에 의해 제2 온도(T2)가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 냉각팬(80)이 두 개 이상인 경우, 제1 라디에이터(60)와 가까이 배치된 냉각팬(80) 만을 오프(OFF) 시킬 수 있다. 한편, 냉각팬(80)이 한 개 구비된 싱글팬인 경우에는, 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시키는 대신에 최소 회전수로 작동시킬 수도 있다.
제어기(400)는 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시킨 후에 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A)을 초과하는지를 다시 확인한다. 제어기(400)는 냉각팬(80)이 오프(OFF) 상태임에도 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A)을 여전히 초과하면, 다시 한번 제2 밸브(40)의 개도량을 닫힘 방향으로 소정량 강제 조정할 수 있다.
일 예로, 제어기(400)는 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A)을 초과하는 경우 제2 밸브(40)의 열림 각도를 γ로 강제 조정하고, 이후에도 계속해서 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A)을 초과하면, 제2 밸브(40)의 열림 각도를 γ에서 밸브 닫힘 방향인 α 방향으로 소정 각도씩 강제 조정할 수 있다.
이와 같이, 제어기(400)는 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A) 이하가 될 때까지 제2 밸브(40)의 개도량을 밸브 닫힘 방향으로 강제 조정할 수 있으며, 제1 온도(T1)와 제2 온도(T2) 간 차이가 기 설정된 기준값(A) 이하가 되면, 제1 냉각수의 온도에 기초하여 제2 밸브(40)를 자동 제어하고 자동 제어가 정상적으로 작동되는지를 확인한다.
제1 온도 및 제2 온도 변화에 따른 제2 밸브(40)의 개도량, 즉, 열림 각도 변화는 도 7의 실시예를 참조하도록 한다. 도 7에서, 도면 부호 811은 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도면 부호 815는 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도면 부호 819는 제2 밸브(40)의 열림 각도를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템의 동작 초기에는 저 부하 조건에서 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도는 저온 상태가 유지되고, 이로 인해 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도의 변화가 크다.
이에, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 내구성이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도와 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도의 차이가 기 설정된 기준값(A)을 벗어나지 않도록, 제2 밸브(40)의 개도량을 강제로 조정한다.
이때, 제2 밸브(40)의 개도량을 조정하는 것에 의해서도 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도와 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도의 차이가 기 설정된 기준값(A)을 벗어나면, X 시점에서와 같이, 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시킨다. 이 경우, 도면 부호 815의 그래프와 같이, 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도가 점차 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도와 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도의 차이도 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 방식으로 제2 밸브(40)의 개도량, 즉, 열림 각도를 소정 시간 단위마다 소정량씩 강제 조정함으로써 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도와 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도의 차이가 기 설정된 기준값(A) 이하가 되면, 저 부하 조건이 해소됨에 따라 제2 밸브(40)의 강제 조정을 중단하고, 제1 냉각수의 온도에 기초하여 제2 밸브(40)의 자동 제어를 수행할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템의 시동이 완료되고 열 관리 시스템의 정상 운전 제어가 온(ON) 상태로 전환되면(S110), 시스템 내 제1 냉각라인(110)을 따라 제1 냉각수를 N 회(예를 들어, 1회) 강제 순환시키도록 한다(S120, S130). 'S110' 과정에서, 연료전지 시스템은 외기온도가 기 설정된 제1 기준온도(예를 들어, 0℃)를 초과하고, 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도가 기 설정된 제2 기준온도(예를 들어, 10℃)를 초과하는 경우에 열 관리 시스템의 정상 운전 제어를 온(ON) 상태로 전환할 수 있다. 또한, 'S120' 과정에서, 연료전지 시스템은 정해진 시간 동안 제1 펌프를 소정 회전수(RPM)로 동작시켜, 제1 냉각수가 제1 냉각라인(110)을 따라 강제 순환되도록 한다.
연료전지 시스템은 제1 냉각수가 제1 냉각라인(110)을 N 회 강제 순환하면, 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)를 이용하여, 제1 냉각라인(110) 상에서 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도, 즉, 제1 온도(T1), 및 제1 라디에이터(60) 출구의 냉각수 온도, 즉, 제2 온도(T2)의 센싱을 시작한다(S140). 여기서, 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)는 열 관리 시스템이 정상 운전 제어 동작을 수행하는 동안, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2)를 계속해서 센싱한다.
연료전지 시스템은 'S140' 과정에서 제1 온도 센서(112) 및 제2 온도 센서(114)에 의해 센싱된 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값 이하인지를 판단하여, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값 이하이면(S150), 제1 냉각수의 온도에 기초하여 제2 밸브(40)를 자동 제어하고 제2 밸브(40)의 자동 제어가 정상적으로 작동하는지를 확인한다(S190).
한편, 연료전지 시스템은 'S150' 과정에서, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값 이하가 아닌 것으로 확인되면, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이를 감소시키기 위하여, 제2 밸브(40)의 개도량을 현재 상태에서 밸브 닫힘 방향으로 소정량 강제 조정한다(S160).
연료전지 시스템은 'S160' 과정에서 제2 밸브(40)의 개도량을 강제 조정한 이후에 t 초를 카운트하고(S170), t 초가 경과하면 다시 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값을 여전히 초과하는지를 확인한다. 만일, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값을 여전히 초과하면, 연료전지 시스템은 냉각팬(80)의 온/오프 상태를 확인하여, 온(ON) 상태인 경우(S181), 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시킨다(S185). 이후 연료전지 시스템은 t 초를 카운트하고(S170), t 초가 경과하면 다시 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값을 여전히 초과하는지를 확인한다.
연료전지 시스템은 'S185' 과정에서 냉각팬(80)을 오프(OFF) 시킨 후에도 여전히 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값을 여전히 초과하면(S180), 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값(A) 이하가 될 때까지 'S160' 내지 'S180' 과정을 반복 수행하며 제2 밸브(40)의 개도량을 닫힘 방향으로 소정량씩 강제 조정한다.
이후, 연료전지 시스템은 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값(A) 이하가 되면, 제1 냉각수의 온도에 기초하여 제2 밸브(40)를 자동 제어하고 자동 제어가 정상적으로 작동되는지를 확인한다(S190). 여기서, 제1 온도(T1) 및 제2 온도(T2) 간 차이(T1-T2)가 기 설정된 기준값(A) 이하가 되는 것은, 열 관리 시스템의 정상 운전 제어의 동작 초기에 발생하는 저 부하 조건이 해소된 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 방법은 연료전지 스택(10)의 출력이 낮거나 외기온이 낮은 저 부하 조건에서도 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도가 목표 온도로 유지되도록 함으로써 연료전지 스택(10)의 내구성을 확보함과 동시에 열관리 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 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 30: 제1 펌프
40: 제2 밸브 60: 제1 라디에이터
80: 냉각팬 112~118: 온도 센서
400: 제어기

Claims (20)

  1. 연료전지 스택 및 라디에이터를 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에서 상기 냉각수의 온도를 측정하는 온도 센서;
    상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각수의 유량을 조절하는 밸브; 및
    상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도 및 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도의 차이에 기초하여 상기 밸브의 개도량을 제어하는 제어기
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는,
    열 관리 동작 초기에 상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수를 정해진 횟수만큼 강제 순환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    상기 연료전지 스택의 입구와 연결된 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 연료전지 스택의 입구 냉각수의 제1 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 및
    상기 라디에이터의 출구와 상기 밸브 사이를 연결하는 상기 냉각라인 상에 배치되어 상기 라디에이터의 출구 냉각수의 제2 온도를 측정하는 제2 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수가 정해진 횟수만큼 강제 순환된 이후에, 상기 제1 온도 센서에 의해 측정되는 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 센서에 의해 측정되는 상기 제2 온도를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 개도량을 밸브 닫힘 방향으로 강제 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 밸브의 열림 각도를 사전에 정의된 설정값으로 강제 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 밸브의 열림 각도를 강제 조정한 이후에도, 소정 시간마다 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도를 확인하여 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬의 동작 상태를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 오프(OFF) 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 상기 냉각팬의 회전수를 최소 회전수로 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 냉각팬이 오프(OFF) 상태인 경우, 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도만큼 강제 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 소정 시간마다 상기 밸브의 열림 각도를 닫힘 방향으로 소정 각도씩 강제 조정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 밸브의 열림 각도가 강제 조정된 이후에, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 되면, 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 밸브를 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하이면, 상기 밸브의 정상 작동 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 연료전지 스택 및 라디에이터를 경유하는 냉각수가 순환되는 냉각라인 상에 배치된 온도 센서로부터 상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 연료전지 스택 입구의 냉각수 온도 및 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도의 차이에 기초하여, 상기 연료전지 스택 및 상기 라디에이터 사이에서 상기 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도량을 제어하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계 이전에, 상기 냉각라인을 따라 상기 냉각수를 정해진 횟수만큼 강제 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 냉각수의 온도를 측정하는 단계는,
    상기 연료전지 스택의 입구와 연결된 상기 냉각라인 상에 배치된 제1 온도 센서로부터 상기 연료전지 스택의 입구 냉각수의 제1 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 라디에이터의 출구와 상기 밸브 사이를 연결하는 상기 냉각라인 상에 배치된 제2 온도 센서로부터 상기 라디에이터의 출구 냉각수의 제2 온도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 열림 각도를 사전에 정의된 설정값으로 강제 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 밸브의 열림 각도를 강제 조정한 이후에도, 소정 시간마다 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도를 확인하여 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬의 동작 상태를 확인하는 단계;
    상기 냉각팬이 온(ON) 상태인 경우에 오프(OFF) 상태로 전환하거나 최소 회전수로 조정하는 단계; 및
    상기 냉각팬이 오프(OFF) 상태에서 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치를 초과하면, 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도만큼 강제 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 밸브의 개도량을 제어하는 단계는,
    상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 될 때까지 소정 시간마다 상기 밸브의 열림 각도를 밸브 닫힘 방향으로 소정 각도씩 강제 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 밸브의 열림 각도가 강제 조정된 이후에, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 간 차이가 기 설정된 기준치 이하가 되면, 상기 냉각수의 온도에 기초하여 상기 밸브를 자동 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 방법.
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