KR100527958B1

KR100527958B1 - 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법

Info

Publication number: KR100527958B1
Application number: KR10-2003-0061985A
Authority: KR
Inventors: 김수환; 이기춘
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-11-09
Also published as: KR20050024144A

Abstract

본 발명은 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지 스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 냉각수 탱크의 냉각수를 해빙하는 전기식 히터와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로써 냉각수를 추가적으로 해빙하는 연소식 히터를 구비하여, 적용 차량의 냉시동성이 향상될 수 있도록 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 냉시동성 향상의 효과는 물론 냉각수 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 스택 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적 작동온도까지 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

냉시동성을 개선한 연료전지 시스템과 그 제어방법{Fuel cell system having improved starting performance in low temperature and method for controlling the same}

일반적으로 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 자동차나 레이저 전기기구 등의 동력원으로 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.

특히, 고분자 전해질형 연료전지는 100℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하고 빠른 응답성 및 고출력 밀도를 가지는 바, 자동차용으로 적합한 전기화학적인 동력원으로 알려져 있다.

이러한 고분자 전해질형 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 연료전지 스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.

즉, 고분자 전해질형 연료전지에서 수소와 산소는 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는데, 공급된 수소가 애노드 전극의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 생성된 수소이온이 양이온 교환막을 통해 캐소드로 이동하여 공급된 산소와 전자를 받아 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다.

그 반응식은 다음과 같다.

- 애노드(anode) : H₂ →2H⁺ + 2e

- 캐소드(cathode) : 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e →H₂O

- 종합 : H₂ + 1/2O₂ →H₂O

상기 반응의 이론 전압은 1.2V로 보통 0.6V 이상에서 작동되며, 자동차용 동력원으로 사용되기 위해서는 수십 kW의 출력과 자동차용 모터를 구동하기 위한 수백 V의 전압을 필요로 하는 바, 이를 위하여 연료전지 스택(fuel cell stack)은 전기를 생산하는 각 단위전지가 적층된 구조로 되어 있다.

상기 각 단위전지는 전기전도성 및 내부식성이 우수한 흑연을 소재로 하여 제조되어 수소와 공기를 분리하여 공급할 수 있도록 된 유로 구조를 가지는 분리판과, 이 분리판의 공기 유로와 수소 유로 사이에 위치되는 전극막과, 이 전극막과 분리판의 유로 사이에 존재하여 가스확산 및 전기접촉을 용이하게 해주는 가스확산층 등으로 구성된다.

또한, 연료전지의 반응시 공기극에서는 생성수와 함께 열이 발생하므로 적절한 냉각이 필요하며, 일반적으로 분리판 내부에 냉각수 유로를 형성하여 냉각을 수행한다.

또한, 연료전지에서 전해질로 사용되는 고분자막은 적절한 수분을 함유해야 이온전도성을 가지므로 연료전지로 공급되는 수소와 공기는 적절하게 가습되어야 한다.

한편, 상기한 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 연료전지 스택과 그 주변장치로 구성되는 연료전지 시스템이 필요하다.

여기서, 주변장치는 수소 저장계, 수소 공급계 및 수소 재순환계, 공기 공급계, 냉각계, 물 관리계 및 연료전지 제어부 등으로 구성되며, 이러한 주변장치를 포함하는 통상의 연료전지 시스템 구성을 도시하면 첨부한 도 5와 같다.

이에 도시한 바와 같이, 연료인 수소는 수소 탱크(31)에서 350기압 이상으로 저장되고, 연료전지 스택(21)으로 공급되기 전 감압기(32)에서 수 기압 이하로 감압된 후 가습장치(34)에서 적절히 가습되며, 수소 이용율을 높이기 위해 수소를 재순환시키는 구조(35)가 구비되어 있다.

공기는 블로어(42)를 이용해 상압의 공기를 연료전지에서 필요한 압력으로 상승시킨 후 가습장치(41)에서 가습되어 연료전지 스택(21)으로 공급된다.

냉각계에서는 일반적으로 물을 이용하여 냉각하고 있고, 냉각계와 물 관리계는 냉각수 탱크(51), 냉각수 펌프(52), 라디에이터(53) 및 가습장치(34,41)로 구성되며, 가습에 필요한 물은 냉각계와 공용으로 사용한다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 연료전지 시스템에서는 다음과 같은 문제점들이 있었다.

연료전지 스택의 냉각, 공기 및 수소의 적절한 가습을 위해서는 전술한 바와 같이 순수한 물(증류수)이 필요하며, 이러한 물을 공급하기 위해서는 물을 보관할 수 있는 물 탱크(이하 냉각수 탱크라 칭함) 및 공급 시스템(냉각수 펌프)이 필요하다.

이와 같이 물을 연료전지의 냉각수 및 가습수로 사용함에 있어서, 대기의 온도가 영하 이하의 온도로 내려갈 경우에는 냉각수 탱크 안의 물이 얼게 되므로 시동이 불가능해진다.

이와 같은 연료전지 차량의 냉시동성 문제는 아직 해결되지 않고 있는 문제이며, 연료전지 차량이 실용화 되기 위해서는 반드시 해결되어야 할 문제이기도 하다.

예를 들어, 영하 20℃에서 연료전지 차량이 1분 이내에 출발 가능한 상태가 되기 위해서는 연료전지 스택의 온도가 1분 이내에 상온 이상의 온도로 상승되어야 하며, 상온 이상에서 균일한 온도 유지 및 가습을 위해 1분 이내에 냉각수의 해빙이 필요하다.

영하 20℃의 10ℓ얼음을 1분 이내에 해빙하기 위해서는 800kcal의 에너지가 필요하며, 이 경우 56kW 정도의 에너지가 필요하다.

그러나, 연료전지는 80kW급의 경우 영하 이하의 온도에서 5 ∼ 10kW의 전기를 발생시킬 수 있으며, 따라서 800kcal의 에너지를 얻기 위해서는 10분 정도가 소요된다.

연료전지 스택은 영하 이하의 온도에서 가습 및 냉각수가 없는 상태로 운전이 가능하지만, 스택 온도가 20℃ 이상으로 상승한 상태에서 냉각수가 없을 경우에는 전극막에서 핫 스폿(hot spot)이 생성될 수 있기 때문에 성능 및 수명이 저하될 수 있다.

따라서, 냉각수 없이 10kW로 스택을 운전할 때에는 스택이 4분 정도 운전하면 20℃ 이상으로 상승하므로 물을 4분 이내에 해빙하여 스택에 공급해야 하는데, 종래의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크 안의 물을 해빙할 수 있는 어떠한 기구도 구비되어 있지 않다.

한편, 연료전지는 낮은 온도에서 출력이 낮고 낮은 온도에서 고출력으로 작동될 때 연료전지 스택의 수명 저하가 발생될 가능성이 크므로 최적의 작동온도(대략 60 ∼ 80℃임)에 가능한 한 빨리 도달해야 한다.

연료전지 스택의 온도를 빨리 올리기 위해서는 차량의 구동모터 외에 시동 직후 최적의 작동온도까지 스택 전력을 소모할 수 있는 별도의 기구가 필요하나, 종래의 연료전지 시스템에는 이러한 기구가 구비되어 있지 않다.

또한, 연료전지가 적용되는 승용차의 경우 80kW급 정도의 연료전지가 요구되는데, 이때 연료전지 스택 내의 냉각수는 최소 6ℓ이상, 특히 냉각시스템을 고려할 때 최소 10ℓ이상의 냉각수가 필요하다.

그러나, 혹한 지역에서 차량이 영하 이하에서 방치될 때 연료전지 스택 내부에서 결빙된 물에 의해 연료전지 스택이 쉽게 파손되는 문제가 있으며, 이에 대한 대처방안 또한 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택으로부터 발생된 전원을 인가받아 냉각수 탱크의 냉각수를 해빙하는 전기식 히터와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수를 해빙하는 연소식 히터를 설치하여 구성한 연료전지 시스템과 그 제어방법을 제공함으로써, 보다 빠른 시간 내 냉각수가 해빙, 공급될 수 있도록 하고, 이를 통해 차량 냉시동성을 향상시키는데 그 목적이 있다.

또한, 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하기 위해 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 제어되는 냉각수 제거수단을 구비함으로써, 영하 이하의 온도에서 차량 방치시 스택이 내부에 결빙된 물에 의해 파손되는 문제를 예방하도록 하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 수소 저장계 및 공급계, 공기 공급계, 냉각계, 연료전지 제어부 등의 주변장치로 이루어진 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지 스택(21)으로부터 발생되는 전원을 인가받아 냉각수 탱크(51) 내에서 냉각수를 해빙하는 전기식 히터(61)와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수 탱크(51)를 가열하여 냉각수를 해빙하는 연소식 히터(70)가 설치되고, 상기 제어부(10)가 차량의 시동키 조작신호와 냉각수 온도센서(56) 및 스택 내부 온도센서(23)로부터 입력되는 신호에 따라 상기 각 히터(61,70)의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 제어방법은, 운전자가 시동키를 온 조작하면, 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와;

냉각수 탱크(51) 내 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 결빙된 상태인가를 판단하는 단계와;

냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원을 냉각수 탱크 내 전기식 히터(61)에 인가하여 작동시키고 이와 함께 냉각수 탱크(51)를 가열하는 연소식 히터(70)를 작동시켜 냉각수를 해빙하는 단계와;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 해빙된 상태인가를 판단하는 단계와;

냉각수가 해빙상태인 것으로 판단되면, 상기 연소식 히터(70)를 오프시키는 동시에 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 상온까지 상승한 것으로 판단되면, 상기 전기식 히터(61)를 오프시키는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 장치구성도로서, 도면부호 55는 냉각수 펌프(52)의 배출구쪽 냉각수 라인(50)에 구성된 바이패스 라인을 나타내며, 도면부호 54는 라디에이터(53)가 설치된 냉각수 라인(50)과 상기 바이패스 라인(55)의 분기점에 위치된 바이패스 밸브를 나타낸다.

먼저, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 냉각수 탱크(51) 내부에는 결빙된 상태의 냉각수를 해빙하기 위한 열원으로서 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원에 의해 작동되는 전기식 히터(61)가 삽입 설치된다.

상기 전기식 히터(61)는 냉각수 탱크(51) 내부에서 전원 인가시 발열하여 결빙된 냉각수를 녹일 수 있게 된 열선(도시하지 않음)을 포함하는 것으로 실시 가능하며, 이 전기식 히터(61)로의 전원을 단속하기 위한 히터 스위치(63)가 연료전지 스택(21)과 전기식 히터(61) 사이의 전원공급라인(62) 상에 설치된다.

상기 전기식 히터(61)의 작동은 제어부(10)로부터 출력되는 제어신호에 따라 상기 히터 스위치(63)가 온 또는 오프 동작되면서 개시되거나 중단된다.

연료전지 차량에서 차량 아이들(idle) 상태인 경우에는 보통 2 ∼ 3kW의 전력을 스택에서 발생시켜 차량의 전장 부하 및 연료전지 시스템의 구동 전력으로 사용하게 된다.

또한, 영하 20℃에서 80kW급 연료전지 스택이 10kW 정도의 전력을 생산할 수 있으며, 이를 차량의 구동용으로 사용하기에는 부적합하다.

따라서, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 차량의 구동용으로 사용하기에 부적합한 전력을 전기식 히터(61)의 전원으로 사용하여 냉각수를 해빙하게 된다.

상기 전기식 히터(61)는 이와 같이 냉각수 탱크(51) 내에 저장된 냉각수를 해빙하기 위한 열원으로서의 역할을 수행하는 동시에, 시동키 온(on) 후 연료전지 스택(21)의 온도가 빠른 시간 내에 상승할 수 있도록 연료전지 스택(21)에서 발생되는 전력을 소모하는 부하로서의 역할을 수행한다.

즉, 연료전지의 성능 및 수명을 확보하기 위해서는 시동키 온(on) 후 연료전지 스택의 온도를 빠른 시간 내에 상승시켜야 하고, 이를 위해서는 차량의 구동모터 외에 연료전지 스택에서 발생되는 전력을 차량의 출발 운행이 가능한 시점까지 소모할 수 있는 별도의 부하가 필요한 바, 이러한 부하로서의 역할을 상기 전기식 히터가 수행하도록 되어 있는 것이다.

한편, 10kW의 열로 10ℓ의 얼음을 녹이는데는 대략 7분 정도가 소요되며, 이러한 시간 동안 스택 내부(냉각수가 공급되지 않는 상태임)는 전기 생산시의 발열에 의해 평균 55℃까지 온도가 상승하게 되며, 특히 스택 내부의 온도가 20℃ 이상으로 상승한 상태에서 냉각수가 없을 경우에는 전극막 내부에 핫 스폿(hot spot)이 발생하여 전극막이 손상될 가능성이 있다.

따라서, 전극막의 이러한 손상을 없애기 위해서는 스택 온도가 핫 스폿 발생 온도에 도달하기 이전에 냉각수를 스택에 공급해야 하는 바, 이를 위해서는 스택의 전력 외에 별도의 에너지로 냉각수를 해빙하여 보다 빠른 시간 내에 냉각수를 해빙해야 한다.

즉, 스택에서 발생되는 전력에 의해 냉각수를 해빙하는 상기 전기식 히터 외에 별도 에너지를 사용하여 냉각수를 해빙하는 또 다른 히터가 설치되어야 하는 것이다.

이에, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크(51) 내 냉각수를 보다 빠른 시간 내에 해빙할 수 있도록 상기 전기식 히터(61)가 설치되는 것과 함께 별도의 연소식 히터(70)가 냉각수 탱크(51)에 설치된다.

이 연소식 히터(70)는 연료 연소시 발생되는 연소열로써 냉각수 탱크(51) 내의 냉각수를 가열하는 것으로, 첨부한 도 2는 수소를 연료로 사용하는 연소식 히터의 예를 도시한 것이다.

예시한 바의 연소식 히터(70)는 냉각수 탱크(51)의 외부에 설치되는 촉매 버너로, 반응 장소의 최대화를 위해 내부 연소가 이루어지는 히터 본체(71)가 관상형 구조로 되어 있고, 이 히터 본체(71)의 내부에는 발화를 위한 점화장치(73)가 구비되는 바, 이 점화장치는 다수개가 설치될 수 있다.

또한, 혼합기의 연소가 이루어지는 히터 본체(71)의 내면에는 연소 촉매(72)가 코팅되어 있으며, 연료인 수소는 도 1에 도시한 바와 같이 연료전지 시스템에 포함된 기존의 수소 공급계로부터 공급받도록 되어 있는 바, MFC(Mass Flow Controller)(도 1에서 도면부호 83)를 통해 유량이 조절된 후 분사구(74)를 통해 히터 본체(71) 내부로 공급되도록 되어 있고, 이 수소가 공급되는 것과 동시에 별도의 블로어(도 1에서 도면부호 84)가 작동하여 공기가 공급되도록 되어 있다.

또한, 연소 효율을 제어하기 위해 본체(71) 출구측에는 산소센서(76) 및 수소센서(77)를 장착하여 공기와 수소의 비를 제어하고, 본체(71) 입구측 및 출구측의 온도를 측정하는 온도센서(78a,78b)에 의해 점화장치(73)의 점화시기를 결정한다.

또한, 냉각수 탱크(51)와의 열교환을 최대화 하기 위해 히터 본체(71)의 외부면에는 방열핀(71a)을 가지는 구조로 되어 있으며, 히터 본체(71)의 출구측에 연결된 배기통로(80)에는 내부 유체의 흐름을 단속하기 위한 솔레노이드 밸브(81)가 설치된다.

상기한 구성의 연소식 히터(70)에서, 연료전지 제어부(10)는 상기 각 센서로부터 입력되는 신호에 따라 MFC(83) 및 블로어(84), 점화장치(73), 솔레노이드 밸브(81) 등을 제어하게 된다.

상기한 구성의 연소식 히터(70)와 10kW의 전기식 히터(61)를 함께 이용할 때, 수소의 연소 에너지는 1g당 120kJ이므로 4분 이내에 물을 녹이기 위해서는 15g의 수소가 필요하며, 1분 이내에 해빙을 위해서는 30g의 수소 연소가 필요하다.

따라서, 통상의 연료전지 시스템에서 수소 탱크 내 수소의 저장량은 통상 3kg 정도 요구되는 점을 고려할 때, 냉시동시 1% 정도의 수소 연소를 통해서 1분 이내에 시동이 가능하게 된다.

한편, 첨부한 도 3은 연료로서 수소를 사용하는 대신 액체 연료를 사용하는 연소식 히터의 예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

예시한 바의 연소식 히터(70)는 냉각수 탱크(51)의 외부에 설치되는 촉매 버너로, 반응 장소의 최대화를 위해서 내부 연소가 이루어지는 히터 본체(71)가 관상형 구조로 되어 있으며, 이 히터 본체(71)의 내부에는 발화를 위한 점화장치(73)가 구비되는 바, 이 점화장치(73)는 다수개가 설치될 수 있다.

또한, 액체 연료의 연소가 이루어지는 히터 본체(71)의 내면에는 연소 촉매(72)가 코팅되어 있으며, 이러한 히터 본체(71)에 액체 연료를 공급하기 위해 액체 연료가 저장되는 연료 탱크(85)와, 이 연료 탱크(85)에 저장된 연료를 펌핑하는 인젝션 펌프(86)가 구비된다.

연료 탱크(85)에 저장된 연료는 인젝션 펌프(86)의 구동에 의해 분사장치(75)에서 히터 본체(71) 내부로 분사되어지며, 이 액체 연료가 분사되는 것과 동시에 MFM(Mass Flow Meter)(87)을 포함하는 공기 공급부가 연료량에 적합한 비로 공기를 공급한다.

또한, 연소 효율을 최적으로 제어하기 위해 본체(71) 출구측에는 산소센서(76) 및 연료센서(79)를 장착하여 공기와 연료의 비를 제어하고, 본체(71) 내부의 온도를 측정하는 온도센서(78a,78b)에 의해 점화장치(73)의 점화시기를 결정한다.

또한, 히터 본체(71)의 출구측에 연결된 배기통로(80)에는 캐니스터(82)를 설치하여 연료의 이용율을 증가시킨다.

상기한 구성의 연소식 히터(70)에서, 연료전지 제어부(10)는 상기 각 센서 및 MFM(87)으로부터 입력되는 신호에 따라 인젝션 펌프(86), 분사장치(75), 공기 공급부, 점화장치(73) 등을 제어하게 된다.

한편, 전술한 바의 전기식 히터(61)와 연소식 히터(70)를 구비한 본 발명의 연료전지 시스템은 스택(21) 내부의 온도를 검출하는 스택 온도센서(23)와 냉각수 탱크(51) 내 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도센서(56)를 포함하며, 제어부(10)는 상기 스택 온도센서(23) 및 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 온도신호와 시동키 조작신호에 따라 상기 전기식 히터(61) 및 연소식 히터(70)의 작동을 제어하도록 구성된다.

다음으로, 본 발명의 연료전지 시스템은 전체 시스템 작동 종료 후 연료전지 스택(21) 내부에 잔존하는 냉각수를 강제 흡입하여 제거하는 냉각수 제거수단(90)을 포함한다.

이는 냉각수 탱크(51)의 유입구쪽 냉각수 라인(50)에서 분기된 후 냉각수 탱크(51)에 별도 연결되는 냉각수 흡입라인(91)에 설치되어 이 냉각수 흡입라인(91)을 통해 연료전지 스택(21) 내부의 냉각수를 강제 흡입하는 냉각수 제거용 펌프(92)와, 이 냉각수 제거용 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인(91)에 설치된 제1컨트롤 밸브(93)를 포함한다.

상기 제1컨트롤 밸브(93)의 작동은 제어부(10)에 의해 제어되며, 정상적인 시스템 작동상태에서는 상기 제어부(10)가 제1컨트롤 밸브(93)를 폐작동시켜 냉각수 흡입라인(91)으로 냉각수가 유입되는 것을 차단하도록 되어 있다.

또한, 상기 냉각수 제거수단(90)이 연료전지 스택(21) 내부의 냉각수를 강제 흡입하는 과정에서 보다 용이한 흡입이 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 냉각수 제거에 따른 스택(21) 내부의 부압을 해소하는 것이 바람직하다.

이는 스택(21) 및 냉각수 라인(50) 내부에 존재하는 냉각수의 양을 최소화 하여 동결시 스택 및 타 부품의 손상을 최소화 하게 된다.

따라서, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인(이는 냉각수 펌프, 바이패스 밸브, 라디에이터를 통해 스택으로 연결됨)(50)을 통해 연료전지 스택(21) 내부에 대기가 유입되도록 한다.

이를 위하여, 상기 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인(50)에는 제2컨트롤 밸브(94)를 설치하고, 이 제2컨트롤 밸브(94)의 출구쪽 냉각수 라인(50)에는 대기유입라인(95)을 분기시켜 구성하되 이 대기유입라인(95)에 제3컨트롤 밸브(96)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 제2컨트롤 밸브(94)와 제3컨트롤 밸브(96)의 작동 역시 제어부(10)에 의해 제어되는데, 냉각수 제거용 펌프(92)가 구동되는 상태에서는 제어부(10)의 제어에 의해 상기 제1컨트롤 밸브(93)가 개방됨과 동시에 제2컨트롤 밸브(94)는 폐작동되고 제3컨트롤 밸브(96)는 개방되어서 대기유입라인(95)으로 유입되는 대기가 연료전지 스택(21)의 입구쪽 냉각수 라인(50)을 통해 연료전지 스택(21) 내부로 유입되도록 되어 있다.

여기서, 상기 제어부(10)는 연료전지 차량의 효율을 최대화 하기 위하여 시동키 오프 후 냉각수 제거수단(90)의 작동여부를 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 결정한다.

즉, 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서(도시하지 않음)로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 토대로 시동키 오프 후 냉각수 제거수단(90)의 작동여부를 결정하게 되는 것이다.

예를 들면, 상기 제어부(10)는 현재가 동절기이거나 또는 운행 중 차량 외부의 온도, 즉 외기온의 최저 값이 스택 내 냉각수 결빙 가능성이 있는 소정 온도 이하일 때 냉각수 제거수단(90)을 구동시키며, 그렇지 않을 경우 냉각수 제거수단(90)을 구동시키지 않는다.

이하, 첨부한 4를 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 운전자가 차량을 운행하기 위하여 시동키를 온(on) 조작하면, 시동키 온(on) 조작신호를 받은 제어부(10)가 수소 공급계의 솔레노이드 밸브(33)를 열고 공기 공급계의 블로어(42)를 구동시켜 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급한다.

이와 같이 수소와 공기를 공급받은 연료전지 스택(21)은 시동키 온(on) 후 적은 양(80kW급 연료전지 스택의 경우 영하 20℃에서 가습 없이 약 10kW 정도)의 전기를 생산하게 되며, 이러한 상태에서 제어부(10)는 냉각수 탱크(51) 내 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 온도신호를 통해 냉각수가 결빙된 상태인지를 판단하게 된다.

여기서, 냉각수 탱크(51) 내 냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 상기 제어부(10)는 스택 전압 모니터링(SVM:Stack Voltage Monitoring) 장치(22)로부터 정상적인 전기 생산이 이루어지고 있음을 확인한 후, 냉각수 해빙을 위해 히터 스위치(63)를 온(on)시켜 전기식 히터(61)를 작동시키고, 또한 냉각수의 보다 빠른 해빙을 위해 연소식 히터(70)를 함께 작동시키게 된다.

이때, 수소를 연료로 사용하는 연소식 히터(70)의 경우를 예를 들면, 상기 제어부(10)는 MFC(83) 및 연소식 히터용 공기 블로어(84)를 제어하여 수소 공급계의 감압기(32)를 거친 수소의 일부와 공기를 히터 본체(71)로 공급하며, 이러한 상태에서 점화장치(73)를 작동시켜 연소식 히터(70)를 작동시킨다.

이와 같이 전기식 히터(61)와 연소식 히터(70)가 작동되는 상황에서 스택(21)이 전기를 계속해서 생산하는 경우 발열에 의해 스택(21) 내부의 온도는 올라가게 되는데, 스택(21) 내부의 온도가 20℃ 이상으로 올라갈 경우 핫 스폿 발생으로 인한 전극막 손상의 우려가 있으므로, 상기 제어부(10)는 스택 온도센서(23)를 통해 입력되는 스택 내부의 온도를 모니터링 하여 전기식 히터(61)의 작동 중 스택 내부의 온도가 20℃ 미만의 온도를 유지하도록 스택의 출력을 제어한다.

이후, 상기 제어부(10)는 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 냉각수 온도가 소정 온도 이상으로 상승한 경우 냉각수가 어느 정도 해빙된 것으로 판단하고, 이어 연소식 히터(70)의 작동을 중단시킴과 동시에 제2컨트롤 밸브(94)를 개방하고 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)으로 공급한다.

이와 같이 스택(21)으로 공급되는 과정에서 냉각수는 아직 낮은 온도상태이기 때문에 상기 제어부(10)는 냉각수가 라디에이터(53)를 거치지 않고 바이패스 라인(55)을 통해 공급되도록 바이패스 밸브(54)를 제어하게 되며, 연료전지 스택(21) 내부로 공급된 냉각수는 정상적으로 냉각수 라인(50)을 따라 각 가습장치(34,41)를 거친 후 냉각수 탱크(51)로 복귀된다.

이후, 상기 제어부(10)는 공기 공급계의 블로어(42)를 제어하여 공기의 공급량을 증가시키는 바, 이를 통해 스택(21)의 출력을 증가시키게 된다.

이후, 상기 제어부(10)는 냉각수가 정상적으로 공급되는 상태에서 냉각수 온도센서(56)로부터 입력되는 냉각수의 온도가 상온에 해당하는 소정 온도까지 상승한 상태(예, 냉각수 온도 > 20℃)에서 히터 스위치(63)를 오프시켜 전기식 히터(61)의 작동을 중단시키게 된다.

이후, 운전자가 차량을 출발시키게 되면 냉각수의 온도는 스택(21)으로부터 받은 열로 인해 더욱 상승하게 되며, 차량 운행 동안 냉각수를 적절한 온도상태로 유지하기 위해 상기 제어부(10)는 냉각수가 소정 온도까지 상승한 상태(예, 냉각수 온도 > 50℃)에서 이 냉각수가 라디에이터(53)를 거쳐 스택(21)으로 공급될 수 있게 바이패스 밸브(54)를 제어하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 영하 이하의 대기 온도에서 전기식 히터 및 연소식 히터가 작동하여 냉각수 탱크 내에서 결빙된 상태인 냉각수를 빠른 시간 내에 해빙시켜 줌으로써, 연료전지 차량의 냉시동성이 향상될 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 냉각수의 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기의 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 연료전지 스택의 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적의 작동온도까지 상승시킬 수 있는 효과도 기대된다.

한편, 운전자가 시동키를 오프하게 되면, 전기 생산을 위한 연료전지 시스템의 작동이 중단되며, 이때 제어부(10)는 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서(도시하지 않음)로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 토대로 시동키 오프 후 냉각수 제거수단의 작동여부를 결정하게 된다.

예를 들어, 롬 자료에서 현재가 동절기이거나 또는 차량 운행 중 외기온의 최저 값이 스택 내 냉각수 결빙 가능성이 있는 소정 온도 이하였을 때 냉각수 제거수단(90)을 구동시키며, 그렇지 않은 경우 냉각수 제거수단(90)을 구동시키지 않는다.

상기 냉각수 제거수단(90)의 작동과정을 살펴보면, 제어부(10)는 냉각수 펌프(52)의 구동 오프 후 제1컨트롤 밸브(93)와 제3컨트롤 밸브(96)를 개방하고, 제2컨트롤 밸브(94)를 폐작동시키며, 냉각수 제거용 펌프(92)를 구동시킨다.

이와 같이 냉각수 제거용 펌프(92)가 구동되면, 스택(21) 내부의 냉각수가 냉각수 흡입라인(91)을 통해 흡입되어 냉각수 탱크(51)로 복귀되며, 이와 동시에 대기유입라인(95)으로 유입된 대기가 냉각수 펌프(52)를 통과하여 스택(21) 입구쪽 냉각수 라인(50)을 통해 스택 내부로 유입되면서 스택 내부의 부압이 해소된다.

소정 시간 이후, 상기 제어부(10)는 냉각수 제거용 펌프(92)를 구동 오프시키고, 제1컨트롤 밸브(93)와 제3컨트롤 밸브(96)를 폐작동시킨다.

이와 같이 하여, 본 발명의 연료전지 시스템에서는 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하도록 구성된 냉각수 제거수단을 시동키 오프 후 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 적절히 선택 구동시킴으로써, 특히 차량이 영하 이하의 온도에서 방치될 때 내부에 결빙된 물에 의해 스택이 파손되는 문제를 예방할 수 있는 장점이 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템과 그 제어방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 영하 이하의 대기 온도에서 냉각수 탱크에 결빙된 냉각수를 스택에서 발생된 전원으로 전기식 히터가 해빙하는 것과 함께 별도의 연료 연소식 히터가 추가적으로 냉각수를 해빙하므로 보다 빠른 시간 내에 냉각수를 해빙, 공급할 수 있고, 이에 냉시동성이 크게 향상되는 효과가 있다.

2) 냉각수 해빙을 목적으로 하는 전기식 히터가 시동 초기 스택 전력을 적절히 소비하게 되면서 스택 온도를 보다 빠른 시간 내에 최적 작동온도까지 상승시키는 효과가 있다.

3) 스택 내 잔존하는 냉각수를 강제 흡입, 배출하기 위해 차량 운행시의 외기온 또는 사용환경을 토대로 제어되는 냉각수 제거수단이 구비됨으로써, 영하 이하의 온도에서 차량 방치시 스택이 내부에 결빙된 물에 의해 파손되는 문제를 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체 구성을 도시한 장치구성도이고,

도 2는 본 발명에서 연소식 히터의 일 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이며,

도 3은 본 발명에서 연소식 히터의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 구성도이고,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동과정을 도시한 블럭도이고,

도 5는 통상의 연료전지 시스템 구성을 도시한 장치구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제어부 21 : 연료전지 스택

23 : 스택 온도센서 31 : 수소 탱크

32 : 감압기 34 : 가습장치

41 : 가습장치 42 : 블로어

51 : 냉각수 탱크 52 : 냉각수 펌프

56 : 냉각수 온도센서 61 : 전기식 히터

70 : 연소식 히터 90 : 냉각수 제거수단

91 : 냉각수 흡입라인 92 : 냉각수 제거용 펌프

93 : 제1컨트롤 밸브 94 : 제2컨트롤 밸브

95 : 대기유입라인 96 : 제3컨트롤 밸브

Claims

전기를 생산하는 연료전지 스택과, 수소 저장계 및 공급계, 공기 공급계, 냉각계, 연료전지 제어부 등의 주변장치로 이루어진 연료전지 시스템에 있어서,

상기 연료전지 스택(21)으로부터 발생되는 전원을 인가받아 냉각수 탱크(51) 내에서 냉각수를 해빙하는 전기식 히터(61)와, 별도의 연료를 공급받아 그 연소열로 냉각수 탱크(51)를 가열하여 냉각수를 해빙하는 연소식 히터(70)가 설치되고, 상기 제어부(10)가 차량의 시동키 조작신호와 냉각수 온도센서(56) 및 스택 내부 온도센서(23)로부터 입력되는 신호에 따라 상기 각 히터(61,70)의 작동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 연소식 히터(70)가 상기 연료전지용 수소 저장계로부터 공급되는 수소를 연료로 하여 이를 공기와 함께 연소 촉매(72)가 코팅된 히터 본체(71) 내부에서 연소시키는 촉매 버너인 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 연소식 히터(70)가 별도의 연료 탱크(85)로부터 공급되는 액체 연료를 연료로 하여 이를 공기와 함께 연소 촉매(72)가 코팅된 히터 본체(71) 내부에서 연소시키는 촉매 버너인 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 히터 본체(71)는 내면 상에 연소 촉매(72)가 코팅된 관상형 구조로 되어, 그 내부에 점화장치(73)와, 점화시기 결정을 위한 온도센서(78a,78b)와, 연료 및 공기의 비를 결정하기 위한 산소 및 연료센서(76,77,79)를 가지는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각계가 시동 오프 후 연료전지 스택(21) 내부에 잔존하는 냉각수를 강제 흡입 제거하는 냉각수 제거수단(90)을 가지되, 이 냉각수 제거수단(90)이 냉각수 탱크(51)의 유입구쪽 냉각수 라인(50)에서 분기된 냉각수 흡입라인(91)에 설치되어 흡입력을 제공하는 냉각수 제거용 펌프(92)와, 이 냉각수 제거용 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인에 설치되는 제1컨트롤 밸브(93)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 냉각수 제거수단(90)은 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인에 설치된 제2컨트롤 밸브(94)와, 이 제2컨트롤 밸브(94)의 출구쪽 냉각수 라인에서 분기된 대기유입라인(95)과, 이 대기유입라인(95)에 설치된 제3컨트롤 밸브(96)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템.
운전자가 시동키를 온 조작하면, 수소와 공기를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와;

냉각수 탱크(51) 내 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 결빙된 상태인가를 판단하는 단계와;

냉각수가 결빙상태인 것으로 판단되면, 연료전지 스택(21)에서 발생된 전원을 냉각수 탱크 내 전기식 히터(61)에 인가하여 작동시키고 이와 함께 냉각수 탱크(51)를 가열하는 연소식 히터(70)를 작동시켜 냉각수를 해빙하는 단계와;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 해빙된 상태인가를 판단하는 단계와;

냉각수가 해빙상태인 것으로 판단되면, 상기 연소식 히터(70)를 오프시키는 동시에 냉각수 펌프(52)를 구동시켜 냉각수를 연료전지 스택(21)에 공급하는 단계와;

상기 온도센서(56)에 의해 검출되는 냉각수온으로부터 냉각수가 상온까지 상승한 것으로 판단되면, 상기 전기식 히터(61)를 오프시키는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법.
청구항 7에 있어서, 운전자가 시동키를 오프시키면, 연료전지 스택(21) 내의 냉각수 결빙 가능성 유무를 판단하는 단계와;

연료전지 스택(21) 내의 냉각수 결빙 가능성이 있다고 판단되면, 냉각수 흡입라인(91)의 펌프(92)를 구동시키고 이 펌프(92)의 흡입구쪽 냉각수 흡입라인(91)의 제1컨트롤 밸브(93)를 개방하여 연료전지 스택(21) 내부로부터 냉각수를 강제 흡입, 제거하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법.
청구항 8에 있어서, 상기 결빙 가능성 유무 판단 단계는 연료전지 차량에 장착된 외부 온도센서로부터 차량 운행 중 입력된 외기온 데이터 또는 연중 외기온 통계자료가 저장된 롬(ROM) 자료를 통해 판단하는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법.
청구항 8에 있어서, 상기 냉각수 제거 단계에서 추가적으로 대기유입라인(95)의 제3컨트롤 밸브(96)를 개방하고 냉각수 탱크(51)의 배출구쪽 냉각수 라인의 제2컨트롤 밸브(94)를 닫아주는 것을 특징으로 하는 냉시동성을 개선한 연료전지 시스템의 제어방법.