KR20100058740A - 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치 - Google Patents

냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서 구동을 위한 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택의 캐소드에 산소를 공급하기 위하여 외부의 공기를 불어넣어주는 공기 공급장치에 있어서, 저온의 외기 온도 상태에서 차량의 냉시동성을 개선할 수 있는 연료전지 차량에 포함되는 공기 공급장치의 밸브 구조에 관한 것이다.
본 발명에서는 외부의 공기를 스택 내부로 공급하고 이를 외부로 다시 배출하는 연료전지 차량의 공기 공급장치에 있어서, 배관의 입구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제1열선 구조를 갖는 제1밸브와 상기 배관의 출구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제2열선 구조를 갖는 제2밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다. 따라서, 본 발명은 영하 15℃ 이하 극저온의 외부 온도 상황에서도, 기존 구성인 구동용 연료전지 시스템 및 보조 배터리를 이용하여 생성된 열에너지에 의하여 차량의 냉시동성을 확보할 수 있는 효과를 발생한다.
냉시동성, 연료전지 차량, 공기 공급 장치, 열선 구조, 스로틀 밸브

Description

냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치{Air supply system for improving cold start performance in fuel cell vehicle}
본 발명은 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 차량에서 구동을 위한 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택의 캐소드에 산소를 공급하기 위하여 외부의 공기를 불어넣어주는 공기 공급장치에 있어서, 저온의 외기 온도 상태에서 차량의 냉시동성을 개선할 수 있는 연료전지 차량에 포함되는 공기 공급장치의 밸브 구조에 관한 것이다.
지구 상에 잔존한 화석 에너지량에 대한 불안으로, 기존의 내연 기관으로 구동되던 차량의 대안으로서 연료전지 차량이 각광받고 있으나, 여전히 이를 상용화하기에는 다양한 기술적 어려움이 존재하는 실정이다.
이러한 기술적 난제 중 하나로써, 영하의 추운 날씨 속에도 연료전지 차량의 시동성능을 확보할 수 있는 냉시동성의 문제는 우리나라를 포함한 북미, 유럽 등 대다수의 자동차 시장에서 필수적으로 보완되어야 할 기술적 문제이다.
일반적으로, 연료전지 차량에 구동을 위한 에너지를 공급하는 연료전지는 전해질 막을 중심으로 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode) 사이에서 나타나는 이온의 이동에 따라 전기 에너지를 발생시키도록 구성된 단위 셀(cell)을 여러 층으로 적층하여 형성된 연료전지 스택으로부터 요구되는 전기 에너지를 생산하도록 구성된다.
이러한 연료전지 스택을 구성하는 각 단위 셀에는 반응을 통한 전기 에너지 생성을 위하여 수소와 산소가 공급되어야 하며, 각 단위 셀의 애노드(Anode)로는 연료인 수소가 공급되고, 캐소드(Cathode)로는 외부 공기에 포함된 산소가 공급되도록 구성된다. 이 때, 수소가 공급된 상태에서 산소 공급을 위하여 외부의 공기를 불어넣어주면, 수소는 이온을 공급하고 H+는 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 그러나, 수소를 공급하기 전에 산소를 공급하고, 그 다음에 수소를 공급하는 경우 스택 내의 C(탄소)가 산소(O2)와 반응하여 이산화탄소(CO2)가 발생하여 탄소가 부식되는 상황(탄소 부식: Carbon Corrosion)이 발생한다.
도 1은 이러한 탄소 부식을 막기 위하여 사용될 수 있는 공기의 유입을 차단하도록 구성된 두 개의 밸브를 포함하는 공기 공급 장치의 개략적인 연결 구성을 공기의 흐름에 따른 블록선도로 도시하고 있으며, 도 2는 이 경우 사용되는 스로틀 밸브의 개·폐에 따른 구성을 도시하고 있다.
종래에는, 탄소 부식(Carbon Corrosion)을 막기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 중심축(3)에 대하여 회전 가능한 플레이트(2)로 이루어지는 버터플라이형 밸 브로 구성된 두 개의 스로틀 밸브(throttle valve)를 스택 입·출구측 양단의 배관(1)에 설치하고, 운전이 되지 않는 상황에서, 도 2에서와 같이 플레이트(2)의 회전에 따라 밸브의 개폐를 조절하여 외부의 산소 공급을 막음으로써 탄소 부식을 방지할 수 있도록 구성하였다.
하지만, 종래의 탄소 부식을 방지하기 위한 공기 공급 구조의 경우, 외기 온도가 영하인 저온 상태에서, 입구 측 밸브는 외부의 온도/습도와 유사한 상황을 유지하며, 출구 측 밸브는 스택과 가습기를 거친 고온·다습한 상황을 유지하게 된다.
따라서, 한겨울 영하의 기온 속에서 외부의 저온 공기가 연료전지 시스템으로 유입되는 경우, 수증기 결빙에 따라 스택에 형성된 채널에서 응결이 발생하며, 스택 내부의 온도를 50 ~ 70℃로 유지하면서 시스템이 구동되는 상황에서, 시동을 정지하였을 때 외부 온도와의 온도 차이에 의한 수증기 응결이 발생하고, 발생된 물은 외부환경이 저온시에는 결빙하게 되어 스로틀 밸브의 작동을 방해함에 따라 재시동시 연료전지 시동이 불가능하게 되는 문제점이 있다. 그리고, 이러한 공기 공급 장치의 두 개의 밸브 중 하나라도 오작동하게 되는 경우, 공기 공급이 차단되므로, 연료전지 시스템 전체가 중단되는 문제점이 존재한다.
이에 본 발명에서는 외부의 공기를 스택 내부로 공급하고 이를 외부로 다시 배출하는 연료전지 차량의 공기 공급장치에 있어서, 영하 15℃ 이하 극저온의 외부 온도 상황에서도, 기존 구성인 구동용 연료전지 시스템 및 보조 배터리를 이용하여 생성된 열에너지에 의하여 차량의 냉시동성을 확보할 수 있도록 구성된 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.
본 발명은 연료전지 차량의 공기 공급장치에 있어서, 공기가 유동하기 위한 배관의 입구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제1열선 구조를 갖는 제1밸브와; 상기 배관의 출구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제2열선 구조를 갖는 제2밸브를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
또한, 상기 제1열선 구조는 열선이 중심으로부터 동심원을 이루며 배치된 복수 개의 원형 열선으로 이루어진 열선 구조 또는 중심으로부터 형성된 나선형의 열선 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
그리고, 상기 제2열선 구조는 상기 제2밸브의 플레이트 면의 최외곽 측으로 형성된 원형의 열선 구조인 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
여기서, 상기 제2열선 구조는 상기 원형의 열선 구조의 하반면으로 추가적인 보조열선 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
이 경우, 상기 제2밸브의 플레이트 상에 설치된 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
또한, 상기 온도 센서에 의하여 검출된 온도 값에 의하여 상기 제2밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 저온환경에서 외부 공기 공급시 가열된 플레이트의 열과 함께 공기를 공급하도록 구성하여 가열된 외부 공기를 공급하게 됨에 따라 채널의 발생열을 유지하며, 가습기가 응결에 의하여 일부 막힌 중공막 또한 녹여주게 되어 셀 내부 전압을 안정적으로 유지할 수 있고, 열선에 대하여 스택의 출력을 소모하도록 구성하 여 스택의 발열을 유도함으로써 스택의 채널 결빙 방지를 통한 냉시동성을 향상시키는 효과가 있다.
둘째, 저온환경에서 시동시 열에너지를 공급하여 밸브측 온도를 상승시킴으로서, 밸브의 오작동 및 미작동을 방지하고, 이에 따라 공기 공급 장치 밸브의 응결 및 결빙에 따른 시동 불가 문제를 개선하는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 연료전지 차량의 공기 공급장치에 있어서, 구동용 연료전지 시스템 및 보조 배터리에 의하여 전원을 공급받아 열에너지를 제공하도록 구성된 열선을 공기 공급장치의 플레이트에 설치하여 저온에서도 냉시동성을 확보하도록 구성된 연료전지 차량의 공기 공급장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치 도 1에 도시된 종래 공기 공급 장치의 구성과 마찬가지로 스택의 출·입구 양측에 형성된 두 개의 스로틀 밸브인 제1밸브와 제2밸브를 포함하여 구성된다.
다만, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치는 저온 환경에서 발생될 수 있는 스택 내부 채널의 응결 및 밸브의 응결에 따른 냉시동 문제를 보완하기 위하여, 아래와 같이 개선된 구조를 갖는 제1밸브 및 제2밸브를 포함한 공기 공급 장치를 제공한다.
첨부된 도면에서, 도 3a는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 공기 유입구 측 제1밸브의 구성을 도시하고 있으며, 도 3b는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 공기 배출구 측 제2밸브의 구성을 도시하고 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제1밸브는 공기가 유동하도록 형성된 배관(10)에서, 상기 배관을 개·폐를 조절할 수 있도록 형성된 플레이트(20a)와 상기 플레이트(20a)가 배관 내부에서 회전할 수 있도록 하는 중심축(30a)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 제1밸브는 입구 측을 통하여 유입되는 외부 공기를 가온하기 위하여, 상기 플레이트(20a) 면에 형성된 열선 구조를 포함하도록 구성한다.
바람직하게는, 상기 제1밸브의 열선 구조(40)는 플레이트(20a)를 통과하는 외부 공기에 대하여 충분한 열전달을 수행하기 위하여 최대한 넓은 면적에 걸쳐 열선이 배치되도록 구성하며, 이 경우, 비교적 넓은 면적에서 외부 공기에 열전달을 수행할 수 있도록, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제1밸브의 열선의 배치를 복수 개의 원형 열선이 중심으로부터 동심원을 이루며 배치된 열선 구조 또는 나선형의 열선 구조로 구성할 수 있으나, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치는 이러한 열선의 배치 구조에 대하여 제약을 받지 않으며, 유동하는 외부 공기와 플레이트에 배치된 열선 간의 열교환을 수행할 수 있는 형상이라면 어떠한 열선 구조도 무방하다.
상술한 바와 같은 플레이트 상의 열선 구조를 갖는 제1밸브는 공기 공급 장 치의 입구 측에 배치되어 열선 구조에 의하여 가온된 외부 공기를 공급함으로서, 내부에서 응결된 수증기가 결빙하는 것을 방지한다. 또한, 저온 환경에서 스택 내 채널의 결빙을 방지하기 위하여, 일정 이상의 부하를 차량에 공급함에 따라 각 채널에서 부하 공급에 따른 연료전지 스택 내 반응열이 발생할 수 있도록 구성한다. 즉, 연료전지 스택이 상기 제1밸브의 열선 구조(40)로 소정의 부하를 공급하도록 구성함으로서, 제1밸브의 열선 구조(40)에서 발생된 열에너지를 통하여, 유입되는 외부 공기를 가온함과 동시에 스택의 부하 공급에 따라 스택 내 채널에서 발생하는 반응열로 인하여 스택 내 채널의 결빙을 방지하도록 구성된다. 다만, 고전압 배터리를 포함하는 연료전지 하이브리드 차량의 경우에는 상기 하이브리드 배터리로부터 열선에 대한 전원을 인가받아서 외부 공기를 가온시키도록 구성할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 상기 제1밸브는 연료전지 스택 또는 고전압 배터리부터 전원을 공급받기 위하여 연결되며, 외부 기온을 감지하여 열선의 작동 여부를 제어할 수 있는 릴레이 및 제어기를 포함하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1밸브의 열선 구조(40)는 고전압 배터리에 의한 고전압으로 구동될 수 있는 고전압용 열선 구조를 이용한다.
그러므로, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치에 의할 경우, 채널 내부의 온도 유지에 따른 결빙 방지 및 가열된 외부 공기에 의한 가습기에서의 중공막을 제거할 수 있어, 연료전지 스택의 채널의 셀 전압이 정상적으로 유지될 수 있도록 한다.
한편, 기존 공기 공급 장치의 구성에서, 연료전지 차량이 저온환경에서 시동 을 중단할 경우, 스택 및 가습기의 온도는 50 ~ 70℃를 유지하는 상황에서 제2밸브가 닫히게 되어 저온의 외부환경과는 대조적으로 고온다습한 차량 내부 환경과의 차이로 상기 제2밸브의 플레이트(20b)와 배관 내부 벽면 사이에 응결이 발생하고 이는 저온 환경에서 결빙되어, 재시동시 상기 제2밸브의 미작동에 의한 스택에 공기공급을 방해하여 시동이 실패되는 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제2밸브에서는 저온 환경에서의 시동 시에 차량의 배터리를 이용하여 결빙된 물을 해동하고, 배치된 온도센서를 통하여 상기 제2밸브의 해동 상태를 파악한 후 동작을 시도함으로써 오작동 문제를 해결하고자 한다.
따라서, 본 발명에 따른 공기 공급장치에 포함되는 제2밸브는 상기 제1밸브에서처럼, 열에너지를 발생시켜 열교환에 따라 제2밸브와 배관 사이에 결빙된 물을 해동할 수 있는 열선 구조를 포함하도록 구성된다.
첨부된 도 3b를 토대로 본 발명의 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 공기 유동의 출구 측 제2밸브의 구성을 구체적으로 살펴보면, 상기 제2밸브는 상기 제1밸브와 마찬가지로 중심축(30b)에 의하여 회전 가능한 플레이트(20b)를 포함하여 구성되며, 공기가 유동하도록 형성된 배관(10) 내부에서 상기 플레이트(20b)가 회전함에 따라 배관의 개·폐를 조절할 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 제2밸브는 입구 측의 제1밸브를 통하여 유입되어 스택 및 가습기를 지나면서 고온·다습해진 공기가 외부의 저온 환경에 의하여 응결 및 결빙됨에 따라 발생 가능한 냉시동 문제를 해결하기 위하여 플레이트(20b) 면에 형성된 열선 구조를 포함하도록 구성된다.
상기 제2밸브에 형성된 열선 구조는 주변의 온도를 상승시켜 결빙된 물을 해동할 수 있도록 플레이트(20b) 상에 설치되며, 바람직하게는 도 3b에 도시된 바와 같이, 플레이트(20b)의 외주연에 형성된 열선 구조를 포함하도록 구성한다.
이러한 구성은 상기 제1밸브 측의 플레이트 상에 넓은 면적에서 형성되는 열선구조와는 달리 플레이트의 외측 일부에 형성되도록 구성함이 바람직한 바, 이는 외부 공기를 직접적으로 가온하는 제1밸브 측 열선 구조에 비하여, 상기 제2밸브 측 열선 구조는 결빙된 물을 해동시켜 상기 제2밸브의 원활한 개·폐를 목적으로 하는 바, 소비되는 전원을 고려하여 실제로 응결에 의하여 결빙이 발생하게 되는 플레이트의 최외곽 측의 둘레방향으로만 원형의 열선 구조(50a)를 배치하도록 구성한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2밸브 측 열선 구조는 상술한 바와 같이 플레이트의 외주연에 형성되는 열선(50a) 이외에, 배관의 하단부에 추가적인 보조 열선 구조(50b)를 배치하도록 구성하여, 중력에 의하여 응결 및 결빙되는 물의 양이 상대적으로 많은 배관의 하단부에서 효율적인 해동이 수행될 수 있도록 구성한다. 이 경우, 상기 배관 하단부의 보조 열선 구조(50b)는 충분한 해동을 수행할 수 있도록 넓은 범위의 설치 면적을 갖도록 형성됨이 바람직하고, 도 3b에서와 같이 외곽을 따라 형성된 주기적인 삼각파 형상으로 구성할 수 있다.
상기 제2밸브의 열선 구조(50a, 50b)에 대한 구동 전원은 상기 제1밸브의 열선 구조(40)가 구동용 고전압 배터리 또는 연료전지 스택에 의하여 구동되는 것과 달리, 저전압의 보조 배터리로 구동됨이 바람직하다. 이는 차량의 구성 상 입·출구에 따른 배선 문제와 함께, 후술하는 바와 같이, 상기 제2밸브가 먼저 동작되어야 하므로 연료전지 스택이 작동하기 전이라도, 상기 제2밸브의 열선 구조(50a, 50b)가 보조 배터리에 의하여 우선적으로 작동되도록 하기 위함이다. 따라서 상기 제2밸브의 열선 구조(50a, 50b)는 저전압용 열선으로 구성하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제2밸브는 상기 제2밸브의 열선 구조(50a, 50b)가 이그니션(Ignition: IG) 및 릴레이(Relay)와 제어기에 연결되어 시동 시 보조 배터리 전원을 공급받도록 구성될 수 있으며, 상기 플레이트 상에는 제2밸브 측의 온도를 감지할 수 있는 온도 센서(60)가 설치되고, 상기 온도 센서(60)로부터 감지된 온도에 따라 제2밸브 측의 해동 상태를 판단하여 제2밸브가 작동 가능한 경우, 전체 공기 공급장치가 동작할 수 있도록 구성한다. 즉, 저온 환경에서 상기 제2밸브 측에 결빙이 발생한 것으로 판단되는 경우, 보조 배터리에 의하여, 상기 제2밸브 측 열선 구조가 우선적으로 동작하여 해동을 수행한 다음, 상기 제1밸브 측 열선 구조가 작동하면서 전제 공기 공급장치의 동작이 수행되도록 구성한다.
그러므로, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치에 의할 경우, 저온 환경에서 제2밸브 측에 발생한 응결 및 결빙된 물을 해동하여 상기 제2밸브가 원활하게 작동될 수 있도록 구성하여, 냉시동성을 확보하게 된다.
첨부된 도 4a는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제1밸브의 작동 과정을 나타내기 위하여, 제1밸브의 작동에 따른 배관의 측면에서의 제1밸브 형상을 도시한 것이고, 첨부된 도 4b는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제2밸브의 작동 과정을 나타내기 위하여, 제2밸브의 작동에 따른 배관의 측면에서의 제2밸브 형상을 도시하고 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는, 공기 유동의 흐름 순으로 명명된 제1밸브와 제2밸브의 대하여 명칭 순으로, 제1밸브의 작동 과정을 먼저 설명하고, 제2밸브의 작동 과정을 설명하고 있으나, 실제 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치는 제2밸브의 열선 구조가 작동되어, 상기 제2밸브의 결빙이 해동됨에 따라 공기의 유입 및 배출이 원활하게 이루어지게 된 다음, 전체 공기 공급 장치가 작동될 수 있도록 제1밸브에 대한 작동이 수행된다.
이하, 상기 제1밸브 및 상기 제2밸브 각각의 작동 과정을 상세하게 살펴본다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공기 공급장치는 냉시동 시 초기 연료전지의 시동을 위하여 제1밸브를 완전히 열어서(①) 최대한 많은 양의 공기가 주입되도록 유도한다.(단계 S11)
주입된 공기를 통하여 연료전지의 전압이 형성되고 열선에 전원이 공급되면, 외부 공기가 열선의 열과 열전달이 잘 이루어지도록 접촉면적을 넓히는 것을 공기 블로워의 제한된 부하내에서 제어하면서 스택 공급 공기의 온도를 상승시킨다.(단계 S12) 이는 도 4b에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 최대 출력을 위한 최대 공기 유입시의 밸브의 위치(①, ③)에서에 비하여 많은 열교환을 수행할 수 있는 밸브의 위치(②)를 외기 온도에 따라 적절히 제어하도록 하기 위함이다.
이 때, 고전압 배터리 형의 연료전지 하이브리드 차량의 경우에는 고전압 배터리로부터 전원을 인가 받아, 연료전지 시동을 위한 초기의 공기 공급 단계에서 미리 열선에 전원을 공급하여 가열된 공기를 공급하도록 구성할 수 있으므로, 최초 연료전지 스택으로부터 차량에 부하를 공급하기 위하여 공기를 주입하는 상술한 단계 S11는 불필요하게 된다.
다음으로, 충분한 가온을 통하여, 연료전지의 시동을 성공하면 열선에 전원공급을 중단하고 제1밸브를 완전히 열어서(③) 공기 블로워의 부하를 줄이도록 구성된다.(단계 S13)
한편, 상술한 제1밸브의 작동 단계 이전에 먼저 수행되는 제2밸브의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
연료전지의 시동을 마치고 제2밸브가 닫혀진 상태(①)에서 내부의 고온다습한 공기와 외부의 저온에 의하여 온도가 차가워진 플레이트(20b)가 만나서 벽면에 응결이 일어나게 되고 내부의 온도가 점점 외부의 온도가 가까워 질 때까지 이 양은 계속 늘어나며, 이러한 응결은 내부 쪽의 플레이트 면에서만 일어난다. 이때 중력에 의하여 상대적으로 하단부를 향하여 응결된 물이 모이게 되고, 외부가 빙점이하의 온도상황에 의하여 얼음으로 변하여 내부측으로 배관을 따라 쌓이면서 얼게 된다.(I)
따라서, 본 발명에 따른 공기 공급장치는 도 4b에 도시된 바와 같이(②), 외기 온도를 통하여 저온 시동상황을 인식한 제어기가 보조 배터리에서 공급되는 전압으로 최외곽 및 플레이트 하단에 형성된 열선에 전원을 인가하고, 이 때 발생되는 열전달에 의하여 정중앙에 위치한 온도센서에 영상의 온도가 감지되면 제2밸브의 작동을 시도하게 된다. 결빙된 물은 내부 배관을 타고 두껍게 얼게 된다하더라도 시계 반대방향으로 회전하기 때문에, 일부 얼음의 접촉면만 녹게되면 작동에 문제가 없다.(단계 S21)
제2밸브가 정상적으로 동작하여, 상기 제2밸브가 완전히 개방(③)됨에 따라 공기공급이 원활하게 이루어지면 고온의 배출 공기에 의하여 배관에 남아있던 얼음은 녹아서 외부로 배출된다.(단계 S22)
따라서, 저온 상황에서도, 상기 제2밸브의 플레이트 주위를 가온함으로써, 결빙된 물을 해동하여 상기 제2밸브가 원활하게 작동 가능하게 할 수 있으며, 동시에 상기 제1밸브의 열선구조를 통한 가온 및 연료전지 스택의 발열을 통하여 충분한 냉시동성을 확보할 수 있도록 구성된다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설 명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 종래 공기 공급 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록선도.
도 2는 이 경우 사용되는 밸브의 개·폐에 따른 구조도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제1밸브 및 제2밸브의 구조도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치의 제1밸브 및 제2밸브의 작동 과정의 측면 구조도.
< 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 >
10: 배관 20a, 20b: 플레이트
30a, 30b: 중심축 40: 제1밸브의 열선 구조
50a: 제2밸브의 외곽 열선구조 50b: 제2밸브의 보조 열선 구조
60: 온도 센서

Claims (6)

  1. 연료전지 차량의 공기 공급장치에 있어서,
    공기가 유동하기 위한 배관의 입구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제1열선 구조를 갖는 제1밸브와;
    상기 배관의 출구 측에 설치되며, 회전함으로써 상기 배관을 개폐할 수 있는 플레이트 및 상기 플레이트 면에 형성된 제2열선 구조를 갖는 제2밸브를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1열선 구조는 열선이 중심으로부터 동심원을 이루며 배치된 복수 개의 원형 열선으로 이루어진 열선 구조 또는 중심으로부터 형성된 나선형의 열선 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제2열선 구조는 상기 제2밸브의 플레이트 면의 최외곽 측으로 형성된 원형의 열선 구조인 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제2열선 구조는 상기 원형의 열선 구조의 하반면으로 추가적인 보조열선 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2밸브의 플레이트 상에 설치된 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 온도 센서에 의하여 검출된 온도 값에 의하여 상기 제2밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 차량의 공기 공급장치.
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