KR20230016906A - Fuel cell system and thermal management control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a thermal management control method thereof.
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. A fuel cell system may generate electrical energy using a fuel cell stack. For example, when hydrogen is used as a fuel for a fuel cell stack, continuous R&D on fuel cell systems is being conducted because it can be an alternative solution to global environmental problems.
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.The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen in the air, which is an oxidant required for electrochemical reactions, to the fuel cell stack, and fuel. It may include a thermal management system (TMS) that removes reaction heat from the cell stack to the outside of the system, controls the operating temperature of the fuel cell stack, and performs a water management function.
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.The thermal management system is a type of cooling device that maintains an appropriate temperature (eg, 60 to 70° C.) by circulating antifreeze serving as coolant to the fuel cell stack. , a pump that circulates the cooling water, an ion filter that removes ions contained in the cooling water, and a radiator that dissipates heat from the cooling water to the outside. In addition, the thermal management system may include a heater that heats cooling water, and an air conditioning unit (eg, a heater for heating) that cools and heats the inside of a device (eg, a vehicle) including a fuel cell system using the cooling water. . The thermal management system can maintain an appropriate temperature of not only the fuel cell stack but also the electric components of the vehicle.
연료전지 시스템을 포함하는 차량의 주행 시 연료전지의 고출력이 요구되는 반면에 주행풍으로 인하여 연료전지가 냉각될 수 있다. While driving a vehicle including a fuel cell system requires high power from the fuel cell, the fuel cell may be cooled due to driving wind.
반면에, 건설기계는 정차시에도 레벨링 또는 로딩과 같은 작업을 수행하므로 연료전지나 전장부품에서 고출력이 요구되지만 주행풍이 없어 실질적으로 냉각팬에 의해 발생되는 풍량에 의존하기 때문에 전체 냉각량이 부족할 수 있다. 이와 같이, 냉각량이 부족하면 냉각수의 온도가 상승하게 되며, 그로 인해 연료전지와 전장부품의 안전성 및 내구성에 악영향을 줄 수 있다.On the other hand, since construction machinery performs tasks such as leveling or loading even when stopped, high power is required from fuel cells or electric components, but since there is no driving wind, the total cooling amount may be insufficient because it depends on the amount of air generated by the cooling fan. As such, if the amount of cooling is insufficient, the temperature of the cooling water rises, thereby adversely affecting the safety and durability of the fuel cell and electrical components.
본 발명의 목적은, 차량의 주행풍이 없거나 부족한 상황에서도 연료전지의 고출력을 보장하는 것과 동시에 냉각 성능을 향상시킴으로써 안전성과 내구성을 확보할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 제어 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a thermal management control method thereof, which ensure safety and durability by improving cooling performance while ensuring high output of a fuel cell even in the absence or insufficient driving wind of a vehicle. there is.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 연료전지 스택 운전 중 열 관리를 효율적으로 제어하여 냉각 성능을 확보하고 연료전지 스택 및 전장부품의 수명 저하를 방지할 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 열 관리 제어 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to efficiently control thermal management during operation of the fuel cell stack to secure cooling performance and to prevent deterioration in the lifespan of the fuel cell stack and electric components, and a fuel cell system and thermal management control thereof. in providing a way.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 외기온 및 연료전지 스택의 냉각수 온도 중 적어도 하나에 기초하여 열관리 제어 동작의 시동 및 시동 정지 방식을 결정하고, 연료전지 스택 및 전장부품의 목표 냉각 성능을 유지하며 열 관리 제어 동작을 수행하도록 제어하는 제어부, 및 상기 제어부로부터의 제어 신호에 따라 열 관리 제어 동작의 시동, 시동 정지 또는 열 관리 제어 동작에 대응되는 부품을 구동하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention determines a method of starting and stopping a thermal management control operation based on at least one of outside air temperature and a temperature of a coolant of a fuel cell stack, and and a control unit controlling to perform a thermal management control operation while maintaining a target cooling performance of electric components, and driving a component corresponding to start-up, start-stop, or thermal management control operation of a thermal management control operation according to a control signal from the control unit. It is characterized in that it comprises a driving unit to.
상기 제어부는, 외기온 및 연료전지 스택의 냉각수 온도가 열 관리 제어 동작의 냉 시동 조건을 만족하는 경우 냉 시동 방식을 결정하고, 그렇지 않으면 정상 시동 방식을 결정하는 것을 특징으로 한다.The controller may determine a cold start method when the outside air temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack satisfy a cold start condition of a thermal management control operation, and otherwise determine a normal start method.
상기 제어부는, 외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온 이하이면, 상기 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 냉 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.The control unit determines that the cold start condition is satisfied when the outside air temperature is equal to or less than a preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack is equal to or less than the reference coolant temperature, and transmits a control signal for cold start of a thermal management control operation. It is characterized in that the output to the driving unit.
상기 제어부는, 외기온이 기 설정된 제1 온도를 초과하면, 상기 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.The control unit may determine that the cold start condition is not satisfied and output a control signal for normal startup of a thermal management control operation to the drive unit when the outside air temperature exceeds a preset first temperature.
상기 제어부는, 외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온을 초과하면, 상기 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.The control unit determines that the cold start condition is not satisfied when the outside air temperature is equal to or less than a preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack exceeds the reference coolant temperature, and controls for normal start of the thermal management control operation. It is characterized in that a signal is output to the driving unit.
상기 제어부는, 외기온이 열 관리 제어 동작의 냉 시동 정지 조건을 만족하는 경우 냉 시동 정지 방식을 결정하고, 그렇지 않으면 정상 시동 정지 방식을 결정하는 것을 특징으로 한다.The controller may determine a cold start-stop method when the outside air temperature satisfies the cold start-stop condition of the thermal management control operation, and otherwise determine a normal start-stop method.
상기 제어부는, 상기 외기온이 기 설정된 제2 온도 이하이면, 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 냉 시동 정지를 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.The control unit may determine that a cold start stop condition is satisfied and output a control signal for stopping a cold start of a thermal management control operation to the drive unit when the outside temperature is equal to or less than a preset second temperature.
상기 제어부는, 상기 외기온이 기 설정된 제2 온도를 초과하면, 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동 정지를 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 한다.The control unit may determine that a cold start stop condition is not satisfied and output a control signal for normal start and stop of a thermal management control operation to the drive unit when the outside temperature exceeds a preset second temperature.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프, 전장부품을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프, 및 상기 제1 냉각라인 및 상기 제2 냉각라인 상에 배치된 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the fuel cell system according to an embodiment of the present invention, a first pump disposed on a first cooling line through which the first cooling water passes through the fuel cell stack circulates, and the second cooling water passes through the electric component circulates. and a second pump disposed on the second cooling line, and a cooling fan for blowing outside air to the radiators disposed on the first cooling line and the second cooling line.
상기 제어부는, 열 관리 제어 동작의 시동 완료 시, 상기 연료전지 스택 및 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택 및 전장부품의 목표 냉각 성능에 따라 상기 제1 펌프, 상기 제2 펌프 및 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 한다.The control unit determines target cooling performance of the fuel cell stack and the electric component when the start-up of the thermal management control operation is completed, and the first pump and the first pump are determined according to the determined target cooling performance of the fuel cell stack and the electric component. 2 It is characterized by determining the number of revolutions of the pump and cooling fan.
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 제1 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 한다.The control unit determines a target cooling performance of the fuel cell stack according to the power and efficiency of the fuel cell stack, and determines the determined target cooling performance of the fuel cell stack, the outside air temperature, and the temperature of the cooling water at the inlet and outlet of the fuel cell stack. It is characterized in that the number of revolutions of the first pump and the cooling fan is determined based on the
상기 제어부는, 상기 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도와 상기 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 더 결정하는 것을 특징으로 한다.The control unit may further determine an opening amount of the cooling water temperature control valve based on the cooling water temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack and the cooling water temperature at the radiator outlet.
상기 제어부는, 상기 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 제2 펌프의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 한다.The control unit determines a target cooling performance of the electric component according to the power consumption and inefficiency of the electric component, and determines the rotational speed of the second pump based on the determined target cooling performance of the electric component and the outside temperature. to be
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 외기온을 측정하는 외기온 측정부, 및 상기 연료전지 스택 또는 전장부품을 경유하는 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell system according to an embodiment of the present invention is characterized in that it further includes an outside temperature measurement unit for measuring the outside air temperature, and a temperature measurement unit for measuring the temperature of the cooling water passing through the fuel cell stack or the electric component. .
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법은, 외기온 및 연료전지 스택의 냉각수 온도에 기초하여 열관리 제어 동작의 시동 방식을 결정하고 상기 결정된 시동 방식에 따라 시동하는 단계, 상기 열 관리 제어 동작의 시동 완료 시, 상기 연료전지 스택 및 전장부품의 목표 냉각 성능을 유지하며 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계, 및 시스템 오프(OFF) 요청이 있으면, 외기온에 기초하여 열 관리 제어 동작의 시동 정지 방식을 결정하고 상기 결정된 시동 정지 방식에 따라 시동 정지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a thermal management control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is to determine a starting method of a thermal management control operation based on the outside temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack, and start the determined starting method. starting according to a method, performing a thermal management control operation while maintaining target cooling performance of the fuel cell stack and electric components when the start-up of the thermal management control operation is completed, and a system off request, and determining a starting/stopping method of the thermal management control operation based on the outside air temperature and starting/stopping according to the determined starting/stopping method.
상기 시동하는 단계는, 외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온 이하이면, 상기 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단하여 냉 시동방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The starting step includes determining a cold start method by determining that the cold start condition is satisfied when the outside air temperature is equal to or less than a preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack is equal to or less than the reference coolant temperature. characterized by
상기 시동하는 단계는, 외기온이 기 설정된 제1 온도를 초과하거나, 외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이면서 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온을 초과하면, 상기 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 정상 시동 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the starting step, when the outside air temperature exceeds the first preset temperature or when the external air temperature is below the preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack exceeds the reference coolant temperature, the cold start condition is not satisfied. It is characterized in that it comprises the step of determining the normal starting method by determining.
상기 시동 정지하는 단계는, 상기 외기온이 기 설정된 제2 온도 이하이면 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 냉 시동 정지 방식을 결정하고, 상기 외기온이 기 설정된 제2 온도를 초과하면 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동 정지 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The starting-stopping step may include determining a cold start-stop method by determining that a cold start-stop condition is satisfied when the outside air temperature is equal to or less than a preset second temperature, and determining a cold start-stop condition when the external air temperature exceeds the preset second temperature. and determining a normal starting/stopping method of the thermal management control operation by determining that ? is not satisfied.
상기 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계는, 상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프 및 냉각팬의 회전수를 결정하는 단계, 및 상기 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도와 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The performing of the thermal management control operation may include determining a target cooling performance of the fuel cell stack according to the power and efficiency of the fuel cell stack, the determined target cooling performance of the fuel cell stack, outside air temperature, and the fuel cell stack. determining the number of rotations of a first pump and a cooling fan disposed on a first cooling line passing through the fuel cell stack based on the temperature of cooling water at the inlet and outlet of the fuel cell stack, and cooling water at the inlet and outlet of the fuel cell stack; and determining an opening amount of the coolant temperature control valve based on the temperature and the coolant temperature at the outlet of the radiator.
상기 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계는, 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 전장부품을 경유하는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프의 회전수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The performing of the thermal management control operation may include determining target cooling performance of the electric component according to power consumption and inefficiency of the electric component, and controlling the electric component based on the determined target cooling performance of the electric component and ambient temperature. and determining the number of revolutions of a second pump disposed on a second cooling line passing therethrough.
본 발명에 따르면, 차량의 주행풍이 없거나 부족한 상황에서도 연료전지의 고출력을 보장하는 것과 동시에 냉각 성능을 향상시킴으로써 안전성과 내구성을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of securing safety and durability by improving cooling performance while guaranteeing high power of the fuel cell even in a situation where there is no or insufficient driving wind of the vehicle.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택 운전 중 열 관리를 효율적으로 제어하여 냉각 성능을 확보하고 연료전지 스택 및 전장부품의 수명 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to efficiently control thermal management during operation of the fuel cell stack to secure cooling performance and to prevent deterioration in lifespan of the fuel cell stack and electric components.
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 5a 및 도 5b는 다양한 실시예들에 제1 배관 및 제2 배관을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are diagrams illustrating a flow of a first cooling water in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a fuel cell system according to still other various embodiments of the present invention.
5A and 5B illustrate a first pipe and a second pipe in various embodiments.
6 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are diagrams illustrating an operation flow of a method for controlling thermal management of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing an embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description will be omitted.
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.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. In addition, unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 차량 등에 적용될 수 있으며, 굴착용 기계, 적재용 기계, 콘크리트용 기계 등과 같은 건설기계에도 적용 가능하다.The present invention relates to a fuel cell system, and the fuel cell system according to the present invention can be applied to vehicles and the like, and can also be applied to construction machines such as excavation machines, stacking machines, and concrete machines.
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.1 to 4 show a fuel cell system according to various embodiments, FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are an embodiment of the present invention. A diagram illustrating a flow of first cooling water in a fuel cell system according to an example, and FIGS. 3 and 4 are diagrams illustrating a fuel cell system according to other embodiments.
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. Referring to FIG. 1 , the fuel cell system for a vehicle uses a
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 형성하고, 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 내지 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. The fuel cell system forms a heating loop (heating circulation path, or heating loop) with the
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. The fuel cell stack 10 (or may be referred to as a 'fuel cell') has a structure capable of generating electricity through an oxidation-reduction reaction between a fuel (eg, hydrogen) and an oxidizing agent (eg, air). can be formed For example, the
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. In the
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. The
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. The
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. The
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 밸브(40)의 개도량에 따라서 제1 냉각수의 일부는 제1 라디에이터(60)를 지나고 나머지 일부는 제3 연결라인(140)을 따라 흐를 수 있다. The
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. The
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 냉 시동시에도 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.An
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. The
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. The
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. The fuel cell system includes a
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. The
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.A
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.A
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. In an embodiment, the
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. In another embodiment, as shown in FIG. 3, the
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. 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. Referring back to FIG. 1 , the
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 10높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2 냉각수와 열교환)한 제1 냉각수의 제3 온도는 제1 온도보다 1낮게 형성될 수 있다. In the embodiment, the
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. 열교환기(300)가 제1 라디에이터(60)의 좌측 상단부에 연결된 경우, 제1 라디에이터(60) 및 열교환기(300)는 도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. The
도 5a 내지 도 5b는 다양한 실시예들에 제1 배관 및 제2 배관을 설명한다. 5A to 5B illustrate a first pipe and a second pipe in various embodiments.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 제1 라디에이터(60)는 제1 냉각수가 유동하는 제1 유로(64a)를 형성하는 제1 배관(64)을 포함하고, 열교환기(300)는 제1 유로(64a)의 내부에서 제1 냉각수와 상호 열교환 가능하게 마련되는 제2 배관(302)을 포함하되, 제2 냉각수는 제2 배관(302)을 따라 유동하며 제1 유로(64a)에서 제1 냉각수와 상호 열교환될 수 있다. 제2 배관(302)은 제2 냉각수가 유동하는 제2 유로(302a)를 형성하고, 제2 배관(302)의 적어도 일부는 제1 유로(64a)의 내부에서 제1 냉각수에 노출될 수 있다. 제2 배관(302)의 형태 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2 배관(302)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따르면, 제1 냉각수의 냉각 효과를 높일 수 있도록, 제1 냉각수에 노출되는 제2 배관의 외면에 접촉 면적을 증가시키기 위한 방열핀을 형성하는 것도 가능하다. 실시예에 따르면, 제1 배관(64)과 제2 배관(302)의 사이에 실링부재(304)(예를 들어, 고무 또는 실리콘 재질)가 마련될 수 있다. 이와 같이, 제1 배관(64)과 제2 배관(302)의 사이에 실링부재(304)를 마련하는 것에 의하여, 제1 유로(64a)의 밀폐 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.Referring to FIGS. 5A and 5B , the
건설기계와 같이 정차시에도 고출력이 요구되는 차량의 경우 전장부품(200)의 냉각 성능이 보장되어야 하므로, 실시예들에 따른 연료전지 시스템은 냉각팬(80 또는 85)의 회전수, 외기온, 및 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템은 열교환기(300)의 배치, 냉각팬의 구조(예: 듀얼 타입 또는 멀티 타입), 라디에이터(60, 70)의 유입 풍량 중 적어도 하나를 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정함으로써 제1 냉각라인(110)과 제2 냉각라인(120)이 공존하는 연료전지 시스템 내의 냉각 성능을 최적화할 수 있다.Since the cooling performance of the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 블록도를 도시한 도면이다.6 is a diagram showing a control block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 외기온 측정부(410), 온도 측정부(420), 제어부(430) 및 구동부(440)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the fuel cell system according to the present invention may include an outside
외기온 측정부(410)는 외기온을 측정한다. 이때, 외기온 측정부(410)는 실시간 또는 지정된 주기마다 연료전지 시스템의 외기온을 측정할 수 있다.The outside air
온도 측정부(420)는 연료전지 스택(10) 또는 전장부품(200)을 경유하는 냉각수의 온도를 측정한다. 일 예로, 온도 측정부(420)는 스택 입구 및 스택 출구의 냉각수 온도, 스택 라디에이터 출구의 냉각수 온도를 측정할 수 있다. 여기서, 온도 측정부(420)는 도 1 내지 도 4에 도시된 온도 센서들(112, 114, 116) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
제어부(430)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(430)는 연료전지 시스템의 각 구성들과 연결되어 연료전지 시스템의 전반적인 기능을 수행할 수 있다.The
제어부(430)는 외기온 및 스택 입구 냉각수 온도에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 위한 시동 방식을 결정하고, 결정된 시동 방식에 따라 열 관리 제어 동작을 시동할 수 있다. 일 예로, 제어부(430)는 외기온 및 스택 입구 냉각수 온도에 따라 냉 시동 또는 정상 시동 중 어느 하나의 시동 방식을 결정할 수 있다.The
또한, 제어부(430)는 외기온에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 위한 시동 정지 방식을 결정하고, 결정된 시동 정지 방식에 따라 열 관리 제어 동작을 종료할 수 있다. 일 예로, 제어부(430)는 외기온에 따라 냉 시동 정지 또는 정상 시동 정지 중 어느 하나의 시동 정지 방식을 결정할 수 있다. 이를 위해, 제어부(430)는 시동 제어부(431)를 포함할 수 있다.Also, the
또한, 제어부(430)는 열 관리 제어 동작의 시동 완료 시, 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작에 대한 운전 제어를 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어부(430)는 운전 제어부(435)를 포함할 수 있다.In addition, the
제어부(430) 내에 포함된 구성들은 각각 개별적인 장치(또는 프로그램)로 구현되거나 하나의 통합된 모듈 형태로 구현될 수 있다.Components included in the
시동 제어부(431)는 연료전지 시스템이 온(ON) 상태가 되면, 외기온 측정부(410)에 의해 측정된 외기온 및 온도 측정부(420)에 의해 측정된 냉각수 온도를 확인한다. 여기서, 시동 제어부(431)는 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도를 확인할 수 있다. When the fuel cell system is turned on, the
이때, 시동 제어부(431)는 외기온 및 스택 입구의 냉각수 온도가 열 관리 제어 동작을 위한 냉 시동 조건을 만족하는 경우, 냉 시동을 위한 제1 제어 신호를 구동부(440)로 출력할 수 있다.In this case, the
일 예로, 시동 제어부(431)는 외기온이 제1 온도(X1) 이하이면서, 스택 입구의 냉각수 온도가 기준 냉각수온(Y) 이하이면, 열 관리 제어 동작을 위한 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. For example, the
이와 같이, 시동 제어부(431)는 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단되면, 구동부(440)의 동작을 제어할 수 있다.As such, the
이에, 구동부(440)는 시동 제어부(431)로부터의 냉 시동을 위한 제1 제어신호가 입력되면, 미리 정해진 냉 시동 모드에 따라 열 관리 제어 동작을 시동시킬 수 있다.Accordingly, when the first control signal for cold starting from the starting
일 예로서, 구동부(440)는 냉 시동 모드 시, 연료전지 스택(10)으로의 냉각수 유입을 차단하고, 히터를 구동하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기를 가열함으로써 연료전지 스택(10)을 웜-업 시킬 수 있다. 물론, 냉 시동 모드 시, 구동부(440)가 연료전지 스택(10)을 웜-업하는 방식은 어느 하나에 한정되는 것은 아니며, 모터 구동 시 발생되는 열을 이용하는 등, 실시 형태에 따라 다양한 방식이 적용될 수도 있다.As an example, the driving
이와 같이, 냉 시동 모드 시, 연료전지 스택(10)을 웜-업한 후에 연료전지 시스템을 시동시킴으로써 연료전지 스택(10)이 일정 온도 이상에서 동작하도록 하여 냉 시동성을 향상시키도 연료전지의 안전성과 내구성을 확보할 수 있다. In this way, in the cold start mode, by warming up the
한편, 시동 제어부(431)는 외기온이 제1 온도(X1) 이하이지만, 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도가 기준 냉각수온(Y) 이상이면, 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단할 수 있다. 일 예로, 연료전지 시스템을 오프(OFF) 한 이후 소정 시간 내에 다시 연료전지 시스템을 온(ON) 시키는 경우, 외기온이 저온 상태라 하더라도 스택 입구의 냉각수 온도는 기준 냉각수온(Y) 이상이 될 수 있다.Meanwhile, the
또한, 시동 제어부(431)는 외기온이 제1 온도(X1)를 초과하는 경우에도, 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단할 수 있다.Also, the
이와 같이, 시동 제어부(431)는 냉 시동 조건을 만족하지 않는 경우 정상 시동을 위한 제2 제어 신호를 구동부(440)로 출력할 수 있다.As such, the
이에, 구동부(440)는 시동 제어부(431)로부터의 정상 시동을 위한 제2 제어신호가 입력되면, 미리 정해진 정상 시동 모드에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 시동시킬 수 있다.Accordingly, the driving
한편, 연료전지 시스템 오프(OFF) 요청이 있는 경우, 시동 제어부(431)는 외기온에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 정지(Cold Shutdown) 또는 정상 시동 정지(Normal Shutdown) 동작을 제어할 수 있다.Meanwhile, when there is a request to turn off the fuel cell system, the
시동 제어부(431)는 연료전지 시스템 오프(OFF) 요청이 있으면 외기온을 확인한다. 이때, 시동 제어부(431)는 외기온이 기 설정된 제2 온도(X2) 이하이면, 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단한다.The
여기서, 차량이 겨울철 야간에 오랜 시간 방치되는 상황에서는 외기온이 제1 온도(X1) 보다 높은 온도라 하더라도 연료전지 스택(10)에 남아있는 수분이 동결될 수 있다. 따라서, 제2 온도(X2)는 차량이 겨울철 야간에 오랜 시간 방치되는 상황을 고려하여 제1 온도(X1) 보다 높은 온도(예, X2 = X1 + α)로 설정될 수 있다.Here, in a situation where the vehicle is left for a long time at night in winter, moisture remaining in the
이와 같이, 시동 제어부(431)는 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단되면, 냉 시동 정지를 위한 제3 제어 신호를 구동부(440)로 출력할 수 있다.As such, when it is determined that the cold start stop condition is satisfied, the
이에, 구동부(440)는 시동 제어부(431)로부터 냉 시동 정지를 위한 제3 제어 신호가 입력되면, 미리 정해진 냉 시동 정지 모드에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 시동 정지시킬 수 있다.Accordingly, the driving
일 예로, 구동부(440)는 냉 시동 정지 모드 시, 블로워(미도시) 또는 공기압축기(ACP)(240) 등을 구동함으로써 연료전지 스택(10)의 내부로 고압의 공기를 유입시켜 연료전지 스택(10)의 내부에 남아있는 수분이 배출되도록 할 수 있다. 이때, 구동부(440)는 연료전지 스택(10)의 내부에 남아있는 수분을 배출한 후에 시동 정지시키고, 연료전지 시스템을 오프 시킬 수 있다.For example, in the cold start/stop mode, the
따라서, 저온 상태에서 연료전지 스택(10) 내부에 남아있는 수분이 얼어 다음 시동 시 발생할 수 있는 문제 상황을 미연에 방지함으로써 냉 시동성을 향상시키고, 연료전지 스택(10)의 안전성 및 내구성이 증대되도록 한다.Therefore, to improve cold startability and increase safety and durability of the
한편, 시동 제어부(431)는 연료전지 시스템 오프(OFF) 요청 시, 확인된 외기온이 기 설정된 제2 온도(X2)를 초과하면, 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단한다.On the other hand, the
이 경우, 시동 제어부(431)는 정상 시동 정지를 위한 제4 제어 신호를 구동부(440)로 출력할 수 있다.In this case, the
이에, 구동부(440)는 시동 제어부(431)로부터 정상 시동 정지를 위한 제4 제어 신호가 입력되면, 미리 정해진 정상 시동 모드에 따라 연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작을 시동 정지시키고 연료전지 시스템을 오프(OFF)시킬 수 있다.Accordingly, when the fourth control signal for normal startup/stop is input from the
운전 제어부(435)는 연료전지 시스템의 시동 완료 시, 연료전지 시스템의 운전을 제어한다. 이때, 운전 제어부(435)는 연료전지 시스템이 운전하는 동안 연료전지 스택(10) 및 전장부품들의 목표 냉각 성능을 유지하도록 제어할 수 있다.The
여기서, 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10)의 파워 및 효율, 연료전지 스택(10)의 입구/출구 냉각수 온도, 라디에이터 출구 냉각수 온도, 외기온, 전장부품 소비전력 및 전장부품 비효율 등에 기초하여 연료전지 스택(10) 및 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정하고, 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량을 결정한다.Here, the
일 예로서, 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10)의 파워 및 효율에 기초하여 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다. 또한, 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도에 기초하여 제1 펌프(30)의 회전수를 결정할 수 있다. As an example, the
또한, 운전 제어부(435)는 외기온 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수 있다. 이때, 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및/또는 제1 펌프(30)의 회전수에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수도 있다. 또한, 운전 제어부(435)는 냉각팬(80)의 회전수 결정 시에 제2 펌프(205)의 회전수를 추가로 고려할 수 있다. 여기서, 운전 제어부(435)는 제2 펌프(205)의 회전수가 최대이면, 전장부품(200)의 냉각 성능을 보장하기 위하여 냉각팬(80)의 회전수를 증가시킬 수 있다. 만일, 제2 펌프(205)의 회전수가 최대이면서 냉각팬(80)의 회전수 또한 최대이면, 연료전지 시스템은 열교환기(300)를 추가로 포함할 수도 있다. 이 경우, 열교환기(300)는 제1 냉각수와 제2 냉각수를 열교환시킬 수 있다.Also, the
또한, 운전 제어부(435)는 연료전지 스택(10) 입구/출구의 냉각수 온도 및 스택 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정할 수 있다. Also, the
또한, 운전 제어부(435)는 전장부품(200)의 소비전력 및 비효율에 기초하여 전장 부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다. 이때, 운전 제어부(435)는 전장부품(200)의 소비전력 및 비효율에 기초하여 전장부품(200) 각각의 발열량을 계산하고, 계산된 각각의 발열량을 합산하여 전장부품(200) 전체의 목표 냉각 성능을 결정할 수 있다.Also, the
또한, 운전 제어부(435)는 전장부품(200)의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 이때, 운전 제어부(435)는 전장부품(200)이 목표 냉각 성능을 만족하기 위한 제2 냉각수의 유량을 결정하고, 결정된 유량에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다. 한편, 운전 제어부(435)는 연료전지 시스템이 멀티타입의 냉각팬(80, 85)을 포함하는 경우, 냉각팬(80, 85)의 회전수에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수도 있다. 또한, 운전 제어부(435)는 라디에이터(60, 70)가 냉각팬(80)을 공유하는 듀얼 타입인 경우에도 라디에이터(60, 70) 각각의 면적 및 통기 저항에 따라서 라디에이터(60, 70)에 유입되는 풍량이 다를 수 있으므로, 냉각팬(80)의 회전수와 제2 라디에이터(70)의 면적 및 통기 저항을 고려하여 제2 라디에이터(70)의 유입 풍량을 산출하고, 산출된 유입 풍량을 더 고려하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수도 있다.Also, the
운전 제어부(435)는 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량이 결정되면, 결정된 제어량에 따라 각 유닛의 동작을 제어하기 위한 제5 제어신호를 구동부(440)로 출력한다.When the control amount of the
이에, 구동부(440)는 운전 제어부(435)로부터 제5 제어신호가 입력되면, 제5 제어신호의 제어량에 기초하여 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등을 구동 시킨다.Accordingly, when the fifth control signal is input from the
이때, 운전 제어부(435)는 구동부(440)에 의해 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등이 구동되는 동안, 연료전지 스택(10) 및 전장 부품의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인한다.At this time, the
만일, 연료전지 스택(10) 및/또는 전장 부품의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 운전 제어부(435)는 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량을 조정한 제5 제어신호를 구동부(440)로 다시 출력할 수 있다.If the target cooling performance of the
따라서, 구동부(440)는 운전 제어부(435)로부터 입력된 제5 제어신호에 기초하여 조정된 제어량에 따라 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 구동시킬 수 있다. 이 경우, 제1 펌프(30), 제2 펌프(205), 냉각팬(80) 및 냉각수 온도 제어 밸브 등의 제어량을 조정함에 따라 연료전지 시스템의 운전 중 연료전지 스택(10) 및/또는 전장 부품의 목표 냉각 성능을 만족시킬 수 있다.Therefore, the driving
여기서, 구동부(440)는 도 1 내지 도 4에 도시된 연료전지 시스템을 구성하는 각 구동 유닛들, 즉, 제1 밸브(20), 제1 펌프(30), 제2 밸브(40), 히터(50), 제1 라디에이터(60), 제2 라디에이터(70), 냉각팬(80), 전장부품(200), 제2 펌프(205) 및 열교환기(300) 중 적어도 하나 이상을 구동시키는 수단이다.Here, the driving
이에, 구동부(440)는 시동 제어부(431) 및 운전 제어부(435)로부터 입력된 제1 제어신호 내지 제5 제어신호 중 적어도 하나에 기초하여 각 구동 유닛을 구동시킬 수 있다. Accordingly, the driving
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 열 관리 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The heat management operation flow of the fuel cell system according to the present invention configured as described above will be described in detail.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 제어 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating an operation flow of a method for controlling start-up of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 연료전지 시스템이 온(ON) 상태가 되면, 연료전지 시스템은 시동 제어를 수행하게 된다. 이때, 연료전지 시스템은 외기온 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도에 따라 냉 시동 또는 정상 시동 동작을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 7 , when the fuel cell system is turned on, the fuel cell system performs start-up control. At this time, the fuel cell system may perform a cold start or normal start operation according to the outside air temperature and the temperature of the cooling water at the inlet of the
이를 위해, 연료전지 시스템은 외기온 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도를 학인하고(S120), 'S120' 과정에서 확인된 외기온이 제1 온도(X1) 이하이고(S130), 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도가 기준 냉각수온(Y) 이하이면(S140), 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작을 냉 시동시킨다(S150).To this end, the fuel cell system checks the outside temperature and the temperature of the cooling water at the inlet of the fuel cell stack 10 (S120), and the outside temperature checked in the process 'S120' is equal to or less than the first temperature (X1) (S130), and the fuel cell stack (10) If the cooling water temperature at the inlet is equal to or less than the reference cooling water temperature (Y) (S140), it is determined that the cold start condition is satisfied and the thermal management control operation is cold started (S150).
연료전지 시스템은 'S150' 과정에서 열 관리 제어 동작을 위한 냉 시동을 수행하는 경우, 연료전지 스택(10)의 웜-업을 위한 동작을 수행한 상태에서 열 관리 제어 동작이 시동되도록 할 수 있다.When the fuel cell system performs a cold start for the thermal management control operation in 'S150', the thermal management control operation can be started while the operation for warming up the
한편, 연료전지 시스템은 'S120' 과정에서 확인된 외기온이 제1 온도(X1) 이하이고(S130), 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도가 기준 냉각수온(Y)을 초과하면(S140), 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작을 정상 시동시킨다(S160).On the other hand, in the fuel cell system, when the outside air temperature checked in step 'S120' is equal to or less than the first temperature X1 (S130) and the coolant temperature at the inlet of the
또한, 연료전지 시스템은 'S120' 과정에서 확인된 외기온이 제1 온도(X1)를 초과하는 경우에도(S130), 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작을 정상 시동시킬 수 있다(S160).In addition, the fuel cell system can normally start the thermal management control operation by determining that the cold start condition is not satisfied even when the outside temperature checked in step 'S120' exceeds the first temperature X1 (S130). (S160).
연료전지 시스템은 'S160' 과정에서 열 관리 제어 동작을 정상 시동시키는 경우, 연료전지 스택(10)의 웜-업을 위한 동작을 생략한 상태에서 열 관리 제어 동작이 시동되도록 할 수 있다.In the fuel cell system, when the thermal management control operation is normally started in step 'S160', the thermal management control operation may be started while omitting the warm-up operation of the
연료전지 시스템의 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 또는 정상 시동이 완료되면, 열 관리 제어 동작에 대한 운전을 수행한다(S170). 'S170' 과정에서 연료전지 시스템의 운전 중 냉각 성능을 유지시키기 위한 열 관리 제어 동작에 대해서는 도 8을 참조하도록 한다.When the cold start or normal start for the thermal management control operation of the fuel cell system is completed, operation for the thermal management control operation is performed (S170). Referring to FIG. 8 for a thermal management control operation for maintaining cooling performance during operation of the fuel cell system in step 'S170'.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 중 열 관리 제어 동작을 도시한 도면이다.8 is a diagram illustrating a thermal management control operation during operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 연료전지 시스템은 시동이 완료되고 열 관리 제어 동작의 운전을 시작하게 되면, 연료전지 스택(10) 및 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 각 구동 유닛들을 구동하면서 연료전지 스택(10) 및 전장부품의 목표 냉각 성능을 만족하는지 확인한다.Referring to FIG. 8 , the fuel cell system determines target cooling performance of the
이를 위해, 연료전지 시스템은 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인(110) 상에서 운전 중인 연료전지 스택(10)의 파워 및 효율을 확인하고, 이를 토대로 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 결정한다(811).To this end, the fuel cell system checks the power and efficiency of the
연료전지 시스템은 동작 811에서와 같이 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능이 결정되면, 결정된 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및 연료전지 스택(10) 출구의 냉각수 온도에 기초하여 제1 펌프(30)의 회전수를 결정한다(813).When the target cooling performance of the
마찬가지로, 연료전지 시스템은 동작 811에서 결정된 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능 및 동작 813에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수, 그리고 외기온 및 연료전지 스택(10) 입구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각팬(80)의 회전수를 결정할 수 있다(동작 815).Similarly, the fuel cell system is configured based on the target cooling performance of the
여기서, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 목표 냉각 성능에 따라 동작 823에서 제2 펌프(205)의 회전수가 결정되면, 결정된 제2 펌프(205)의 회전수에 따라 냉각팬(80)의 회전수를 조정할 수 있다. 일 예로, 연료전지 시스템은 동작 823에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수가 최대치로 결정되면, 전장부품(200)의 냉각 성능을 보장하기 위하여 동작 815에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수를 증가시킬 수 있다. Here, in the fuel cell system, when the rotation speed of the
또한, 연료전지 시스템은 동작 815에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수, 그리고 연료전지 스택(10) 입구 및 출구의 냉각수 온도와, 스택 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정할 수 있다(817).In addition, the fuel cell system determines the rotation rate of the cooling
이후, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인할 수 있다(819). 동작 819에서, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 동작 813 내지 동작 817에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수, 냉각팬(80)의 회전수 및 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 조정할 수 있다.Thereafter, the fuel cell system may check whether the target cooling performance of the
한편, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하는 경우, 동작 813 내지 동작 817에서 결정된 제1 펌프(30)의 회전수, 냉각팬(80)의 회전수 및 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 유지시키며 연료전지 스택(10)이 동작하도록 할 수 있다.Meanwhile, the fuel cell system controls the number of revolutions of the
연료전지 시스템은 전장부품(200)의 소비전력 및 비효율을 확인하여 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 결정할 수도 있다(821).The fuel cell system may determine the target cooling performance of the
연료전지 시스템은 동작 821에서 전장부품(200)의 목표 냉각 성능이 결정되면, 결정된 전장부품(200)의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다(823).When the target cooling performance of the
동작 823에서, 연료전지 시스템은 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 때, 동작 815에서 결정된 냉각팬(80)의 회전수를 추가로 고려할 수도 있다. 이때, 연료전지 시스템은 냉각팬(80)의 회전수와 제2 라디에이터(70)의 면적 및 통기 저항에 기초하여 제2 라디에이터(70)의 유입 풍량을 산출하고, 산출된 유입 풍량을 토대로 제2 펌프(205)의 회전수를 결정할 수 있다.In
이후, 연료전지 시스템은 운전 시 전장부품의 목표 냉각 성능을 만족하는지를 확인할 수 있다(825). 동작 825에서, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)의 목표 냉각 성능을 만족하지 않는 경우, 동작 823에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수를 조정할 수 있다. Thereafter, the fuel cell system may check whether the target cooling performance of the electric component is satisfied during operation (825). In
한편, 연료전지 시스템은 전장부품(200)의 목표 냉각 성능을 만족하는 경우, 동작 823에서 결정된 제2 펌프(205)의 회전수를 유지시키며 전장부품(200)이 동작하도록 할 수 있다.Meanwhile, when the target cooling performance of the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 시동 정지 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.9 is a diagram illustrating an operation flow of a method for starting and stopping a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 연료전지 시스템의 열 관리 제어를 위한 운전 중 시스템 오프(OFF) 요청이 있으면(S210, S220), 연료전지 시스템은 외기온을 확인한다.Referring to FIG. 9 , when there is a system off request during operation for thermal management control of the fuel cell system (S210 and S220), the fuel cell system checks the outside air temperature.
이때, 연료전지 시스템은 확인된 외기온이 제2 온도 이하이면(S230), 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작을 냉 시동 정지시키도록 한다(S240). 여기서, 제2 온도는 도 7에서 언급한 제1 온도 보다 높은 온도로 설정될 수 있다.At this time, the fuel cell system determines that the cold start stop condition is satisfied when the checked outside temperature is equal to or less than the second temperature (S230), and stops the cold start stop of the thermal management control operation (S240). Here, the second temperature may be set to a temperature higher than the first temperature mentioned in FIG. 7 .
한편, 연료전지 시스템은 확인된 외기온이 제2 온도를 초과하면(S230), 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작을 정상 시동 정지시킬 수 있다(S250).Meanwhile, the fuel cell system may normally start-stop the thermal management control operation by determining that the cold start-stop condition for the thermal management control operation is not satisfied when the checked outside temperature exceeds the second temperature (S230). ).
연료전지 시스템은 열 관리 제어 동작에 대한 냉 시동 정지 또는 정상 시동 정지가 완료되면, 시스템을 종료하도록 한다.The fuel cell system shuts down the system when the cold start stop or the normal start stop for the thermal management control operation is completed.
상기의 동작들은 정차 중인 차량에 포함된 연료전지 시스템에 의해서도 수행 가능하다. 예를 들어, 상기 동작들에 따르면 주행풍을 사용할 수 없는 차량, 예를 들어, 건설기계의 정차 중에도 냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택의 고출력을 보장하면서, 안전성 및 내구성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.The above operations can also be performed by a fuel cell system included in a stopped vehicle. For example, according to the above operations, since the temperature of the coolant can be lowered even while a vehicle incapable of using driving wind, for example, a construction machine is stopped, the effect of improving safety and durability while ensuring high output of the fuel cell stack. can be obtained.
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. The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.
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.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 연료전지 스택
30: 제1 펌프
80: 냉각팬
200: 전장부품
205: 제2 펌프
410: 외기온 측정부
420: 온도 측정부
430: 제어부
431: 시동 제어부
435: 운전 제어부
440: 구동부10: fuel cell stack 30: first pump
80: cooling fan 200: electrical parts
205: second pump 410: outside air temperature measuring unit
420: temperature measurement unit 430: control unit
431: start control unit 435: operation control unit
440: driving unit
Claims (20)
상기 제어부로부터의 제어 신호에 따라 열 관리 제어 동작의 시동, 시동 정지 또는 열 관리 제어 동작에 대응되는 부품을 구동하는 구동부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.Determining the starting and stopping method of the thermal management control operation based on at least one of the outside air temperature and the temperature of the cooling water of the fuel cell stack, maintaining the target cooling performance of the fuel cell stack and electric components, and controlling to perform the thermal management control operation control unit; and
a driving unit which drives a component corresponding to the starting or stopping of a thermal management control operation or a thermal management control operation according to a control signal from the control unit;
A fuel cell system comprising a.
상기 제어부는,
외기온 및 연료전지 스택의 냉각수 온도가 열 관리 제어 동작의 냉 시동 조건을 만족하는 경우 냉 시동 방식을 결정하고, 그렇지 않으면 정상 시동 방식을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 1,
The control unit,
A fuel cell system characterized in that a cold start method is determined when the outside air temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack satisfy a cold start condition of a thermal management control operation, and a normal start method is determined otherwise.
상기 제어부는,
외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온 이하이면, 상기 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 냉 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The control unit,
When the outside air temperature is equal to or less than the preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack is equal to or less than the reference coolant temperature, it is determined that the cold start condition is satisfied and a control signal for cold start of the thermal management control operation is output to the drive unit. A fuel cell system characterized in that for doing.
상기 제어부는,
외기온이 기 설정된 제1 온도를 초과하면, 상기 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The control unit,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the fuel cell system determines that the cold start condition is not satisfied and outputs a control signal for a normal start of a thermal management control operation to the drive unit when the outside temperature exceeds a preset first temperature.
상기 제어부는,
외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온을 초과하면, 상기 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동을 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 2,
The control unit,
When the outside air temperature is equal to or less than the preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack exceeds the reference coolant temperature, it is determined that the cold start condition is not satisfied and a control signal for normal start of the thermal management control operation is transmitted to the drive unit. A fuel cell system characterized in that the output as.
상기 제어부는,
외기온이 열 관리 제어 동작의 냉 시동 정지 조건을 만족하는 경우 냉 시동 정지 방식을 결정하고, 그렇지 않으면 정상 시동 정지 방식을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 1,
The control unit,
A fuel cell system characterized in that a cold start/stop method is determined when the outside temperature satisfies the cold start/stop condition of the thermal management control operation, and a normal start/stop method is determined otherwise.
상기 제어부는,
상기 외기온이 기 설정된 제2 온도 이하이면, 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 냉 시동 정지를 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 6,
The control unit,
The fuel cell system of claim 1 , wherein a control signal for stopping a cold start of a thermal management control operation is output to the driving unit by determining that a cold start stop condition is satisfied when the outside temperature is equal to or less than a preset second temperature.
상기 제어부는,
상기 외기온이 기 설정된 제2 온도를 초과하면, 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동 정지를 위한 제어 신호를 상기 구동부로 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 6,
The control unit,
and outputting a control signal for normal start-stop of a thermal management control operation to the drive unit by determining that a cold start-stop condition is not satisfied when the outside temperature exceeds a preset second temperature.
상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각수가 순환되는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프;
전장부품을 경유하는 제2 냉각수가 순환되는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프; 및
상기 제1 냉각라인 및 상기 제2 냉각라인 상에 배치된 라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 1,
a first pump disposed on a first cooling line through which the first cooling water passing through the fuel cell stack is circulated;
a second pump disposed on a second cooling line through which the second cooling water passing through the electrical components is circulated; and
The fuel cell system of claim 1, further comprising a cooling fan for blowing outside air to radiators disposed on the first cooling line and the second cooling line.
상기 제어부는,
열 관리 제어 동작의 시동 완료 시, 상기 연료전지 스택 및 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택 및 전장부품의 목표 냉각 성능에 따라 상기 제1 펌프, 상기 제2 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 9,
The control unit,
When the start of the thermal management control operation is completed, target cooling performance of the fuel cell stack and the electric component is determined, and the first pump, the second pump, and the first pump are determined according to the determined target cooling performance of the fuel cell stack and the electric component. A fuel cell system characterized in that the number of revolutions of the cooling fan is determined.
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 제1 펌프 및 상기 냉각팬의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 10,
The control unit,
A target cooling performance of the fuel cell stack is determined according to the power and efficiency of the fuel cell stack, and the cooling water temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack is determined based on the determined target cooling performance of the fuel cell stack, the ambient temperature, and the cooling water temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack. 1 A fuel cell system characterized in that the number of revolutions of a pump and the cooling fan is determined.
상기 제어부는,
상기 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도와 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 더 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 11,
The control unit,
The fuel cell system of claim 1 , wherein an opening amount of the cooling water temperature control valve is further determined based on the temperature of the cooling water at the inlet and outlet of the fuel cell stack and the temperature of the cooling water at the outlet of the radiator.
상기 제어부는,
상기 전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하고, 상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 제2 펌프의 회전수를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 10,
The control unit,
determining a target cooling performance of the electric component according to the power consumption and inefficiency of the electric component, and determining the rotational speed of the second pump based on the determined target cooling performance of the electric component and the outside temperature. system.
외기온을 측정하는 외기온 측정부; 및
상기 연료전지 스택 또는 전장부품을 경유하는 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.The method of claim 1,
An outside temperature measurement unit for measuring outside air temperature; and
The fuel cell system further comprising a temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooling water passing through the fuel cell stack or the electric component.
상기 열 관리 제어 동작의 시동 완료 시, 상기 연료전지 스택 및 전장부품의 목표 냉각 성능을 유지하며 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계; 및
시스템 오프(OFF) 요청이 있으면, 외기온에 기초하여 열 관리 제어 동작의 시동 정지 방식을 결정하고 상기 결정된 시동 정지 방식에 따라 시동 정지하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.determining a starting method of a thermal management control operation based on the outside air temperature and the temperature of the coolant of the fuel cell stack, and starting according to the determined starting method;
performing a thermal management control operation while maintaining target cooling performance of the fuel cell stack and electric components when starting of the thermal management control operation is completed; and
determining a starting/stopping method of a thermal management control operation based on an outside air temperature when a system off request is received, and starting/stopping the start/stop method according to the determined starting/stopping method;
A method for controlling thermal management of a fuel cell system, comprising:
상기 시동하는 단계는,
외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이고, 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온 이하이면, 냉 시동 조건을 만족하는 것으로 판단하여 냉 시동 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.The method of claim 15
The starting step is
and determining a cold start method by determining that a cold start condition is satisfied when the outside air temperature is equal to or less than a preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack is equal to or less than the reference coolant temperature. thermal management control method.
상기 시동하는 단계는,
외기온이 기 설정된 제1 온도를 초과하거나, 외기온이 기 설정된 제1 온도 이하이면서 상기 연료전지 스택의 냉각수 온도가 기준 냉각수온을 초과하면, 냉 시동 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 정상 시동 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.The method of claim 15
The starting step is
When the outside air temperature exceeds the first preset temperature or when the external air temperature is below the preset first temperature and the coolant temperature of the fuel cell stack exceeds the reference coolant temperature, it is determined that the cold start condition is not satisfied and a normal start method is determined. A method for controlling thermal management of a fuel cell system, comprising the step of:
상기 시동 정지하는 단계는,
상기 외기온이 기 설정된 제2 온도 이하이면 냉 시동 정지 조건을 만족하는 것으로 판단하여 냉 시동 정지 방식을 결정하고, 상기 외기온이 기 설정된 제2 온도를 초과하면 냉 시동 정지 조건을 만족하지 않는 것으로 판단하여 열 관리 제어 동작의 정상 시동 정지 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.The method of claim 15
In the step of starting and stopping,
If the outside temperature is less than the preset second temperature, it is determined that the cold start stop condition is satisfied and a cold start stop method is determined, and if the outside temperature exceeds the preset second temperature, it is determined that the cold start stop condition is not satisfied A method for controlling thermal management of a fuel cell system, comprising the step of determining a normal start-stop method of a thermal management control operation.
상기 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계는,
상기 연료전지 스택의 파워 및 효율에 따라 상기 연료전지 스택의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계;
상기 결정된 연료전지 스택의 목표 냉각 성능과, 외기온, 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도에 기초하여 상기 연료전지 스택을 경유하는 제1 냉각라인 상에 배치된 제1 펌프 및 냉각팬의 회전수를 결정하는 단계; 및
상기 연료전지 스택의 입구 및 출구의 냉각수 온도와 라디에이터 출구의 냉각수 온도에 기초하여 냉각수 온도 제어 밸브의 개도량을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.The method of claim 15
The step of performing the thermal management control operation,
determining a target cooling performance of the fuel cell stack according to power and efficiency of the fuel cell stack;
The number of revolutions of a first pump and a cooling fan disposed on a first cooling line passing through the fuel cell stack based on the determined target cooling performance of the fuel cell stack, outside air temperature, and cooling water temperatures at the inlet and outlet of the fuel cell stack. determining; and
and determining an opening amount of a cooling water temperature control valve based on the cooling water temperature at the inlet and outlet of the fuel cell stack and the cooling water temperature at the radiator outlet.
상기 열 관리 제어 동작을 수행하는 단계는,
전장부품의 소비전력 및 비효율에 따라 상기 전장부품의 목표 냉각 성능을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 전장부품의 목표 냉각 성능 및 외기온에 기초하여 상기 전장부품을 경유하는 제2 냉각라인 상에 배치된 제2 펌프의 회전수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 열 관리 제어 방법.The method of claim 15
The step of performing the thermal management control operation,
determining target cooling performance of the electric component according to power consumption and inefficiency of the electric component; and
determining a rotational speed of a second pump disposed on a second cooling line passing through the electrical component based on the determined target cooling performance of the electrical component and the outside air temperature; control method.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
KR1020210098470A KR20230016906A (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | Fuel cell system and thermal management control method thereof |
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