KR100837913B1 - System for warming fuel cell stack to improve cold-start performance - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템 구성을 나타낸 도면.1 is a view showing a fuel cell stack insulation system configuration for improving cold startability according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 인클로우져가 설치된 인클로우져 보온 영역을 나타낸 도면.Figure 2 is a view showing the enclosure thermal insulation area is installed enclosure according to the present invention.
도 3은 일반적인 냉시동시 스택 내부의 생성수 결빙 상태를 나타낸 도면.3 is a view showing the state of frozen water generated in the stack during a typical cold start.
도 4는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템의 작동 상태를 나타낸 순서도.Figure 4 is a flow chart showing the operating state of the fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 연료전지 스택 110 : 공기 흡입구100: fuel cell stack 110: air intake
130 : 공기 배출구 200A : 온도 센서130:
300 : 인클로우져 보온 영역 310 : 인클로우져300: enclosure thermal insulation area 310: enclosure
315 : 재순환 통로 330, 350 : 제 1 및 제 2 밸브315:
500 : 냉각수 가열 라인 510 : 바이패스 밸브500: cooling water heating line 510: bypass valve
530 : 히터 610 : 물펌프530: heater 610: water pump
700 : 컨트롤러700: controller
본 발명은 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동시 인클로우져 내에서 스택에서 배출된 따뜻한 공기를 순환시키고, 냉각수를 가열하여 스택의 운전 온도 상승을 도와주며, 빠른 시간내에 스택이 최적 운전을 할 수 있도록 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack insulation system for improving cold startability, and more particularly, to circulate warm air discharged from the stack in an enclosure during cold start, and to heat the coolant to help increase the operating temperature of the stack. The present invention relates to a fuel cell stack insulation system for improving cold startability, which enables the stack to operate optimally in time.
일반적으로 자동차 구동용으로 사용되는 연료전지는 전해질 막을 중심으로 양극(cathode)과 음극(anode) 사이를 이온이 오가면서 전자를 발생시키는 셀(cell)을 적층하여 원하는 전력을 생산하게 된다. 이렇게 여러 장의 셀이 적층된 것을 스택이라고 하며, 각각의 셀이 최적 적층 압력을 받아 구조를 유지하도록 하기 위해 복수의 셀을 적층하고 그 외부에 체결판을 결합하여 사용하게 된다.In general, a fuel cell used for driving an automobile produces a desired power by stacking cells that generate electrons as ions move between a cathode and an anode around an electrolyte membrane. The stack of several cells is called a stack, and in order to keep the structure under the optimal stacking pressure of each cell, a plurality of cells are stacked and a fastening plate is coupled to the outside thereof.
자동차용 연료전지는 어떠한 기후 조건에서도 시동 및 운전이 가능해야 하지만, 영하 또는 0도 근처의 낮은 온도에서 연료전지를 운전하면 스택에서 전기를 생산하는 것에 문제가 생기게 된다.Automotive fuel cells must be able to start up and operate in any climatic condition, but running fuel cells at temperatures below zero or near zero will create problems in producing electricity from the stack.
종래의 연료전지 시스템에서 있어서, 빙결 방지는 냉각수로서 증류수 대신 스택용으로 개발된 에틸렌 글리콜을 사용함으로써 연료전지 시스템에 사용되는 냉각수의 빙결을 막을 수 있다. 즉, 냉각수가 영하의 온도에서 보관시에 어는 것을 막을 수 있다.In the conventional fuel cell system, the freezing prevention can prevent freezing of the cooling water used in the fuel cell system by using ethylene glycol developed for the stack as cooling water instead of distilled water. That is, the cooling water can be prevented from freezing when stored at subzero temperatures.
하지만, 연료전지 스택은 영하의 온도가 된 상태, 또는 영하의 차가운 에틸렌 글리콜 냉각수가 스택 냉각 회로를 돌 때에 운전되면, 이때 생기는 캐소드(Cathode)측의 생성수가 바로 얼어 버리는 현상이 발생되며, 생성수가 언 지역은 산소와 수소의 반응을 방해하는 지역이 되어서 스택에서 전기를 생산하는 것을 방해하게 된다. 이러한 현상이 유지되면, 영하에서 연료전지 차량을 장시간 방치시에 비록 냉각수의 빙결을 막는 에틸렌 글리콜을 사용한다 해도, 스택의 생성수가 얼어서 차량 운행이 불가능한 경우가 발생하게 된다.However, when the fuel cell stack is operated at a subzero temperature or when the cold ethylene glycol coolant flows below the stack cooling circuit, the generated water on the cathode side immediately freezes. The frozen area becomes an area that interferes with the reaction of oxygen and hydrogen, preventing the stack from producing electricity. If such a phenomenon is maintained, when the fuel cell vehicle is left for a long time under freezing, even if ethylene glycol is used to prevent freezing of the cooling water, the generated water in the stack may freeze, making the vehicle impossible to operate.
따라서, 종래에는 냉시동성 개선 및 저온 상태에서 스택의 온도 상승을 빠르게 해 주기 위해서 다음과 같은 기술이 적용되고 있다.Therefore, in the related art, the following techniques have been applied to improve the cold startability and increase the temperature of the stack in a low temperature state.
스택 운전 종료 후, 스택 냉각수를 스택에서 드레인(drain)시켜서, 영하 온도 조건 이하에서는 스택 내의 냉각수가 없도록 하여 스택이 동결되는 것을 지연하며, 스택 운전시에는 물펌프 등을 이용하여 드레인된 물을 스택에 다시 공급하여 냉각수를 스택 냉각에 사용한다. 이는 물을 드레인시키는 추가적인 장치가 필요하며, 드레인된 물도 얼기 때문에 이 얼은 물을 녹이는 장치가 또 필요하며 이에 따른 시동 시간이 길어지는 단점이 있다.After the stack operation is finished, the stack cooling water is drained from the stack, and the freezing water is delayed by freezing the cooling water in the stack below the freezing temperature. During the stack operation, the drained water is stacked using a water pump or the like. The coolant is then used to cool the stack. This requires an additional device for draining the water, and since the drained water also freezes, this frozen water dissolving device is also needed, which leads to a long startup time.
또한, 스택을 버너 등을 이용하여 가열하는 경우가 있는데, 상기 버너는 수소를 이용하는 것으로 이로 인해 수소 이용률이 저하되며(차량 연비 저하), 버너와 같은 추가 장비가 필요하고, 불을 이용하므로 안전상 문제점이 있다. In addition, the stack may be heated using a burner or the like, and the burner uses hydrogen, which lowers the hydrogen utilization rate (vehicle fuel economy), requires additional equipment such as a burner, and uses a fire. There is this.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 스택 에서 배출된 공기를 재순환하여 스택의 온도를 상승시켜 보온할 수 있도록 인클로우져 보온 영역을 형성하고, 스택 내의 생성수가 얼지 않도록 냉각수를 가열시키는 냉각수 가열 라인을 설치함으로써 영하의 온도에서도 쉽게 냉시동이 되도록 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to form an enclosed insulating region to keep warm by increasing the temperature of the stack by recirculating the air discharged from the stack, the cooling water to prevent the generated water in the stack freezing By providing a cooling water heating line for heating to provide a fuel cell stack insulation system for improving the cold startability to be easily cold start even at sub-zero temperatures.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소와 공기, 냉각수 및 반응 생성수가 흐르는 매니폴드가 형성되며, 양측에는 공기 흡입구 및 공기 배출구가 형성되고, 내부에는 온도 센서가 설치된 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택의 외부 전체를 감싸며 설치된 인클로우져 내부에 냉시동시 상기 연료전지 스택에서 배출된 공기를 순환시킬 수 있도록 재순환 통로가 설치된 인클로우져 보온 영역; 및 냉시동시 상기 온도 센서로부터 감지된 온도 값을 입력받아 상기 연료전지 스택에서 배출된 공기가 상기 인클로우져 보온 영역을 재순환하여 상기 연료전지 스택의 온도를 상승시키도록 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a manifold flowing hydrogen and air, cooling water and reaction generation water is formed, the air inlet and the air outlet is formed on both sides, the fuel cell stack is installed inside; An enclosure insulation region in which a recirculation passage is installed so as to circulate air discharged from the fuel cell stack during cold start in an enclosure installed to cover the entire exterior of the fuel cell stack; And a controller configured to control the air discharged from the fuel cell stack to increase the temperature of the fuel cell stack by recirculating the enclosure insulation region by receiving a temperature value sensed by the temperature sensor during cold startup. It provides a fuel cell stack insulation system for improving the cold start.
상기 인클로우져는 상기 연료전지 스택과 이격되어 설치된 내부 케이스와, 상기 내부 케이스와 이격된 영역에 상기 연료전지 스택에서 배출된 공기가 순환할 수 있도록 상기 재순환 통로가 형성된 외부 케이스로 구성된 것을 특징으로 한다.The enclosure may include an inner case spaced apart from the fuel cell stack, and an outer case in which the recirculation passage is formed to circulate air discharged from the fuel cell stack in a region spaced apart from the inner case.
상기 연료전지 스택에는 정상 운전시 배출되는 냉각수를 순환시킬 수 있도록 물펌프 및 라디에이터를 포함하는 순환 경로가 연결 설치되어 있으며, 냉시동시 냉각수를 상기 라디에이터로 유입시키지 않고 바이패스시켜 가열할 수 있도록 상기 물펌프와 라디에이터 사이에 바이패스 밸브와 히터를 포함하는 냉각수 가열 라인이 더 연결 설치된 것을 특징으로 한다.The fuel cell stack is connected to a circulation path including a water pump and a radiator so as to circulate the cooling water discharged during normal operation, and the water so that the cooling water can be bypassed and heated by the radiator during cold start-up. A coolant heating line including a bypass valve and a heater is further connected between the pump and the radiator.
상기 인클로우져 보온 영역에는 냉시동시 상기 연료전지 스택과 연결 설치된 상기 공기 배출구를 차단하는 동시에 상기 재순환 통로를 개방시켜 상기 연료전지 스택에서 배출된 공기를 상기 재순환 통로로 유입시키는 제 1 밸브와, 상기 연료전지 스택의 온도 상승시 상기 재순환 통로에서 순환된 공기를 외부로 배출시키는 제 2 밸브가 더 설치된 것을 특징으로 한다.A first valve for blocking the air outlet installed to be connected to the fuel cell stack during cold start and opening the recirculation passage to introduce air discharged from the fuel cell stack into the recirculation passage; A second valve for discharging the air circulated in the recirculation passage to the outside when the temperature of the stack rises is further installed.
상기 내부 케이스는 상기 외부 케이스보다 열전도율이 더 높은 재질인 것을 특징으로 한다.The inner case is characterized in that the material has a higher thermal conductivity than the outer case.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된, 도 1은 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 인클로우져가 설치된 인클로우져 보온 영역을 나타낸 도면이고, 도 3은 일반적인 냉시동시 스택 내부의 생성수 결빙 상태를 나타낸 도면이다.Attached, Figure 1 is a view showing the configuration of the fuel cell stack insulation system for improving the cold startability according to the present invention, Figure 2 is a view showing the enclosure insulation region is installed enclosure according to the present invention, Figure 3 is a general cold start It is a figure which shows the frozen water produced state in a stack.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템은 연료전지 스택(100)에서 배출된 공기 및 연료전지 스택(100)으로 공급되는 냉각수를 이용하여 냉시동시 스택의 온도를 상승시켜 빠른 시간내에 최대 성능을 갖도록 하며, 연료전지 스택(100)과, 인클로우져(310), 재순환 통로, 제 1 밸브(330), 제 2 밸브(350)가 구비된 인클로우져 보온 영역(300)과, 바이패스 밸브(510), 히터(530)가 구비된 냉각수 가열 라인(500)과, 이를 제어하는 컨트롤러(700)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to the present invention uses air discharged from the
도면에 미도시된 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 수소 이온(H+)이 전달되는 전해질막(electrolyte membrane)을 사이에 두고 양측으로 수소가 공급되는 연료극(anode, 이하, 아노드) 및 공기가 공급되는 공기극(cathode, 이하, 캐소드)이 구비된 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 분리판이 순차적으로 적층된 다수의 단위전지에 집전판 및 체결판(엔드플레이트)이 결합되어 연료전지 스택을 형성되는 바, 각각의 길이 방향 양단부에는 수소와 공기, 냉각수가 출입하는 복수개의 사각공 모양의 입출구 매니폴드가 형성된다. 또한, 상기 연료전지 스택은 각각의 매니폴드를 통해서 전기 화학적 반응을 위한 수소와 공기, 냉각수 및 반응 생성수가 흐른다.The fuel cell, not shown in the drawing, is an apparatus for generating electrical energy by reacting hydrogen and oxygen, and an anode in which hydrogen is supplied to both sides with an electrolyte membrane through which hydrogen ions (H + ) are transferred. And a current collector plate and a fastening plate in a plurality of unit cells in which a membrane-electrode assembly (MEA) having a cathode and a cathode supplied with air and a separator plate are sequentially stacked. (End plates) are combined to form a fuel cell stack, and a plurality of square hole-shaped inlet and outlet manifolds into which hydrogen, air, and coolant flow in and out are formed at both ends of each longitudinal direction. In addition, the fuel cell stack flows hydrogen, air, cooling water, and reaction water for electrochemical reaction through each manifold.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수소와 공기, 냉각수 및 반응 생성수가 흐르는 매니폴드(M)가 형성된 상기 연료전지 스택(100)은 내부에 온도 센서(200A)가 설치되며, 외부에는 인클로우져(310)가 연료전지 스택(100) 외부 전체를 감싸며 설치된다.As illustrated in FIGS. 1 and 2, the
상기 인클로우져(310)는 내부 케이스(311)와 외부 케이스(313)로 구성되고, 상기 내부 케이스(311)는 상기 연료전지 스택(100)과 이격되어 설치되며, 상기 외부 케이스(313)는 상기 내부 케이스(311)와 이격되어 설치되어지되, 내부 케이스(311)는 외부 케이스(313)보다 열전도율이 더 높은 재질로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.The
상기 연료전지 스택(100) 외부에 설치된 상기 인클로우져(310)의 상기 내부 케이스(311)와 외부 케이스(313) 사이의 영역에는 상기 연료전지 스택(100)에서 반응하고 배출된 따뜻한 공기가 순환할 수 있는 재순환 통로(315)가 형성된다.Warm air discharged from the
상기 연료전지 스택(이하, 스택이라 칭함, 100)의 일측에는 공기 흡입구(110)가 형성되고, 타측에는 공기 배출구(130)가 형성되며, 상기 재순환 통로(315)와 각각 연통되어 설치되는 것이 바람직하다. An
상기 공기 배출구(130)에는 제 1 밸브(330)가 설치되어 있으며, 상기 제 1 밸브(330)는 솔레노이드 밸브로 구성되어 상기 스택(100) 내부에 설치된 온도 센서(200A)에 의해 스택(100)의 온도가 적정 온도 이하인 것으로 감지되는 경우 즉, 냉시동시인 경우에는, 상기 공기 배출구(130)를 차단하는 동시에 재순환 통로(315)를 개방하여 스택(100)에서 배출된 따뜻한 공기가 재순환 통로(315)로 순환하도록 해준다.The
상기 스택(100)에서 배출된 따뜻한 공기는 외부로 나가지 않고 재순환 통로(315)를 순환하여 상대적으로 대기 온도보다 따뜻한 배출 공기로 스택(100)의 온도 상승을 도와주며, 동시에 인클로우져(310)는 스택(100)에서 발생하는 열이 스택 외부로 나가지 않도록 하여 저온 보관에 의해 차가워진 스택(100)의 온도를 빨리 상승시킬 수 있도록 보온 역할을 한다.The warm air discharged from the
또한, 상기 인클로우져(310)의 외부 케이스(313) 하측에는 제 2 밸브(350)가 설치되며, 상기 제 2 밸브(350)는 솔레노이드 밸브로 구성되어 상기 재순환 통 로(315)를 순환하며 상기 스택(100)의 온도 상승을 도와준 공기를 외부로 배출하기 위하여 개폐하도록 설치된다.In addition, a
따라서, 냉시동시 상기 스택(100)에서 반응하고 배출된 따뜻한 공기는 상기 제 1 밸브(330)의 개방에 의해 상기 재순환 통로(315)를 따라 순환하며 스택(100)의 온도 상승을 도와주게 되고, 얼마후 스택(100)의 온도가 상승되면, 상기 따뜻한 공기는 제 2 밸브(350) 개방에 의해 외부로 배출된다.Therefore, the warm air reacted and discharged from the
한편, 상기 스택(100) 내에는 반응후의 생성수가 얼지 않도록 하여 상기 온도 센서(200A)로부터 감지된 영하의 온도에서도 쉽게 냉시동이 되도록 연료전지 냉각수의 온도를 상승시켜 주는 냉각수 가열 라인(500)이 설치된다.On the other hand, in the
도 3에 도시된 바와 같이, 일반적으로 영하의 조건에서 스택(100)의 분리판(S)의 냉각수 통로(C)에 영하의 냉각수가 흐를 때, 캐소드에 공급되는 공기 중의 산소와 아노드에 공급되는 수소가 전극막에서 반응을 하게 되면 전기가 발생됨과 동시에 캐소드측에 생성수가 생기게 되는데, 이때 생성된 생성수는 상기 분리판(S)의 차가운 온도에 의해 스택(100) 내에서 얼게 된다.As shown in FIG. 3, when sub-zero cooling water flows into the cooling water passage C of the separator S of the
생성수가 언 상기 스택(100) 내부에서는 생성수 결빙(I)으로 인해 화학 반응에 참여하지 못하는 전극막(E)이 생기게 되어, 산소와 수소가 스택(100)에 공급되더라도 운전시 필요한 전기를 생성하기 어려워 연료전지 시스템의 정상적인 운전이 어렵게 되므로, 냉시동이 쉽도록 냉각수를 가열하여 스택(100)의 온도를 상승시켜 주는 냉각수 가열 라인(500)이 설치되어야 한다.In the
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 가열 라인(500)은 바이패스 밸 브(510)와 히터(530)를 포함하여 구성되는 바, 상기 스택(100)과 연결 설치된 물펌프(610)에 의해 공급되는 냉각수가 흐르는 순환 경로 상에 설치되며, 상기 물펌프(610)와 라디에이터(630) 사이에 연결 설치되어 정상 운전시보다 짧은 바이패스 경로를 가지도록 설치되는 것이 더욱 바람직하다.As shown in FIG. 1, the cooling
즉, 상기 물펌프(610)와 라디에이터(630) 사이에는 바이패스 밸브(510)가 설치되며, 냉시동시 상기 바이패스 밸브(510)를 통과한 냉각수를 가열시킬 수 있도록 히터(530)가 연결 설치된다.That is, a
상기 바이패스 밸브(510)는 냉시동시 상기 물탱크(610)로부터 공급된 냉각수가 라디에이터(630)를 통과하지 않고 우회하여 히터(530)로 유입되도록 해주며, 정상 운전시에는 냉각수가 라디에이터(630)를 통과할 수 있도록 해준다.The
상기 히터(530)는 상기 스택(100)에서 생성되는 전기를 이용하여 가동되어 냉각수의 온도를 올려주며, 온도가 상승된 냉각수는 상기 스택(100) 내부로 유입되어 스택(100) 내의 생성수가 얼지 않도록 해준다.The
한편, 영상의 온도 조건 즉, 영상 20도 정도 이하에서 운전시 냉각수가 바이패스 밸브(510)를 걸쳐 상기 라디에이터(630)로 정상 순환하는 경우, 상기 스택(100) 자체의 온도, 그리고 냉각수의 온도 등으로 인해 스택(100)의 최적 온도 조건이 유지되지 못하는 경우가 생기게 된다.On the other hand, when the coolant circulates normally through the
실제로 영상 3도 정도에서 20-60kph 주행 조건으로 차량 운전시에는 상기 스택(100)의 온도가 65도 미만으로 운전되어 최대 성능을 발휘하기 어려우며, 또한 이로 인해 캐소드측에서 생성수가 기화되지 않고 액체 상태로 되어 플로 딩(flooding) 현상이 발생하여 스택(100) 내에서 국부적으로 셀 전압이 저하되는 현상이 발생하게 된다. 따라서, 이런 경우 본 발명을 통하여 스택(100)에서 배출되는 따뜻한 공기로 스택(100)을 보온 및 가열해주면 스택(100) 내에서 플로딩(flooding) 현상을 막을 수 있어 안정적인 스택(100) 출력을 얻을 수 있으며, 최적 성능을 유지할 수 있다.In fact, when the vehicle is driven at 20-60kph driving conditions at about 3 degrees, the temperature of the
또한, 본 발명은 외기 온도를 감지할 수 있는 외기 온도 센서(200B)가 연결 설치되며, 차량 운전시 상기 외기 온도 센서(200B)에 의해 감지된 외기 온도가 영상이지만 비교적 낮은 범위(영상 20도 이하의 조건)일 때, 스택(100)의 운전 온도 상승을 도와 주어 빠른 시간내에 스택(100)이 최적 운전을 할 수 있는 조건(영상 65도~75도의 온도 조건)을 조성할 수 있으며, 최적 온도 유지가 유리하도록 도와주어 차량 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention is connected to the outside
상기 구성들을 작동할 수 있도록 제어하는 컨트롤러(700)는 상기 인클로우져 보온 영역(300)과 냉각수 가열 라인(500)에 연결 설치되어 상기 스택(100) 내부의 온도 센서(200A) 및 외기 온도 센서(200B)에 감지된 온도 값을 입력받아 이를 연산하고, 연산된 결과값에 따라 상기 인클로우져 보온 영역(300)의 제 1 밸브(330) 및 제 2 밸브(350)를 제어하며, 또한, 냉각수 가열 라인(500)의 바이패스 밸브(510) 및 히터(530)를 제어하게 된다.The
상기 컨트롤러(700)는 스택(100) 내부 및 외기의 온도 값을 입력받아 온도가 영하일 경우, 상기 인클로우져 보온 영역(300)의 제 1 밸브(330)인 솔레노이드 밸브를 제어하여 스택(100)에서 배출된 따뜻한 공기가 재순환 통로(315)를 순환하도 록 한다.The
또한, 상기 컨트롤러(700)는 스택(100) 내부 및 외기의 온도 값을 입력받아 온도가 영하의 온도시 냉각수 가열 라인(500)의 바이패스 밸브(510)를 제어하여 냉각수가 히터(530)를 통과하도록 제어함으로써, 히터(530)가 스택(100)에서 생성된 전기를 이용하여 냉각수를 가열할 수 있도록 제어하는 동시에 단시간에 스택(100)의 온도를 빨리 높이기 위하여 냉각수 유량을 제어한다.In addition, the
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operating state of the fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to an embodiment of the present invention configured as described above are as follows.
첨부된, 도 4는 본 발명에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템의 작동 상태를 나타낸 순서도이다.4 is a flowchart illustrating an operating state of the fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템을 가동하게 되면, 스택(100) 내부에 설치된 온도 센서(200A) 및 외기 온도를 감지하기 위하여 외부에 설치된 외기 온도 센서(200B)에 의해 스택 및 외기 온도를 감지하게 된다.As shown in FIG. 4, when the fuel cell system is operated, the stack and outside temperature are controlled by the
상기 온도 센서(200A) 및 외기 온도 센서(200B)에 감지된 온도 값을 입력받은 컨트롤러(700)는 이를 연산하여 영하의 온도시, 즉 냉시동을 할 수 있도록 스택(100)의 온도를 상승시키기 위하여 스택(100) 외부에 설치된 인클로우져 보온 영역(300)과, 냉각수 가열 라인(500)을 제어하게 된다.The
상기 컨트롤러(700)는 영하의 온도시, 상기 컨트롤러(700)는 스택(100)에서 배출되는 따뜻한 공기가 재순환 통로(315)로 유입할 수 있도록 상기 인클로우져 보온 영역(300)의 제 1 밸브(330)를 제어하며, 즉, 공기 배출구(130)를 차단하는 동 시에 재순환 통로(315)를 개방하여 상기 따뜻한 공기가 외부로 배출되지 않고 재순환 통로(315)를 따라 재순환하게 된다.When the
인클로우져(310)의 내부 케이스(311)와 외부 케이스(313) 사이의 재순환 통로(315)에서 재순환하는 따뜻한 공기로 인해 스택(100)의 온도는 상승되며, 스택(100)의 온도가 상승되어 연료전지 시스템은 다시 최적의 성능을 발휘하게 되면, 컨트롤러(700)는 제 2 밸브(350)를 제어하며, 재순환 통로(315)에 순환된 따뜻한 공기를 배출할 수 있도록 제 2 밸브(350)를 개방하도록 한다.The warm air recirculating in the
또한, 냉시동시 상기 컨트롤러(700)는 입력받은 영하의 온도에 따라 물펌프(610)로부터 공급되는 냉각수를 가열하기 위하여 냉각수 가열 라인(500)의 바이패스 밸브(510)를 제어하며, 바이패스된 냉각수는 정상 운전시 유입되는 라디에이터(630)로 유입되지 않고, 우회하여 히터(530)로 유입하게 된다.In addition, during cold start, the
상기 컨트롤러(700)는 스택(100)에서 생성된 전기를 이용하여 히터(530)를 가동시키고, 히터(530)로 유입된 냉각수를 더 빨리 가열할 수 있도록 유량을 제어하며, 가열된 냉각수는 스택(100) 내부로 유입되어 스택(100)의 온도를 상승시켜 스택(100)내의 생성수를 얼지 않게 해준다.The
그리고, 상승된 스택(100)의 온도를 감지하여 최적의 영상 온도가 되면, 연료전지 시스템은 정상 운전을 하게 된다.Then, when the temperature of the
본 발명은 냉시동시 스택(100)에서 배출된 공기가 외부로 바로 배출되지 않고 인클로우져 보온 영역(300)에 의해 스택(100)의 온도를 상승시켜 주며, 동시에 연료전지 냉각수도 냉각수 가열 라인(500)에 의해 냉각수를 가열하여 스택(100)내 의 생성수가 얼지 않도록 하여 영하의 온도에서도 냉시동을 효율적으로 향상시키는 장점이 있다.According to the present invention, the air discharged from the
한편, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.On the other hand, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the invention claimed in the claims can be variously modified. Of course, such changes are intended to be within the scope of the claims set forth.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템은 영하의 온도에서 냉시동시 냉각수를 가열하여 외기 온도보다 5~20도 높은 스택 배출 공기로 스택을 보온 및 가열해 줌으로써 냉시동시 발생할 수 있는 캐소드측의 스택 생성수의 결빙을 방지하며, 비교적 낮은 대기 온도에서 스택 캐소드측에서 생성수의 액체 상태로 변환하는 것을 방지하여 스택의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the fuel cell stack insulation system for improving cold startability according to an embodiment of the present invention heats the coolant during cold start at subzero temperature to insulate the stack with stack exhaust air 5 to 20 degrees higher than the outside temperature. The heating prevents freezing of the stack produced water on the cathode side which may occur during cold start, and prevents the formation of the generated water on the stack cathode side in the liquid state at a relatively low ambient temperature, thereby improving the durability of the stack.
또한, 스택 외부에 설치된 인클로우져의 재순환 통로에서 순환되는 스택에서 배출된 공기를 이용함으로써 추가적인 전기 소비 없이 스택의 온도를 상승하며 유지하여 연료전시 시스템의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.In addition, by using the air discharged from the stack circulated in the recirculation passage of the enclosure installed outside the stack, the temperature of the stack is raised and maintained without additional electricity consumption, thereby improving the efficiency of the fuel display system.
그리고, 냉각수에 공급되는 라인에 바이패스 밸브 및 히터를 설치함으로써 온도 상승을 시킬 물량을 최소화하여 냉시동을 위한 추가 소비되는 전기량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.In addition, by installing a bypass valve and a heater in the line supplied to the cooling water, the amount of temperature to be raised may be minimized, thereby minimizing the amount of additional electricity consumed for cold start.
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