KR102674659B1 - 연료전지의 냉각 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
연료전지 스택의 단위 셀 사이에 형성된 분리판과 분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 단계; 추정한 분리판의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계; 및 추정한 분리판의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계;를 포함하는 연료전지의 냉각 제어방법이 소개된다.
Description
본 발명은 연료전지의 냉각 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 연료전지 스택의 내부 온도를 정확하게 추정하고, 연료전지 스택을 냉각시키는 냉각수의 온도와 유량을 제어하는 냉각 제어에 관한 것이다.
연료전지는 수소공급장치 및 공기공급장치에서 각각 공급된 수소와 산소의 산화 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로 전기 에너지를 생산하는 연료전지 스택 및 이를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 등을 포함하고 있다.
즉, 연료전지 스택의 애노드(Anode)측에는 수소가 공급되고, 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드(Cathode)로 이동한다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 발생한다.
이러한 화학반응에 의해 연료전지 스택에는 전기에너지와 함께 열에너지가 발생한다. 이러한 열에너지에 의해 연료전지 스택이 과열되어 열화되는 등의 문제를 방지하기 위하여 연료전지 스택은 냉각 시스템을 포함한다. 특히, 연료전지 스택에 포함된 단위 셀마다 사이사이에 냉각수가 유동되는 냉각유로를 형성하여 연료전지 스택을 냉각시키는 수냉식 냉각 시스템이 주로 이용된다.
이러한 냉각 시스템에서는 연료전지 스택의 온도를 직접 측정하기 어려워, 연료전지 스택을 통과하여 배출되는 냉각수 출구온도를 이용하여 간접적으로 추정한다. 또한, 추정한 연료전지 스택의 온도에 따라 라디에이터를 통과한 냉각수와 라디에이터를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 제어하는 써모스탯 또는 냉각수를 유동시키는 펌프를 제어하여 연료전지 스택의 냉각량을 제어한다.
다만, 이러한 제어방법에 따르면 가변되는 연료전지 스택의 온도를 신속하게 반영하여 추정하기 어렵고, 펌프의 소모동력이 불필요하게 발생하여 연비가 저하되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 분리판과 냉각수 사이의 열 교환량에 따라 연료전지 스택의 온도를 추정하고, 이에 따라 전자식 써모스탯과 냉각수 펌프를 제어하여 연료전지 스택의 냉각량을 제어하는 방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉각 제어시스템은 단위 셀 사이에 분리판이 형성된 연료전지 스택; 내부에 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수가 유동되는 냉각라인; 냉각라인에 위치되고, 외부와 열교환을 통하여 냉각라인 내부의 냉각수를 냉각시키는 열교환장치; 냉각라인의 열교환장치를 통과하기 이전 지점에서 분기되고, 열교환장치를 바이패스하여 냉각라인의 열교환장치를 거친 이후 지점에서 합류되는 바이패스라인; 냉각라인에서 바이패스라인이 분기되거나 합류되는 지점에 위치되어 냉각라인과 바이패스라인에서 각각 유입되는 냉각수 사이의 비율을 조절하는 온도조절장치; 분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수와 분리판 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 온도추정기; 및 온도추정기에서 추정한 분리판의 온도를 기반으로 온도조절장치를 제어하는 개도제어기;를 포함한다.
온도조절장치는 전자식 써모스탯(Thermostat)이고, 개도제어기에서는, 냉각라인과 바이패스라인으로 유동되는 냉각수의 유량이 조절되도록 온도조절장치 사이의 개도를 조절할 수 있다.
냉각라인의 연료전지 스택으로 유입되는 위치 및 연료전지 스택에서 배출되는 위치에 각각 마련되어 냉각수의 온도를 측정하는 제1온도센서 및 제2온도센서;를 더 포함하고, 온도추정기는, 제1온도센서 및 제2온도센서에서 각각 측정한 냉각수 입구온도 및 출구온도와 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택 및 냉각수와의 열교환에 따른 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
개도제어기는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 냉각라인에서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도로 제어되도록 온도조절장치를 제어하고, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우에는 냉각라인에서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어되도록 온도조절장치를 제어할 수 있다.
냉각라인에 위치되어 냉각라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각펌프; 및 온도추정부에서 추정한 분리판의 온도 또는 온도조절장치에서 조절하는 냉각수의 비율을 기반으로 냉각펌프의 회전속도를 제어하는 펌프제어기;를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉각 제어방법은 연료전지 스택의 단위 셀 사이에 형성된 분리판과 분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 단계; 추정한 분리판의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계; 및 추정한 분리판의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계;를 포함한다.
분리판의 온도를 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 입구와 출구에서 각각 측정한 냉각수의 온도 및 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택 및 냉각수와의 열교환에 따른 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
분리판의 온도를 추정하는 단계에서는, 분리판의 초기 온도는 냉각수의 온도와 동일한 것으로 가정하고, 연료전지 스택의 발열에 의한 가열 및 분리판 사이로 유동되는 냉각수와 열교환에 의한 냉각에 따른 분리판의 온도 변화를 추정하여 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 전자식 써모스탯(Thermostat)의 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도 또는 열교환장치를 바이패스한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도를 제어할 수 있다.
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우에는 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도를 기설정된 목표온도에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어할 수 있다.
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도로 제어할 수 있다.
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가감한 목표회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우, 가변량은 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도에 비례할 수 있다.
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우, 가변량은 기설정된 비율에 비례할 수 있다.
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되기 전까지는 기설정된 회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되면 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가산한 목표회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 냉각 제어방법은 연료전지 스택의 온도를 추정하는 단계; 추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계; 및 추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 연료전지의 냉각 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 선제적으로 연료전지 스택의 온도 제어를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 분리판의 온도를 추정함에 따라 가변하는 연료전지 스택의 온도를 신속하게 반영하여 정확하게 추정할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 냉각수를 순환시키는 펌프의 소모전력이 최소화되어 연비가 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 전류 및 이에 따른 분리판의 온도 관계를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프의 회전속도를 제어하는 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 전류 및 이에 따른 분리판의 온도 관계를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프의 회전속도를 제어하는 구성도를 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어시스템은 단위 셀 사이에 분리판이 형성된 연료전지 스택(10); 내부에 연료전지 스택(10)을 냉각하는 냉각수가 유동되는 냉각라인(20); 냉각라인(20)에 위치되고, 외부와 열교환을 통하여 냉각라인(20) 내부의 냉각수를 냉각시키는 열교환장치(40); 냉각라인(20)의 열교환장치(40)를 통과하기 이전 지점에서 분기되고, 열교환장치(40)를 바이패스하여 냉각라인(20)의 열교환장치(40)를 거친 이후 지점에서 합류되는 바이패스라인(30); 냉각라인(20)에서 바이패스라인(30)이 분기되거나 합류되는 지점에 위치되어 냉각라인(20)과 바이패스라인(30)에서 각각 유입되는 냉각수 사이의 비율을 조절하는 온도조절장치(50); 분리판 사이로 유동되는 냉각라인(20) 내부의 냉각수와 분리판 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 온도추정기(60); 및 온도추정기(60)에서 추정한 분리판의 온도를 기반으로 온도조절장치(50)를 제어하는 개도제어기(51);를 포함한다.
연료전지 스택(10)은 내부에 포함된 단위 셀에서 수소와 공기를 각각 공급받고, 내부에서 화학반응을 통하여 전기에너지를 발전한다. 수소와 산소의 화학 반응에 따라 연료전지 스택(10)의 내부에는 열에너지가 발생하고, 내구성 및 발전 성능을 위하여 연료전지 스택(10)은 적정한 온도 범위로 제어되어야 한다.
연료전지 스택(10)은 내부의 포함된 단위 셀들 사이에 분리판이 형성되고, 분리판 사이로 냉각수가 분리판 사이의 냉각수 유로를 따라 유동되면서 연료전지 스택(10)을 냉각시킨다. 냉각라인(20)은 냉각수 유로로 연결되어 냉각수를 유동시키면서 연료전지 스택(10)을 냉각시킨다.
열교환장치(40)는 냉각라인(20) 내부에 포함된 냉각수의 열을 외부로 방출하는 방열기로, 라디에이터(Radiator) 및 방열팬을 포함할 수 있다. 냉각라인(20)의 냉각수는 열교환장치(40)를 통과하면서 외부와 열교환되면서 냉각된다.
바이패스라인(30)은 열교환장치(40)를 바이패스하도록 냉각라인(20)의 열교환장치(40)를 통과하기 이전 지점에서 분기되고, 냉각라인(20)의 열교환장치(40)를 거친 이후 지점에서 합류된다. 냉각수의 승온 또는 냉각수의 온도를 적절하게 유지하기 위한 목적으로 바이패스라인(30)이 형성된다.
온도조절장치(50)는 바이패스라인(30)과 냉각라인(20)의 냉각수 유량을 조절할 수 있다. 즉, 온도조절장치(50)는 냉각라인(20)에서 바이패스라인(30)이 분기되거나 합류되는 지점에 위치되어 냉각라인(20)과 바이패스라인(30)에서 각각 유입되는 냉각수 사이의 비율을 조절한다. 이에 따라, 연료전지 스택(10)의 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
온도추정기(60)는 분리판 사이로 유동되는 냉각라인(20) 내부의 냉각수와 분리판 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정한다. 분리판 사이를 유동하는 냉각수와 분리판 사이의 열교환을 추정하여 분리판의 온도 변화를 추정할 수 있다.
개도제어기(51)는 추정한 분리판의 온도를 이용하여 온도조절장치(50)를 제어함으로써 연료전지 스택(10)의 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 연료전지 스택(10)의 내부 온도를 정확하게 추정하고, 온도조절장치(50)를 이용하여 선제적인 연료전지 스택(10)의 온도를 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로, 온도조절장치(50)는 전자식 써모스탯(Thermostat)이고, 개도제어기(51)에서는, 냉각라인(20)과 바이패스라인(30)으로 유동되는 냉각수의 유량이 조절되도록 온도조절장치(50) 사이의 개도를 조절할 수 있다.
온도조절장치(50)는 냉각라인(20)에 형성되어 열교환장치(40)를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브 또는 바이패스라인(30)에 형성되어 열교환장치(40)를 바이패스한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브를 포함하는 써모스탯이고, 개도제어기(51)는 냉각수의 목표온도를 추종하도록 써모스탯에 포함된 밸브의 개도가 제어할 수 있다.
냉각라인(20)의 연료전지 스택(10)으로 유입되는 위치 및 연료전지 스택(10)에서 배출되는 위치에 각각 마련되어 냉각수의 온도를 측정하는 제1온도센서(70) 및 제2온도센서(80);를 더 포함하고, 온도추정기(60)는, 제1온도센서(70) 및 제2온도센서(80)에서 각각 측정한 냉각수 입구온도 및 출구온도와 연료전지 스택(10)의 발열량을 이용하여 연료전지 스택(10) 및 냉각수와의 열교환에 따른 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
제1온도센서(70)는 연료전지 스택(10)의 입구에서 냉각수 입구온도를 측정하고, 제2온도센서(80)는 연료전지 스택(10)의 출구에서 냉각수 출구온도를 측정할 수 있다.
냉각라인(20)에 위치되어 냉각라인(20) 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각펌프(90); 및 온도추정부에서 추정한 분리판의 온도 또는 온도조절장치(50)에서 조절하는 냉각수의 비율을 기반으로 냉각펌프(90)의 회전속도를 제어하는 펌프제어기(91);를 더 포함할 수 있다.
냉각펌프(90)는 냉각라인(20) 내부의 냉각수를 순환시키도록 냉각라인(20)에 위치될 수 있다. 펌프제어기(91)는 냉각펌프(90)의 회전속도를 제어하여 냉각라인(20)에 포함된 냉각수의 순환되는 유량을 제어할 수 있다.
개도제어기(51)는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 냉각라인(20)에서 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도로 제어되도록 온도조절장치(50)를 제어하고, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우에는 냉각라인(20)에서 연료전지 스택(10)으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어되도록 온도조절장치(50)를 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법의 순서도이다.
도 2를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법은 연료전지 스택의 단위 셀 사이에 형성된 분리판과 분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 단계(S100); 추정한 분리판의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계(S200); 및 추정한 분리판의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300);를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 전류 및 이에 따른 분리판의 온도 관계를 도시한 것이다.
도 3을 더 참조하면, 연료전지의 전류가 증가하면 연료전지 스택에는 발열 반응에 따른 열이 발생하여 연료전지 스택의 온도가 증가하고, 이에 따라 이와 인접한 분리판 및 냉각수의 출구온도가 함께 증가한다.
일반적으로, 연료전지 스택의 온도는 연료전지 스택을 통과하여 배출된 냉각수의 온도(냉각수 출구온도)를 측정하고, 측정한 냉각수 출구온도를 기반으로 추정한다. 다만, 도시한 것과 같이 연료전지 전류가 발생한 이후 뒤늦게 냉각수 출구온도가 증가하고, 증가하는 온도 범위 또한 상대적으로 적어 정확한 연료전지 스택의 온도 추정이 어려운 문제가 있다.
이에 대비하여, 연료전지 스택에 포함된 단위 셀과 냉각수 사이에 위치된 분리판의 온도는 연료전지의 전류가 증가함에 따라 빠르게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 냉각수의 출구온도에 대비하여 증가하는 온도 범위 또한 상대적으로 높다. 즉, 분리판의 온도가 연료전지 스택의 온도를 추정하기에 더 정확하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 온도 추정이 실제 분리판의 온도와 거의 일치하는 점을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판의 온도를 추정하는 단계(S100)에서는, 분리판의 초기 온도는 냉각수의 온도와 동일한 것으로 가정하고, 연료전지 스택의 발열에 의한 가열 및 분리판 사이로 유동되는 냉각수와 열교환에 의한 냉각에 따른 분리판의 온도 변화를 추정하여 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
구체적으로, 분리판을 기준으로 유입되는 열과 방출되는 열을 계산하면 아래와 같은 열교환 방정식이 성립할 수 있다.
여기서, 는 분리판의 열용량, 는 분리판의 온도, 는 연료전지 스택의 발열량, 는 열 전달율(열전달계수 * 면적), 는 냉각수의 온도이다.
즉, 연료전지 스택의 발열량() 전체가 분리판으로 전달되는 것으로 가정할 수 있다. 연료전지 스택의 발열량()은 연료전지 스택의 손실전압(OCV(Open Circuit Voltage) - 연료전지 스택의 출력전압)과 연료전지 스택의 출력전류의 곱으로 산출할 수 있다.
또한, 냉각수의 온도()는 냉각수 입구온도()와 냉각수 출구온도()의 평균값일 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 내부에서 분리판을 제외한 부분을 기준으로 유입되는 열과 방출되는 열을 계산하면 아래와 같은 열교환 방정식이 성립할 수 있다.
여기서, 는 연료전지 스택 내부의 분리판을 제외한 열용량, 는 냉각수의 유량, 는 냉각수의 비열, 은 냉각수 출구온도(연료전지 스택의 출구), 은 냉각수 입구온도(연료전지 스택의 입구)이다.
상기 열교환 방정식들을 이용하여, 분리판의 온도 변화를 추정할 수 있다. 분리판의 초기온도는 연료전지의 발전을 시작할 때의 냉각수 온도와 동일한 것으로 가정할 수 있다.
이에 따라, 연료전지 스택의 실제 온도를 신속하게 반영하여 연료전지 스택의 온도를 정확하게 추정할 수 있는 분리판의 온도를 추정할 수 있다.
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계(S200)에서는, 전자식 써모스탯(Thermostat)의 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도 또는 열교환장치를 바이패스한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도를 제어할 수 있다.
상기 시스템에서와 같이, 전자식 써모스탯은 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하거나 열교환장치를 바이패스한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도를 제어함으로써 이들 사이의 비율을 조절할 수 있다.
이에 따라, 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하여 연료전지 스택의 입구로 유입되는 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계(S200)에서는, 분리판의 온도()가 기설정된 기준온도() 이상인 경우에는 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도()를 기설정된 목표온도()에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어할 수 있다.
또한, 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 분리판의 온도()가 기설정된 기준온도() 미만인 경우에는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도()로 제어할 수 있다. 즉, 아래와 같은 수식으로, 냉각수의 입구온도()를 제어할 수 있다.
여기서, ,
분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상으로 상승하면, 전자식 써모스탯을 선제적으로 제어하여 열교환장치를 통과한 냉각수의 비율을 증가시켜 연료전지 스택에 유입되는 냉각수 입구온도를 감소시킬 수 있다. 즉, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도를 증가시킬 수 있다.
반대로, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 연료전지로 유입되는 냉각수 입구온도를 더 낮게 제어할 필요성이 없는 점에서 연료전지 스택에 유입되는 냉각수 입구온도를 기설정된 기준온도로 제어하고, 이에 따라 분리판의 온도가 상승될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프의 회전속도를 제어하는 구성도를 도시한 것이다.
도 4를 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300)에서는, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가감한 목표회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
즉, 기설정된 기준온도보다 높게 상승한 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()에 비례하는 가변량()을 기설정된 회전속도()에 가감하여 목표회전속도()를 설정하고, 이에 따라 펌프의 회전속도를 제어할 수 있다. 이에 따라, 분리판의 온도가 상승됨에 따라 냉각수 유량을 증가시키도록 펌프를 제어하여 연료전지 스택을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
구체적으로, 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300)에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우, 가변량은 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도에 비례할 수 있다.
즉, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우, 가변량()을 설정함에 있어서, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()를 밸브의 개도에 비례하도록 보정하고, 이를 기설정된 회전속도()에 가감하여 목표회전속도()를 설정할 수 있다.
또한, 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300)에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우, 가변량은 기설정된 비율에 비례할 수 있다. 즉, 가변량()을 설정함에 있어서, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()가 기설정된 비율에 비례하도록 설정할 수 있다.
펌프의 목표회전속도()는 기본적으로 PI 제어 구조일 수 있다. PI 제어에 의해 설정된 가변량()을 기설정된 회전속도()에 가감하여 목표회전속도()를 설정할 수 있다.
가변량()은 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()에 비례하되 보정된 온도차()를 이용할 수 있다.
분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()를 밸브의 개도()에 비례할 수 있다. 즉, 밸브의 최대 개도() 대비 밸브의 개도()의 비율에 비례할 수 있다. 이에 따라, 밸브의 최대 개도에 근접하여 전자식 써모스탯을 이용한 냉각 마진이 부족해질수록 펌프의 회전속도를 크게 증가시키도록 제어함으로써 펌프를 효율적으로 구동하여 연비를 향상시킬 수 있다.
분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우, 보정된 온도차()는 기설정된 비율()에 비례할 수 있다. 기설정된 비율()은 펌프의 회전속도를 하강시키는 속도를 고려하여 1보다 큰 수로 적절하게 설정될 수 있다. 이에 따라, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에 펌프의 회전속도를 하강률을 조절할 수 있다.
다른 실시예로, 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300)에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되기 전까지는 기설정된 회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
즉, 가변량()을 설정함에 있어서, 밸브의 개도()가 밸브의 최대 개도()가 될 때까지는 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()에 0을 곱하여 보정된 온도차()를 0으로 설정할 수 있다().
이에 따라, 먼저 밸브의 제어를 최대한으로 수행하여 냉각수의 온도를 제어하고, 밸브의 제어 범위를 넘어선 경우에만 펌프의 회전속도를 증가시키는 것으로, 펌프의 소모동력을 최소화할 수 있다.
또한, 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300)에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되면 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가산한 목표회전속도로 펌프를 제어할 수 있다.
즉, 가변량()을 설정함에 있어서, 밸브의 개도()가 밸브의 최대 개도()가 되면, 보정된 온도차()를 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이()로 설정할 수 있다(). 이에 따라, 밸브의 제어 범위의 최대치에 달한 경우, 펌프의 회전속도를 증가하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 냉각 제어방법은 연료전지 스택의 온도를 추정하는 단계(S100); 추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계(S200); 및 추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계(S300);를 포함한다.
연료전지 스택의 온도를 추정하는 단계(S100)에서는, 연료전지 스택에서 배출된 냉각수 출구온도를 이용하여 연료전지 스택의 온도를 추정할 수 있다. 또는, 냉각수 입구온도 및 출구온도를 모두 이용하여 연료전지 스택의 온도를 추정할 수 있다. 또는, 상기 설명한 것과 같이 분리판의 온도를 추정하고, 이를 연료전지 스택의 온도로 가정할 수 있다.
이에 따라, 별도의 계산에 따른 연료전지 스택의 내부 온도를 추정하지 않고도 전자식 써모스탯에 따른 냉각수 입구온도 제어 이후 펌프의 회전속도 제어에 의해 펌프의 소모동력을 감소시키는 효과를 갖는다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 연료전지 스택 20 : 냉각라인
30 : 바이패스라인 40 : 열교환장치
50 : 온도조절장치 51 : 개도제어기
60 : 온도추정기 70 : 제1온도센서
80 : 제2온도센서 90 : 냉각펌프
91 : 펌프제어기
30 : 바이패스라인 40 : 열교환장치
50 : 온도조절장치 51 : 개도제어기
60 : 온도추정기 70 : 제1온도센서
80 : 제2온도센서 90 : 냉각펌프
91 : 펌프제어기
Claims (17)
- 단위 셀 사이에 분리판이 형성된 연료전지 스택;
내부에 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수가 유동되는 냉각라인;
냉각라인에 위치되고, 외부와 열교환을 통하여 냉각라인 내부의 냉각수를 냉각시키는 열교환장치;
냉각라인의 열교환장치를 통과하기 이전 지점에서 분기되고, 열교환장치를 바이패스하여 냉각라인의 열교환장치를 거친 이후 지점에서 합류되는 바이패스라인;
냉각라인에서 바이패스라인이 분기되거나 합류되는 지점에 위치되어 냉각라인과 바이패스라인에서 각각 유입되는 냉각수 사이의 비율을 조절하는 온도조절장치;
분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수와 분리판 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 온도추정기;
온도추정기에서 추정한 분리판의 온도를 기반으로 온도조절장치를 제어하는 개도제어기;
냉각라인에 위치되어 냉각라인 내부의 냉각수를 순환시키는 냉각펌프; 및
온도추정부에서 추정한 분리판의 온도 또는 온도조절장치에서 조절하는 냉각수의 비율을 기반으로 냉각펌프의 회전속도를 제어하는 펌프제어기;를 포함하되,
펌프제어기는 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되면 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가산한 목표회전속도로 냉각펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어시스템. - 청구항 1에 있어서,
온도조절장치는 전자식 써모스탯(Thermostat)이고,
개도제어기에서는, 냉각라인과 바이패스라인으로 유동되는 냉각수의 유량이 조절되도록 온도조절장치 사이의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어시스템. - 청구항 1에 있어서,
냉각라인의 연료전지 스택으로 유입되는 위치 및 연료전지 스택에서 배출되는 위치에 각각 마련되어 냉각수의 온도를 측정하는 제1온도센서 및 제2온도센서;를 더 포함하고,
온도추정기는, 제1온도센서 및 제2온도센서에서 각각 측정한 냉각수 입구온도 및 출구온도와 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택 및 냉각수와의 열교환에 따른 분리판의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어시스템. - 청구항 1에 있어서,
개도제어기는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 냉각라인에서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도로 제어되도록 온도조절장치를 제어하고, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우에는 냉각라인에서 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어되도록 온도조절장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어시스템. - 삭제
- 연료전지 스택의 단위 셀 사이에 형성된 분리판과 분리판 사이로 유동되는 냉각라인 내부의 냉각수 사이에서 발생하는 열교환을 기반으로 분리판의 온도를 추정하는 단계;
추정한 분리판의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계; 및
추정한 분리판의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계;를 포함하되,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되면 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가산한 목표회전속도로 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
분리판의 온도를 추정하는 단계에서는, 연료전지 스택의 입구와 출구에서 각각 측정한 냉각수의 온도 및 연료전지 스택의 발열량을 이용하여 연료전지 스택 및 냉각수와의 열교환에 따른 분리판의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 7에 있어서,
분리판의 온도를 추정하는 단계에서는, 분리판의 초기 온도는 냉각수의 온도와 동일한 것으로 가정하고, 연료전지 스택의 발열에 의한 가열 및 분리판 사이로 유동되는 냉각수와 열교환에 의한 냉각에 따른 분리판의 온도 변화를 추정하여 분리판의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 전자식 써모스탯(Thermostat)의 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도 또는 열교환장치를 바이패스한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우에는 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도를 기설정된 목표온도에서 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하여 감소된 가변목표온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 10에 있어서,
냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우에는 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 입구온도가 기설정된 목표온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가감한 목표회전속도로 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 12에 있어서,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 이상인 경우, 가변량은 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 12에 있어서,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 분리판의 온도가 기설정된 기준온도 미만인 경우, 가변량은 기설정된 비율에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되기 전까지는 기설정된 회전속도로 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법. - 삭제
- 연료전지 스택의 온도를 추정하는 단계;
추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 열교환장치를 통과한 냉각수와 열교환장치를 바이패스한 냉각수 사이의 비율을 조절하는 단계; 및
추정한 연료전지 스택의 온도를 기반으로 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수를 순환시키는 펌프의 회전속도를 제어하는 단계;를 포함하되,
펌프의 회전속도를 제어하는 단계에서는, 열교환장치를 통과한 냉각수의 유량을 조절하는 밸브의 개도가 완전히 개방되면 분리판의 온도와 기설정된 기준온도 사이의 차이에 비례하는 가변량을 기설정된 회전속도에 가산한 목표회전속도로 펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 제어방법.
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