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KR-20260061612-A - Coolant temperature control system for fuel cells

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Abstract

개시된 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템은, 연료와 산화제를 반응시켜 전기에너지를 발생시키고 제1 냉각수에 의해 냉각되면서, 상기 제1 냉각수에 비해 온도가 상승된 제2 냉각수를 생성하도록 구성되는 연료전지 모듈; 바다로부터 흡입된 해수를 이용하여 상기 제2 냉각수를 냉각하여 상기 제2 냉각수에 비해 온도가 하강한 제3 냉각수를 생성하도록 구성되는 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈; 및 상기 제2 냉각수 및 상기 제3 냉각수를 전달받아, 상기 제2 냉각수 및 상기 제3 냉각수를 혼합하여 상기 제1 냉각수를 생성하고, 상기 제1 냉각수를 상기 연료전지 모듈로 전달하도록 구성되는 냉각수 믹싱 탱크를 포함할 수 있다.

Inventors

  • 임찬
  • 제영철
  • 고연수

Assignees

  • 주식회사 빈센

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (16)

  1. 연료와 산화제를 반응시켜 전기에너지를 발생시키고 제1 냉각수에 의해 냉각되면서, 상기 제1 냉각수에 비해 온도가 상승된 제2 냉각수를 생성하도록 구성되는 연료전지 모듈; 바다로부터 흡입된 해수를 이용하여 상기 제2 냉각수를 냉각하여 상기 제2 냉각수에 비해 온도가 하강한 제3 냉각수를 생성하도록 구성되는 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈; 및 상기 제2 냉각수 및 상기 제3 냉각수를 전달받아, 상기 제2 냉각수 및 상기 제3 냉각수를 혼합하여 상기 제1 냉각수를 생성하고, 상기 제1 냉각수를 상기 연료전지 모듈로 전달하도록 구성되는 냉각수 믹싱 탱크를 포함하는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료전지 모듈로부터 전달받은 제2 냉각수가 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈 및 상기 냉각수 믹싱 탱크 중 적어도 하나로 전달되게, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 전달할 제2 냉각수의 유량 및 상기 냉각수 믹싱 탱크에 전달할 제2 냉각수의 유량을 조절하도록 구성되는 밸브 모듈을 더 포함하는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연료전지 모듈로부터 전달받은 상기 제2 냉각수를 상기 밸브 모듈로 전달하도록 상기 연료전지 모듈과 상기 밸브 모듈 사이에 마련되는 제1 연결 유로; 상기 밸브 모듈로부터 전달받은 상기 제2 냉각수를 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 전달하도록 상기 밸브 모듈과 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈 사이에 마련되는 제2 연결 유로; 상기 밸브 모듈로부터 전달받은 상기 제2 냉각수를 상기 냉각수 믹싱 탱크로 전달하도록 상기 밸브 모듈과 상기 냉각수 믹싱 탱크 사이에 마련되는 제3 연결 유로를 더 포함하고, 상기 밸브 모듈은, 상기 제1 연결 유로의 일측 끝단, 상기 제2 연결 유로의 일측 끝단 및 상기 제3 연결 유로의 일측 끝단에 연결되는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3 연결 유로는: 세개의 끝단이 각각 상기 밸브 모듈, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈 및 상기 냉각수 믹싱 탱크에 하나씩 연결되고; 그리고 상기 밸브 모듈로부터 전달받은 상기 제2 냉각수 및 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로부터 전달받은 상기 제3 냉각수를 상기 냉각수 믹싱 탱크로 전달하도록 구성되는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈은: 상기 밸브 모듈로부터 상기 제2 연결 유로를 통해 전달된 제2 냉각수를 해수를 이용하여 냉각하여 제3 냉각수를 생성하고; 그리고 상기 제3 냉각수를 상기 제3 연결 유로를 통해 상기 냉각수 믹싱 탱크로 전달하도록 구성되는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 일측 끝단이 상기 제3 연결 유로의 중단에 연결되고, 타측 끝단이 상기 냉각수 믹싱 탱크의 상단에 연결되는 제4 연결 유로를 더 포함하고, 상기 제4 연결 유로는: 상기 제3 연결 유로를 통과하는 제2 냉각수 중 일부를 상기 제3 연결 유로로부터 전달받고; 그리고 전달받은 상기 제2 냉각수를 상기 냉각수 믹싱 탱크의 상부에 유입시키도록 구성되는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도를 측정하도록 구성되는 제1 온도 센서를 더 포함하는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도를 기초로, 상기 제2 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량 및 상기 제3 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량을 조절하도록 상기 밸브 모듈을 제어하는 프로세서를 더 포함하는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도가 목표 설정 온도 미만이면, 상기 제2 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량이 감소하고 상기 제3 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량이 증가하도록 상기 밸브 모듈을 제어하는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도가 목표 설정 온도를 초과하면, 상기 제2 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량이 증가하고 상기 제3 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량이 감소하도록 상기 밸브 모듈을 제어하는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 유입되는 해수의 온도를 측정하도록 구성되는 제2 온도 센서를 더 포함하는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 프로세서는: 상기 목표 설정 온도, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도 및 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 유입되는 해수의 온도를 기초로, 상기 제2 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량 및 상기 제3 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량을 조절하도록 상기 밸브 모듈을 제어하는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 프로세서는: 상기 목표 설정 온도, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 제1 냉각수의 온도 및 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 유입되는 해수의 온도를 기초로, 인공지능 모델을 이용하여, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈 및 상기 냉각수 믹싱 탱크에 대해서 분배할 냉각수 유량의 비율에 대한 정보인 유량 분배 정보를 결정하고; 그리고 상기 유량 분배 정보를 기초로, 상기 제2 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량 및 상기 제3 연결 유로로 전달할 제2 냉각수의 유량을 조절하도록 상기 밸브 모듈을 제어하는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 학습용 목표 설정 온도, 상기 냉각수 믹싱 탱크에 보관된 학습용 제1 냉각수의 온도 및 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈로 유입되는 학습용 해수의 온도를 입력 변수로 설정하고, 학습용 유량 분배 정보를 출력 변수로 설정하여, 기계 학습 방식을 통해 상기 인공지능 모델을 학습하도록 구성되는 기계 학습 모듈을 더 포함하고, 상기 학습용 유량 분배 정보는, 상기 학습용 목표 설정 온도, 상기 학습용 제1 냉각수의 온도 및 상기 학습용 해수의 온도의 상황에서, 입력 모듈에 입력된 사용자의 명령을 기초로 상기 밸브 모듈이 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈 및 상기 냉각수 믹싱 탱크에 대해서 분배한 냉각수 유량의 비율에 대한 정보인, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈은: 냉각수를 저장하는 냉각수 리저버탱크; 및 상기 냉각수 리저버탱크의 내부에 마련되어, 내부에 해수가 통과하도록 구성되고, 상기 냉각수 리저버탱크에 보관중인 냉각수 및 해수 사이의 열교환을 수행하도록 티타늄 및 스텐레스 스틸 중 적어도 하나의 재질로 구성되는 튜브코일을 포함하는, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템을 포함하는 연료전지 추진 선박.

Description

연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템{Coolant temperature control system for fuel cells} 본 발명은 연료전지로 추진하는 선박에서 연료전지를 냉각하는 냉각수의 온도를 제어하면서도 효과적으로 냉각할 수 있는 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템에 관한 것이다. 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 수소와 산소를 사용하여 전기와 물을 생성한다. 이 과정에서 발생하는 전기 에너지는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지가 탑재된 선박은 연료 전지를 이용하여 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생성하고, 이를 통해 선박의 추진 시스템을 구동한다. 이러한 선박은 배출가스를 거의 발생시키지 않아 환경 친화적이며, 주로 해상 교통의 탈탄소화와 지속 가능성을 위해 개발되고 있다. 도 1은 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 2는 종래의 열교환 시스템의 문제를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 4는 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템의 제어 블록도이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 개시된 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 본 명세서에서 사용되는 '~모듈'은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소에 의해 분리되어 수행되거나, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다. 본 명세서의 '~모듈'은 반드시 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되지 않으며, 어드레싱 할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐 아니라, 어떤 부분과 다른 부분 사이에 또 다른 부분이 있는 형태로 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 이하 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템(100)은 제1 연결 유로(101), 제2 연결 유로(102), 제3 연결 유로(103), 연료전지 모듈(110), 냉각수 믹싱 탱크(120), 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130), 밸브 모듈(140), 제1 온도 센서(151) 및 제2 온도 센서(152)를 포함할 수 있다. 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템(100)은 연료전지를 냉각하는 열교환 냉매를 순환시키면서 온도가 상승한 열교환 냉매를 다시 냉각시키는 열교환을 수행하는 시스템일 수 있다. 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템(100)은 선박에 마련될 수 있다. 이때, 선박은 연료전지용 냉각수 온도 제어 시스템(100)로부터 배출되는 공기를 공급받도록 구성되는 연료전지를 포함하는 연료전지 추진 선박일 수 있다. 연료전지가 탑재된 선박은 연료 전지를 이용하여 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생성하고, 이를 통해 선박의 추진 시스템을 구동할 수 있다. 연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 수소와 산소를 사용하여 전기와 물을 생성할 수 있다. 연료전지는 복수개의 금속 플레이트가 적층된 구조로서, 플레이트 사이의 틈마다 산소를 포함한 공기, 수소 및 냉매가 유입되고 배출되는 구성일 수 있으나, 연료전지의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료전지 모듈(110)은 연료전지를 포함하고 있으며, 전달받은 열교환 냉매를 통해 냉각될 수 있고, 열교환 과정에서 온도가 상승한 열교환 냉매를 배출하도록 구성될 수 있다. 도 2는 종래의 열교환 시스템의 문제를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 연료전지로부터 배출된 냉매는 곧바로 해수를 통해 냉각을 수행하는 쉘튜브형 열교환기로 유입되고, 열교환기에서 냉각된 냉매는 냉각수 리저버탱크에 보관된후 냉각수펌프에 의해 다시 연료전지로 전달된다. 종래의 기술에 의하면 냉각수의 해수냉각 실현을 위한 쉘튜브 열교환기와 냉각수 리저버탱크 부피가 커서 연료전지시스템이 크고 무거워지는 단점이 있다. 다시 도 1을 참조하면, 연료전지 모듈(110)은 연료와 산화제를 반응시켜 전기에너지를 발생시키고 열교환 냉매에 의해 냉각되도록 구성될 수 있다. 냉각수 믹싱 탱크(120)는 연료전지 모듈(110)로 전달될 냉각수를 보관하도록 구성될 수 있다. 냉각수 믹싱 탱크(120)에 보관된 냉각수는 연료전지 모듈(110)로 전달되었다가 다시 냉각수 믹싱 탱크(120)로 돌아오면서 순환할 수 있다. 종래의 리저버탱크는, 냉각수를 저장하고, 열교환 모듈에 일정한 유량의 냉각수를 공급한다. 리저버 탱크는 열교환이 효율적으로 이루어지도록 냉각수의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 종래의 해수 열교환기는 해수를 이용해 리저버 탱크의 냉각수 온도를 낮추는 기능을 한다. 이때, 해수 열교환기는 해수의 온도는 일반적으로 낮기 때문에, 해수와 냉각수 간의 온도 차이를 활용하여 열을 제거한다. 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 냉각수 리저버탱크 및 튜브코일을 포함할 수 있다. 냉각수 리저버탱크는 내부에 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)로 유입된 냉각수를 저장할 수 있다. 튜브코일은 내부에 해수가 통과하도록 구성될 수 있다. 이때, 튜브코일은 내부에 해수가 통과할 수 있는 관이 형성되어 있는 코일 형상의 튜브일 수 있다. 튜브코일은 냉각수 리저버탱크의 내부에 마련될 수 있다. 즉, 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 종래 기술의 해수 열교환기와 냉각수 리저버탱크의 기능을 통합하여, 냉각수 리저버탱크의 내부에서 냉각수가 해수와의 직접적인 열교환을 실현하도록 고열전도도와 고내식성의 티타늄 또는 스텐레스 스틸 튜브코일이 내장된 일체형모듈로 구성될 수 있다. 즉, 해수는 튜브코일의 내부를 지나면서 냉각수 리저버탱크에 보관중인 냉각수와 열교환을 할 수 있다. 바다로부터 흡입된 해수가 냉각수를 신속하게 냉각시킴과 동시에 냉각수내 잔류하는 미세기포를 효과적으로 냉각수로부터 제거할 수 있다. 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 복수개의 금속플레이트가 적층된 판형의 열교환기일 수 있으나 구조가 이에 한정되지 않는다. 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈의 상부공간에는 필요에 따라 안전관리를 위하여 수소감지센서를 배치할수 있다. 연료전지 모듈(110)은 연료와 산화제를 반응시켜 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 이때, 연료전지 모듈(110)은 제1 냉각수에 의해 냉각되면서, 제1 냉각수에 비해 온도가 상승된 제2 냉각수를 생성할 수 있다. 즉, 연료전지 모듈(110)은 냉각수에 의해 열교환을 수행되어 냉각되면서 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다. 이때, 제1 냉각수의 온도는 60℃일 수 있으나, 제1 냉각수의 온도가 이에 한정되는 것은 아니다. 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 연료전지 모듈(110)로부터 제2 냉각수를 전달받을 수 있다. 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 바다로부터 흡입된 해수를 이용하여 제2 냉각수를 냉각하여 제2 냉각수에 비해 온도가 하강한 제3 냉각수를 생성할 수 있다. 제3 냉각수의 온도는 10℃ 내지 40℃ 사이의 온도일 수 있으나, 제3 냉각수의 온도가 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)은 리저버 탱크를 포함하고, 리저버 탱크내 장치된 해수/냉각수 열교환용 코일을 통해 해수를 이용하여 제2 냉각수를 냉각할 수 있다. 하지만 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)의 구성이나 제2 냉각수를 냉각하는 방식이 이에 한정되는 것은 아니다. 냉각수 믹싱 탱크(120)는 연료전지 모듈(110)로부터 제2 냉각수를 전달받고, 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)로부터 제3 냉각수를 전달받을 수 있다. 냉각수 믹싱 탱크(120)는 상대적으로 고온인 제2 냉각수 및 상대적으로 저온인 제3 냉각수를 혼합하여 목표하는 온도가 된 제1 냉각수를 생성할 수 있다. 냉각수 믹싱 탱크(120)는 제1 냉각수를 연료전지 모듈(110)로 전달할 수 있다. 밸브 모듈(140)은 연료전지 모듈(110)로부터 전달받은 제2 냉각수를 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130) 및 냉각수 믹싱 탱크(120) 중 적어도 하나로 전달할 수 있다. 밸브 모듈(140)은 열교환기/냉각수 리저버 일체형 모듈(130)로 전달할 제2 냉각수의 유량 및 냉각수 믹싱 탱크(120)에 전달할 제2 냉각수의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다. 밸브 모듈(140)은 3-WAY 밸브를 포함할 수 있다. 3-WAY 밸브(3방향 밸브)는 하나의 입구와 두 개의 출구를 가진 밸브일 수 있다. 3-WAY 밸브는 밸브의 개폐 상태에 따라 유량을 다양한 방식으로 분배할 수 있다. 밸브 모듈(140)에 포함된 유량 제어 장치는 3-WAY 밸브의 두 출구로 나가는 유량을 다르게 분배하도록 3-WAY 밸브를 제어할 수 있다. 구체적으로, 밸브 모듈(140)은 유량을 조절하기 위해서 3-WAY 밸브의 각 출구에 별도의 유량 제