KR100815308B1 - Hydrogen Leak Detecting System And Method thereof For Fuel Cell Vehicle System - Google Patents

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KR100815308B1 KR1020060063964A KR20060063964A KR100815308B1 KR 100815308 B1 KR100815308 B1 KR 100815308B1 KR 1020060063964 A KR1020060063964 A KR 1020060063964A KR 20060063964 A KR20060063964 A KR 20060063964A KR 100815308 B1 KR100815308 B1 KR 100815308B1
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Abstract

본 발명은 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템은, 수소를 저장하여 공급하는 다수개의 수소 탱크; 차량의 키 온 상태일 경우 오픈되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 1 밸브; 상기 제 1 밸브와 동일 라인에 연결되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 2 밸브; 상기 각 수소 탱크의 온도를 검출하는 온도 센서; 상기 수소 탱크의 압력을 검출하는 압력 센서; 상기 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 연료 전지 스택; 상기 수소를 연료 전지 스택에 공급하는 연료 프로세싱 시스템; 상기 수소 탱크로부터 공급되는 고압의 수소를 저압으로 조정하는 저압 레규레이터; 상기 수소 탱크의 초기 온도 및 압력 값을 이용하여 계산된 상기 수소 탱크의 초기 수소 양에서 일정 시간 후, 상기 수소 탱크의 온도 및 압력 값을 이용하여 계산되는 수소 양 뺌으로써, 수소 탱크로부터 공급된 총 수소 공급 양을 계산하고, 상기 일정 시간 동안 상기 연료 전지 스택에서 생성된 전류 값 누적하여 사용된 총 수소 사용 양과 일정 주기로 배출되는 외부 배출 수소 양을 상기 총 수소 공급 양을 감산한 결과 값을 허용 기준치와 비교하여 수소 누출을 판단하여 알람하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Figure R1020060063964

연료 전지 자동차, 수소 연료, 수소 누출, 반 데르 발스 방정식

The present invention relates to a system and method for determining hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system.

Hydrogen leak determination system of a fuel cell vehicle system according to an embodiment of the present invention, a plurality of hydrogen tank for storing and supplying hydrogen; A first valve opened when the vehicle is in a key-on state and controlling supply of the hydrogen tank; A second valve connected to the same line as the first valve to control the supply of the hydrogen tank; A temperature sensor detecting a temperature of each hydrogen tank; A pressure sensor detecting a pressure of the hydrogen tank; A fuel cell stack that generates electricity by reacting the hydrogen with oxygen; A fuel processing system for supplying the hydrogen to a fuel cell stack; A low pressure regulator for adjusting the high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank to a low pressure; The total amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank by the amount of hydrogen 뺌 calculated using the temperature and pressure values of the hydrogen tank after a certain time at the initial hydrogen amount of the hydrogen tank calculated using the initial temperature and pressure values of the hydrogen tank. Calculate the amount of hydrogen supply, and the value obtained by subtracting the total hydrogen supply amount from the total hydrogen use accumulated by the current value generated in the fuel cell stack during the predetermined time and the amount of external exhaust hydrogen discharged at regular intervals. And a control unit for determining and alarming the hydrogen leakage in comparison with the control unit.

Figure R1020060063964

Fuel cell car, hydrogen fuel, hydrogen leak, van der Waals equation

Description

연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법{Hydrogen Leak Detecting System And Method thereof For Fuel Cell Vehicle System}Hydrogen Leak Detecting System And Method For Fuel Cell Vehicle System

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 누출 판단 시스템을 나타낸 도면.1 is a view showing a hydrogen leakage determination system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 수소 센서가 장착될 수 있는 영역을 도시하는 도면.2 shows an area in which a hydrogen sensor can be mounted.

도 3은 실험에서 얻은 연료전지 전류에 따른 수소 사용량을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the hydrogen consumption according to the fuel cell current obtained in the experiment.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 누출 판단 방법을 나타낸 순서도.4 is a flowchart illustrating a method for determining hydrogen leakage according to an embodiment of the present invention.

도 5는 연료 전지 스택에서 생성되는 전류에 따른 허용 기준치의 폭을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the width of an allowable reference value according to a current generated in a fuel cell stack.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >      <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10 : 수소 탱크 12 : 온도 센서10: hydrogen tank 12: temperature sensor

14 : 제 1 밸브 16 : 제 2 밸브14: first valve 16: second valve

20 : 압력 센서 22 : 저압 레귤레이터20: pressure sensor 22: low pressure regulator

24 : FPS 26 : 연료 전지 스택24: FPS 26: fuel cell stack

30 : 제어부30: control unit

본 발명은 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법에 관한 것으로, 특히 차량의 수소 이용량 비교를 이용한 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for determining the hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system, and more particularly, to a method for determining the hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system using a comparison of the hydrogen utilization of a vehicle.

최근들어, 자동차는 석유 산업의 발전과 맞물려 매우 빠르고 광범위하게 발전하게 되었으며, 현재에 이르러서는 생활의 필수품으로 인식되고 있는 실정이다. 그러나, 석유라는 한정적인 자원 문제 및 환경 오염등이 대두되면서, 대체에너지를 이용할 수 있는 자동차의 개발이 눈에 띄게 늘어나고 있는 추세이다. 자동차는 상기한 대체에너지의 특성에 따라, 엔진이나, 엔진과 연관된 주변 부속품이 설계되고 적용되고 있다. 즉, 전지를 이용하는 자동차의 경우에는 전지를 충전하여 제공할 수 있는 형태로 발전하고 있으며, 태양열을 이용한 자동차의 경우에는 자동차 외관에 태양열을 집열할 수 있는 태양열판을 별도로 부착하는 형태를 가지게 된다. 그러나, 전지를 이용한 자동차는 전지의 충전량의 한계성 및 충전시 소요되는 많은 시간, 차량의 힘 등의 문제로 인하여, 한계점이 있으며, 태양열 자동차 또한, 태양이 뜨지 않는 시간에 운전이 집열할 수 없는 단점이 있다.In recent years, automobiles have been developed very quickly and widely in conjunction with the development of the petroleum industry, and are now recognized as necessities of life. However, with limited resource problems such as petroleum and environmental pollution, the development of automobiles that can use alternative energy is increasing. Automobiles are designed and applied to the engine, or peripheral accessories associated with the engine, according to the characteristics of the alternative energy described above. That is, in the case of an automobile using a battery, it is developing into a form in which a battery can be charged and provided, and in the case of an automobile using a solar heat, a solar plate capable of collecting solar heat is attached to the exterior of the car. However, a vehicle using a battery has limitations due to the limitations of the amount of charge of the battery, the time required for charging, the power of the vehicle, and the like, and the solar vehicle also has a disadvantage in that driving cannot be collected at a time when the sun does not rise. There is this.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 수소를 이용한 차량이 제안되고 있다. 수소를 이용한 차량에 있어서, 가장 핵심 적인 부분은 수소의 누출에 관한 것으로, 현재 차량에 적용되고 있는 수소의 누출 판단은 수소 센서를 이용하여 주요 파이프 연결부 및 핵심 부위 예를 들면, 수소탱크, 스택 등의 누출을 판단하고 있으나, 이러한 수소 누출 판단에 있어서, 누출되어지는 수소가 수소센서의 장착위치로 발산되지 않을 경우에는 감지하는데 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 이는 기존의 장착된 압력센서 외에 추가적인 압력 변화율 센서를 장착하여 고압 수소 탱크의 압력 변화율을 가지고 누출을 판단하는 방법이 제시되었다 그러나, 이러한 누출 판단 방법은 탱크 압력 변화만을 이용하여 누출을 판단하게 되는데, 이는 차량 주행시 누출을 판단하기에는 적절하지 못하고, 수소 누출 판단을 위한 적절한 로직이 개발되지 않아, 실제적으로 적용하기에는 불가능한 실정이다.In order to solve this problem, a vehicle using hydrogen has recently been proposed. In the vehicle using hydrogen, the most important part is related to the leakage of hydrogen, and the leak detection of hydrogen currently applied to the vehicle is performed by using the hydrogen sensor, and the main pipe connection and the core parts such as the hydrogen tank and the stack. Although it is determined that the leakage of hydrogen, it is difficult to detect when the leaked hydrogen does not diverge to the mounting position of the hydrogen sensor. In order to solve this problem, it has been proposed to install a pressure change rate sensor in addition to the existing pressure sensor to determine the leak with the pressure change rate of the high-pressure hydrogen tank, but this leak determination method uses only the tank pressure change This is to determine the leak, which is not appropriate to determine the leak when driving the vehicle, proper logic for determining the hydrogen leak is not developed, it is impossible to apply practically.

본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 연료전지 자동차의 연료인 수소가 수소탱크에서 직/병렬 연결된 각 시스템을 지나면서 발생하는 누출을 사전 판단하여, 그로 인한 시스템 외부에서의 연소 또는 폭발을 방지하여 연료전지 자동차의 안전성을 확보할 수 있는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problem, and in advance to determine the leakage occurring when the hydrogen of the fuel cell vehicle passes through each system connected in series / parallel in the hydrogen tank, the combustion outside the system or The present invention provides a system and method for determining hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system that can prevent explosions and ensure safety of a fuel cell vehicle.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템은, 수소를 저장하여 공급하는 다수개의 수소 탱크; 차량의 키 온 상태일 경우 오픈되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 1 밸브; 상기 제 1 밸브와 동일 라인에 연결되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 2 밸브; 상기 각 수소 탱크의 온도를 검출하는 온도 센서; 상기 수소 탱크의 압력을 검출하는 압력 센서; 상기 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 연료 전지 스택; 상기 수소를 연료 전지 스택에 공급하는 연료 프로세싱 시스템; 상기 수소 탱크로부터 공급되는 고압의 수소를 저압으로 조정하는 저압 레규레이터; 상기 수소 탱크의 초기 온도 및 압력 값을 이용하여 계산된 상기 수소 탱크의 초기 수소 양에서 일정 시간 후, 상기 수소 탱크의 온도 및 압력 값을 이용하여 계산되는 수소 양 뺌으로써, 수소 탱크로부터 공급된 총 수소 공급 양을 계산하고, 상기 일정 시간 동안 상기 연료 전지 스택에서 생성된 전류 값 누적하여 사용된 총 수소 사용 양과 일정 주기로 배출되는 외부 배출 수소 양을 상기 총 수소 공급 양을 감산한 결과 값을 허용 기준치와 비교하여 수소 누출을 판단하여 알람하는 제어부;를 포함한다.In order to achieve the above object, the hydrogen leakage determination system of a fuel cell vehicle system according to an embodiment of the present invention, a plurality of hydrogen tank for storing and supplying hydrogen; A first valve opened when the vehicle is in a key-on state and controlling supply of the hydrogen tank; A second valve connected to the same line as the first valve to control the supply of the hydrogen tank; A temperature sensor detecting a temperature of each hydrogen tank; A pressure sensor detecting a pressure of the hydrogen tank; A fuel cell stack that generates electricity by reacting the hydrogen with oxygen; A fuel processing system for supplying the hydrogen to a fuel cell stack; A low pressure regulator for adjusting the high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank to a low pressure; The total amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank by the amount of hydrogen 뺌 calculated using the temperature and pressure values of the hydrogen tank after a certain time at the initial hydrogen amount of the hydrogen tank calculated using the initial temperature and pressure values of the hydrogen tank. Calculate the amount of hydrogen supply, and the value obtained by subtracting the total hydrogen supply amount from the total hydrogen use accumulated by the current value generated in the fuel cell stack during the predetermined time and the amount of external exhaust hydrogen discharged at regular intervals. And a control unit for determining and alarming the hydrogen leak in comparison with the control unit.

차량의 실내, 상기 수소 탱크, 상기 연료 전지 스택의 전 및 후단을 포함하는 누출이 예상되는 지역에 각각 배치하여, 수소의 누출을 센싱하고, 누출된 수소를 검출한 경우, 운전자 전면 일측에 수소 누출을 경고하는 알람을 실시하는 다수개의 수소 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.Hydrogen leaks to the driver's front side when the leak is detected and the leaked hydrogen is detected by detecting the leak of hydrogen by placing each in an expected area including the interior of the vehicle, the hydrogen tank, and the front and rear ends of the fuel cell stack. Characterized in that it further comprises a plurality of hydrogen sensors for performing an alarm to warn.

상기 제어부는 수소 누출로 판단되는 경우 상기 제 2 밸브를 셧 다운 시키는 것을 특징으로 한다.The controller is configured to shut down the second valve when it is determined that the hydrogen leak.

T는 온도, P는 압력, R은 기체상수, V'는 수소의 부피, V는 수소 탱크의 부피, a와 b는 기체에 따라 달라지는 상수 값으로, 수소 기체의 경우, a 값이 0.244 b값이 0.0266 인 경우, 상기 수소의 부피는 반 데르 발스 방정식인

Figure 112006048878296-pat00001
으로부터 구해지며, 2.016이 수소 분자량일 경우, 수소 밀 도 ρh2는
Figure 112006048878296-pat00002
이며, 수소의 양 mH2-tank는
Figure 112006048878296-pat00003
인 것을 특징으로 한다.T is the temperature, P is the pressure, R is the gas constant, V 'is the volume of hydrogen, V is the volume of the hydrogen tank, a and b are constant values that depend on the gas, and for hydrogen gas, the value of a is 0.244 b Is 0.0266, the volume of hydrogen is the van der Waals equation
Figure 112006048878296-pat00001
From 2.016 is hydrogen molecular weight, hydrogen density ρh2 is
Figure 112006048878296-pat00002
The amount of hydrogen mH2-tank is
Figure 112006048878296-pat00003
It is characterized by that.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법은 수소를 저장하여 공급하는 수소 탱크와, 상기 수소 탱크의 온도 및 압력을 검출하는 센서들과, 상기 수소를 연료 전지 스택에 공급하는 연료 프로세싱 시스템으로 구성된 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법에 있어서, 상기 수소 탱크의 초기 온도 및 압력을 이용하여 계산되는 초기 수소 탱크의 수소 양과, 일정 시간 후 수소 탱크의 온도 및 압력을 이용하여 계산된 수소 탱크의 수소양을 감산함으로써, 총 수소 공급양을 계산하는 단계; 연료 전지 스택에서 생성된 전류를 누적하여 총 수소 사용 양을 계산하는 단계; 일정 주기로 외부 배출되는 수소 양을 계산하는 단계; 및 상기 총 수소 공급양으로부터 상기 총 수소 사용 양 및 상기 외부 배출 수소 양을 감산한 결과 값을 허용 기준치와 비교하여 수소 누출을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Hydrogen leak determination method of a fuel cell vehicle system according to an embodiment of the present invention is a hydrogen tank for storing and supplying hydrogen, sensors for detecting the temperature and pressure of the hydrogen tank, and supplying the hydrogen to the fuel cell stack In the hydrogen leakage determination method of a fuel cell vehicle system composed of a fuel processing system, the amount of hydrogen in the initial hydrogen tank calculated by using the initial temperature and pressure of the hydrogen tank, and calculated using the temperature and pressure of the hydrogen tank after a certain time Calculating a total amount of hydrogen supply by subtracting the amount of hydrogen in the prepared hydrogen tank; Calculating a total amount of hydrogen use by accumulating the current generated in the fuel cell stack; Calculating the amount of hydrogen discharged from the outside at regular intervals; And comparing the resultant value of subtracting the total hydrogen use amount and the external exhaust hydrogen amount from the total hydrogen supply amount with an allowable reference value to determine a hydrogen leak.

상기 방법은 상기 수소 누출이 일정량 이상일 경우, 상기 수소 탱크로부터의 수소 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method further comprises stopping the supply of hydrogen from the hydrogen tank when the hydrogen leak is above a certain amount.

상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.The above and other objects and features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단을 위한 시스템을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a system for determining the hydrogen leakage of the fuel cell vehicle system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템은 먼저, 수소를 저장하여 공급하는 다수개의 수소 탱크(10), 수소 탱크(10)의 공급을 제어하는 제 1 밸브(14) 및 제 2 밸브(16), 각 수소 탱크(10)의 온도를 검출하는 온도 센서(12), 수소 탱크(10)의 압력을 검출하는 압력 센서(20), 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 연료 전지 스택(26), 수소 연료를 연료 전지 스택(26)에 공급하는 FPS(Fuel processing system)(24), 저압 레규레이터(22), 수소 누출을 검출하여 알람하는 제어부(30)를 포함하여 구성되며, 도 2에 도시된 누출 예상 지역에 배치되는 수소 센서(28)를 더 구비할 수 있다.Referring to FIG. 1, a system for determining a hydrogen leak of a fuel cell vehicle system according to an exemplary embodiment of the present invention may include a plurality of hydrogen tanks 10 for storing and supplying hydrogen and a system for controlling supply of hydrogen tanks 10. 1 valve 14 and the 2nd valve 16, the temperature sensor 12 which detects the temperature of each hydrogen tank 10, the pressure sensor 20 which detects the pressure of the hydrogen tank 10, and hydrogen with oxygen A fuel cell stack 26 that reacts to generate electricity, a fuel processing system 24 that supplies hydrogen fuel to the fuel cell stack 26, a low pressure regulator 22, and a controller that detects and alarms a hydrogen leak 30, and may further include a hydrogen sensor 28 disposed in the leak prediction area shown in FIG. 2.

수소 센서(28)는 실내(A), 수소 탱크(B), 연료 전지 스택의 전(C) 및 후단(D) 등 누출이 예상되는 지역에 각각 배치하여, 수소의 누출을 센싱하고, 누출된 수소를 검출한 경우, 운전자 전면 일측에 수소 누출을 경고하는 알람을 실시하게 된다.The hydrogen sensor 28 is disposed in an area where leakage is expected, such as a room (A), a hydrogen tank (B), a front (C) and a rear end (D) of the fuel cell stack, respectively, to sense the leakage of hydrogen, and When hydrogen is detected, an alarm is issued to one side of the driver's front to warn of hydrogen leakage.

다수개의 수소 탱크(10)는 수소를 저장하는 탱크로서 연료 전지 자동차의 크기 및 특성에 따라 각각 그 개수와 크기가 다르게 설정될 수 있다.The plurality of hydrogen tanks 10 are tanks for storing hydrogen, and the number of hydrogen tanks 10 may be set differently depending on the size and characteristics of the fuel cell vehicle.

제 1 밸브(14)는 수소 탱크(10)에 저장된 수소 연료의 공급을 1차적으로 제어하는 밸브로서, 외부 입력(Analog Input)에 따라 밸브의 개폐가 조절되는 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)이다. 이 제 1 밸브(14)는 차량의 키 온(Key on) 상태가 될 경우에는 오픈된다.The first valve 14 is a valve that primarily controls the supply of hydrogen fuel stored in the hydrogen tank 10, and is a solenoid valve in which opening and closing of the valve is controlled according to an external input. The first valve 14 is opened when the vehicle is in the key on state.

제 2 밸브(16)는 제 1 밸브(14)와 동일한 파이프에 직렬로 연결되며, 수소 탱크(10)에 저장된 수소 연료의 공급을 2차적으로 제어하는 밸브로서, 매뉴얼 셧 오프 밸브(Manual Shut off valve)이다. 제 2 밸브(16)는 수소 누출 경고시 누출 된 수소량이 클 경우, 수소 탱크(10)로부터의 연료 공급을 셧 다운 시키는 역할을 한다.The second valve 16 is connected in series with the same pipe as the first valve 14, and is a valve for secondary control of the supply of hydrogen fuel stored in the hydrogen tank 10, and is a manual shut off valve. valve). The second valve 16 serves to shut down the fuel supply from the hydrogen tank 10 when the amount of hydrogen leaked in the hydrogen leak warning is large.

여기서, 제 1 밸브(14) 및 제 2 밸브(16)는 수소 탱크(10) 내부에 배치될 수 있다.Here, the first valve 14 and the second valve 16 may be disposed inside the hydrogen tank 10.

온도 센서(12)는 각 수소 탱크(10)의 온도를 측정하는 센서로서, 측정한 온도를 제어부(30)에 전달하며, 측정 온도는 제어부(30)에 전달되어 수소 연료의 누출을 계산하는데 이용된다.The temperature sensor 12 is a sensor for measuring the temperature of each hydrogen tank 10, and transmits the measured temperature to the controller 30, and the measured temperature is transferred to the controller 30 and used to calculate the leakage of hydrogen fuel. do.

압력 센서(20)는 수소 탱크(10)들을 연결하는 파이프의 일측에 형성되어 수소 탱크(10)의 압력을 검출하며, 검출된 압력은 제어부(30)에 전달되어 수소 연료의 누출을 계산하는데 이용된다.The pressure sensor 20 is formed on one side of a pipe connecting the hydrogen tanks 10 to detect the pressure of the hydrogen tank 10, and the detected pressure is transmitted to the control unit 30 and used to calculate the leakage of hydrogen fuel. do.

연료 전지 스택(26)은 수소 탱크(10)에 저장된 수소 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생성한다. 이렇게 생성된 전기는 모터 컨트롤 유닛에 전달되어 모터링을 실시하는데 이용된다.The fuel cell stack 26 generates electricity by reacting hydrogen fuel stored in the hydrogen tank 10 with oxygen. The electricity thus generated is transferred to the motor control unit and used for motoring.

FPS(24)는 수소 연료를 연료 전지 스택(26)에 공급하는 시스템이다. 이러한 FPS(24)내에는 수소 유량계를 장착하여 단위 시간당 수소 유량을 파악할 수 있다.The FPS 24 is a system for supplying hydrogen fuel to the fuel cell stack 26. The FPS 24 can be equipped with a hydrogen flow meter to determine the hydrogen flow rate per unit time.

저압 레규레이터(22)는 수소 탱크(10)에서 연료 전지 스택(26)로 전달되기 전 고압의 수소 연료의 압력을 낮추어 FPS(24)에 전달하는 장치이다.The low pressure regulator 22 is a device that lowers the pressure of the high-pressure hydrogen fuel and delivers it to the FPS 24 before being transferred from the hydrogen tank 10 to the fuel cell stack 26.

제어부(30)는 온도 센서(12)가 측정한 온도 및 압력 센서(20)가 측정한 압력을 이용하여 수소 탱크(10)로부터 연료 전지 스택(26)에 전달된 수소 양을 계산하고, 연료 전지 스택(26)이 생성한 전체 전기를 계산한 후, 두개의 값을 서로 비교 함으로써, 수소 누출 여부를 결정하게 된다. 수소 누출이 확인된 경우, 수소 센서(28)와 유사하게 운전자 전면 일측에 수소 누출을 경고하는 알람을 실시하게 된다.The control unit 30 calculates the amount of hydrogen transferred from the hydrogen tank 10 to the fuel cell stack 26 using the temperature measured by the temperature sensor 12 and the pressure measured by the pressure sensor 20, and the fuel cell After calculating the total electricity generated by the stack 26, the two values are compared with each other to determine whether hydrogen is leaked. If the hydrogen leak is confirmed, similar to the hydrogen sensor 28, an alarm for warning the hydrogen leak to one side of the driver front side.

이를 상세히 설명하면, 제어부(30)는 수소 탱크(10)에서 측정한 온도 값 및 압력 값을 수학식 1에 나타낸 반 데르 발스 방정식(Van Der Waals equation)을 이용하여 수소 탱크(10) 내에 존재하는 수소의 부피를 계산한다.In detail, the control unit 30 is present in the hydrogen tank 10 using the Van Der Waals equation shown in Equation 1 to measure the temperature and pressure values measured in the hydrogen tank 10. Calculate the volume of hydrogen.

Figure 112006048878296-pat00004
Figure 112006048878296-pat00004

여기서, a와 b는 기체에 따라 달라지는 상수값이며, 수소기체의 경우, a 값이 0.244 b값이 0.0266을 가진다. 또한, V'는 수소의 부피, P는 압력, T는 온도, R은 기체상수 값이다.Here, a and b are constant values depending on the gas, and in the case of hydrogen gas, the a value is 0.244 and the b value is 0.0266. V 'is the volume of hydrogen, P is the pressure, T is the temperature, and R is the gas constant value.

수학식 1을 통하여 제어부(30)는 수소 탱크(10)내에 존재하는 수소의 부피를 계산하며, 이후 수소 밀도를 수학식 2를 이용하여 계산한다.Through Equation 1, the controller 30 calculates the volume of hydrogen present in the hydrogen tank 10, and then calculates the hydrogen density using Equation 2.

Figure 112006048878296-pat00005
Figure 112006048878296-pat00005

여기서,ρh2는 수소 밀도값이며, V'는 수소의 부피, 2.016은 수소 분자량이다.Where rho h2 is the hydrogen density value, V 'is the volume of hydrogen and 2.016 is the hydrogen molecular weight.

다음으로, 수소 밀도 및 수소 탱크(10)의 부피를 수학식 3에 적용하여 수소 탱크(10)에 저장된 수소 연료의 질량 값을 계산한다.Next, the hydrogen density and the volume of the hydrogen tank 10 are applied to Equation 3 to calculate the mass value of the hydrogen fuel stored in the hydrogen tank 10.

Figure 112006048878296-pat00006
Figure 112006048878296-pat00006

여기서, mH2-Tank는 수소 연료의 질량, V는 수소 탱크(10) 부피, ρh2는 수소 밀도 값이다.Where mH2-Tank is the mass of the hydrogen fuel, V is the volume of the hydrogen tank 10, and ρh2 is the hydrogen density value.

한편, 제어부(30)는 수학식 4를 이용하여 연료 전지 스택(26)에서 실제 사용된 수소 값을 계산한다. 연료 전지 스택(26)에서 실제 사용된 수소 값은 수학식 4에 나타낸 바와 같이 연료 전지 스택(26)으로부터 나오는 전류를 수치 적분하여 계산할 수 있다.Meanwhile, the controller 30 calculates the hydrogen value actually used in the fuel cell stack 26 using Equation 4. The hydrogen value actually used in the fuel cell stack 26 can be calculated by numerically integrating the current from the fuel cell stack 26 as shown in equation (4).

Figure 112006048878296-pat00007
Figure 112006048878296-pat00007

여기서, mH2_stack은 실제 사용된 수소의 질량, Ncell은 연료 전지 스택(26)의 셀 수, i는 연료 전지 스택(26)에서 생성된 전류, F는 패러데이 상수 값이다.Where mH2_stack is the actual mass of hydrogen used, Ncell is the number of cells in the fuel cell stack 26, i is the current generated in the fuel cell stack 26, and F is a Faraday constant value.

한편, 제어부(30)는 외부 배출시키는 수소 값을 계산하여, 수소 탱크(10)로부터 공급된 총 수소 연료의 질량에서 제외 시킨다. 외부 배출시키는 수소는 연료 전지 스택(26)의 성능을 위해 연료 전지 스택(26)에 공급되는 일정량의 수소를 특정 주기에 따라 외부 배출(vent)시키는 데 이 양은 도 3에 도시된 바와 같이 연료 전지 스택(26)의 전류에 따라 변하는 값으로 연료전지 제어 로직에 따라 상이한 값을 가지게 된다. 이러한 외부 배출 수소 값은 연료 전지 스택 실험을 통해 외부로 배출되는 수소의 값을 측정한 후 예측 및 계산하게 된다. On the other hand, the control unit 30 calculates the hydrogen value to be externally discharged, and excludes it from the mass of the total hydrogen fuel supplied from the hydrogen tank 10. The externally releasing hydrogen externally vents a certain amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 26 according to a specific period for the performance of the fuel cell stack 26, which is shown in FIG. 3. The value varies according to the current of the stack 26 and has a different value according to the fuel cell control logic. This external exhaust hydrogen value is predicted and calculated after measuring the value of hydrogen discharged to the outside through a fuel cell stack experiment.

이상에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단을 위한 시스템에 대해서 살펴보았다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.In the above, the system for determining the hydrogen leakage of the fuel cell vehicle system according to the embodiment of the present invention has been described. Hereinafter, a method for determining hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법을 나타낸 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of determining hydrogen leakage in a fuel cell vehicle system of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법은 먼저, 초기 탱크 압력(Po)과 온도(To)를 측정한다(S101).Referring to FIG. 4, in the method for determining hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system of the present invention, first, an initial tank pressure Po and a temperature To are measured (S101).

다음으로, 제어부(30)는 측정된 압력 및 온도 값을 반 데르 발스 방정식에 적용하여 초기 수소 탱크(10)내 수소 질량(m_initial)을 계산한다(S102).Next, the controller 30 calculates the hydrogen mass m_initial in the initial hydrogen tank 10 by applying the measured pressure and temperature values to the van der Waals equation (S102).

이후, 제어부(30)는 연료 전지 스택(26)에서 생성된 전류값을 적분하여 생성된 전류 값을 계산한다(S103).Thereafter, the controller 30 calculates the generated current value by integrating the current value generated by the fuel cell stack 26 (S103).

다음으로, 외부 배출(Vent)되는 수소량(m_vent)을 계산한다(S104).Next, the amount of hydrogen (m_vent) discharged outside (Vent) is calculated (S104).

다음으로, 일정시간 경과후 연료 전지 스택(26)에서 사용된 총 수소 사용량(m_stack)을 계산한다(S105).Next, after a predetermined time elapses, the total hydrogen consumption m_stack used in the fuel cell stack 26 is calculated (S105).

다음으로, 현재 수소 탱크(10)의 온도 및 압력을 측정하여 잔여 수소량(m_final)을 계산한다(S106).Next, the residual hydrogen amount m_final is calculated by measuring the temperature and pressure of the current hydrogen tank 10 (S106).

다음으로, 초기 수소 탱크(10) 내에 수소 질량(m_initial)에서 잔여 수소량(m_final)을 뺌으로써, 수소 탱크(10)에서 소모된 수소 사용량(m_tank)를 계산한다(S107).Next, the amount of hydrogen consumed (m_tank) consumed in the hydrogen tank 10 is calculated by subtracting the residual amount of hydrogen m_final from the mass of hydrogen m_initial in the initial hydrogen tank 10 (S107).

다음으로, 수소 탱크(10)에서 소모된 전체 수소 사용량(m_tank)로부터 연료 전지 스택(26)에서 사용된 총 수소 사용량(m_stack) 및 외부 배출된 수소량(m_vent)를 뺀 절대값이 허용 기준치(Tol) 이내에 있는지 확인하고(S108), 허용 기준치(Tol)보다 큰 경우, 수소 누출을 경고하거나, 수소 탱크(10)의 제 2 밸브(16)를 셧 다운 시켜 수소 연료의 공급을 중지시킨다(S109). 허용 기준치(Tol) 보다 작은 경우에는 S101 단계로 복귀한다.Next, the absolute value obtained by subtracting the total amount of hydrogen consumed (m_tank) consumed in the hydrogen tank 10 from the total amount of hydrogen used (m_stack) and the amount of externally discharged hydrogen (m_vent) used in the fuel cell stack 26 is an allowable reference value ( Tol), and if it is larger than the allowable reference value (Tol), it warns of a hydrogen leak or stops the supply of hydrogen fuel by shutting down the second valve 16 of the hydrogen tank 10 (S109). ). If it is smaller than the allowable reference value Tol, the process returns to step S101.

여기서, 허용 기준치(Tol)는 도 5에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택(26)에서 생성하는 전류(current)의 표준 양(m)을 기준으로 상부 한계값(Upper limit) 및 하부 한계값(Lower limi)의 일정 공차를 지정한 값이다.Here, as shown in FIG. 5, the allowable reference value To is based on the standard amount m of the current generated by the fuel cell stack 26. It is a value that specifies a certain tolerance of the lower limi).

이와 같은 구성 및 방법을 가지는 본 발명은 주행 중 탱크에서 공급된 수소의 양과 실제 연료 전지 스택에서 화학반응에 사용된 수소의 양을 비교하여 정상적인 운전일 때의 수소 사용량과 차이가 날 경우 수소 누출로 판단하게 된다.The present invention having such a configuration and method compares the amount of hydrogen supplied from the tank with the amount of hydrogen used for the chemical reaction in the actual fuel cell stack while driving and the hydrogen leakage in the case of the difference between the hydrogen consumption in normal operation You will be judged.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템 및 방법은, 연료전지 자동차의 연료인 수소가 수소탱크에서 직/병렬 연결된 각 시스템을 지나면서 발생하는 누출을 사전 판단하여, 그로 인한 시스템 외부에서의 연소 또는 폭발을 방지할 수 있다.As described above, the hydrogen leakage determination system and method of a fuel cell vehicle system according to an embodiment of the present invention, the leakage of hydrogen generated by passing through each system connected directly / parallel in the hydrogen tank of the fuel cell vehicle By prior judgment, it is possible to prevent combustion or explosion outside the system.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, preferred embodiments of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention, such modifications and modifications belong to the scope of the claims You will have to look.

Claims (8)

수소를 저장하여 공급하는 다수개의 수소 탱크;A plurality of hydrogen tanks for storing and supplying hydrogen; 차량의 키 온 상태일 경우 오픈되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 1 밸브;A first valve opened when the vehicle is in a key-on state and controlling supply of the hydrogen tank; 상기 제 1 밸브와 동일 라인에 연결되어 상기 수소 탱크의 공급을 제어하는 제 2 밸브; A second valve connected to the same line as the first valve to control the supply of the hydrogen tank; 상기 각 수소 탱크의 온도를 검출하는 온도 센서;A temperature sensor detecting a temperature of each hydrogen tank; 상기 수소 탱크의 압력을 검출하는 압력 센서;A pressure sensor detecting a pressure of the hydrogen tank; 상기 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 연료 전지 스택;A fuel cell stack that generates electricity by reacting the hydrogen with oxygen; 상기 수소를 연료 전지 스택에 공급하는 연료 프로세싱 시스템;A fuel processing system for supplying the hydrogen to a fuel cell stack; 상기 수소 탱크로부터 공급되는 고압의 수소를 저압으로 조정하는 저압 레규레이터; 및A low pressure regulator for adjusting the high pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank to a low pressure; And 상기 수소 탱크의 초기 온도 및 압력 값을 이용하여 계산된 상기 수소 탱크의 초기 수소 양에서 일정 시간 후, 상기 수소 탱크의 온도 및 압력 값을 이용하여 계산되는 수소 양 뺌으로써, 수소 탱크로부터 공급된 총 수소 공급 양을 계산하고, 상기 일정 시간 동안 상기 연료 전지 스택에서 생성된 전류 값 누적하여 사용된 총 수소 사용 양과 일정 주기로 배출되는 외부 배출 수소 양을 상기 총 수소 공급 양을 감산한 결과 값을 허용 기준치와 비교하여 수소 누출을 판단하여 알람하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시 스템.The total amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank by the amount of hydrogen 뺌 calculated using the temperature and pressure values of the hydrogen tank after a certain time at the initial hydrogen amount of the hydrogen tank calculated using the initial temperature and pressure values of the hydrogen tank. Calculate the amount of hydrogen supply, and the value obtained by subtracting the total hydrogen supply amount from the total hydrogen use accumulated by the current value generated in the fuel cell stack during the predetermined time and the amount of external exhaust hydrogen discharged at regular intervals. Control unit for determining and alarming the hydrogen leakage in comparison with the hydrogen leakage determination system of a fuel cell vehicle system comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 차량의 실내, 상기 수소 탱크, 상기 연료 전지 스택의 전 및 후단을 포함하는 누출이 예상되는 지역에 각각 배치하여, 수소의 누출을 센싱하고, 누출된 수소를 검출한 경우, 운전자 전면 일측에 수소 누출을 경고하는 알람을 실시하는 다수개의 수소 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템.Hydrogen leaks to the driver's front side when the leak is detected and the leaked hydrogen is detected by detecting the leak of hydrogen by placing each in an expected area including the interior of the vehicle, the hydrogen tank, and the front and rear ends of the fuel cell stack. The hydrogen leak determination system of a fuel cell vehicle system, characterized in that it further comprises a plurality of hydrogen sensors for performing an alarm to warn. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제어부는The control unit 수소 누출로 판단되는 경우 상기 제 2 밸브를 셧 다운 시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템.The hydrogen leak determination system of a fuel cell vehicle system, characterized in that for shutting down the second valve when it is determined that the hydrogen leak. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, T는 온도, P는 압력, R은 기체상수, V는 부피, a와 b는 기체에 따라 달라지는 상수 값으로, 수소 기체의 경우, a 값이 0.244 b값이 0.0266 인 경우, T is the temperature, P is the pressure, R is the gas constant, V is the volume, and a and b are constant values that depend on the gas.In the case of hydrogen gas, if a is 0.244 b is 0.0266, 상기 수소 탱크의 부피는The volume of the hydrogen tank 반 데르 발스 방정식인
Figure 112006048878296-pat00008
으로부터 구해지며,Van der Waals equation
Figure 112006048878296-pat00008
Is obtained from 2.016이 수소 분자량일 경우,If 2.016 is the hydrogen molecular weight, 수소 밀도 ρh2는
Figure 112006048878296-pat00009
이며, Hydrogen density ρh2
Figure 112006048878296-pat00009
Is, 수소의 양 mH2-tank는 The amount of hydrogen mH2-tank
Figure 112006048878296-pat00010
인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 시스템.
Figure 112006048878296-pat00010
Hydrogen leak determination system of a fuel cell vehicle system, characterized in that. 수소를 저장하여 공급하는 수소 탱크와, 상기 수소 탱크의 온도 및 압력을 검출하는 센서들과, 상기 수소를 연료 전지 스택에 공급하는 연료 프로세싱 시스템으로 구성된 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법에 있어서,In the hydrogen leakage determination method of a fuel cell vehicle system comprising a hydrogen tank for storing and supplying hydrogen, sensors for detecting the temperature and pressure of the hydrogen tank, and a fuel processing system for supplying the hydrogen to a fuel cell stack, 상기 수소 탱크의 초기 온도 및 압력을 이용하여 계산되는 초기 수소 탱크의 수소 양과, 일정 시간 후 수소 탱크의 온도 및 압력을 이용하여 계산된 수소 탱크의 수소양을 감산함으로써, 총 수소 공급양을 계산하는 단계;The total amount of hydrogen is calculated by subtracting the amount of hydrogen in the initial hydrogen tank calculated using the initial temperature and pressure of the hydrogen tank and the amount of hydrogen in the hydrogen tank calculated using the temperature and pressure of the hydrogen tank after a certain time. step; 연료 전지 스택에서 생성된 전류를 누적하여 총 수소 사용 양을 계산하는 단계;Calculating a total amount of hydrogen use by accumulating the current generated in the fuel cell stack; 일정 주기로 외부 배출되는 수소 양을 계산하는 단계; 및Calculating the amount of hydrogen discharged from the outside at regular intervals; And 상기 총 수소 공급양으로부터 상기 총 수소 사용 양 및 상기 외부 배출 수소 양을 감산한 결과 값을 허용 기준치와 비교하여 수소 누출을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법. Determining a hydrogen leak by comparing the resultant value obtained by subtracting the total hydrogen use amount and the external exhaust hydrogen amount from the total hydrogen supply amount with an allowable reference value; and determining a hydrogen leak of the fuel cell vehicle system. Way. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 허용 기준치는 The acceptance threshold is 상기 연료 전지 스택의 전류량과 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법. The hydrogen leakage determination method of the fuel cell vehicle system, characterized in that it increases in proportion to the current amount of the fuel cell stack. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein T는 온도, P는 압력, R은 기체상수, V'는 수소의 부피, V는 수소탱크의 부피, a와 b는 기체에 따라 달라지는 상수 값으로, 수소 기체의 경우, a 값이 0.244 b값이 0.0266 인 경우, T is the temperature, P is the pressure, R is the gas constant, V 'is the volume of hydrogen, V is the volume of the hydrogen tank, a and b are constant values that depend on the gas, and in the case of hydrogen gas, the value of a is 0.244 b Is 0.0266, 상기 수소의 부피는The volume of hydrogen 반 데르 발스 방정식인
Figure 112006048878296-pat00011
으로부터 구해지며,Van der Waals equation
Figure 112006048878296-pat00011
Is obtained from 2.016이 수소 분자량일 경우,If 2.016 is the hydrogen molecular weight, 수소 밀도 ρh2는
Figure 112006048878296-pat00012
이며, Hydrogen density ρh2
Figure 112006048878296-pat00012
Is, 상기 수소의 양 mH2-tank는 The amount of hydrogen mH2-tank is
Figure 112006048878296-pat00013
인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템 의 수소 누출 판단 방법.
Figure 112006048878296-pat00013
The hydrogen leakage determination method of a fuel cell vehicle system, characterized in that. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 수소 누출이 일정량 이상일 경우, 상기 수소 탱크로부터의 수소 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 시스템의 수소 누출 판단 방법.If the hydrogen leakage is more than a predetermined amount, the method for determining hydrogen leakage of a fuel cell vehicle system, characterized in that it further comprises the step of stopping the supply of hydrogen from the hydrogen tank.
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