KR100941258B1 - 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 수소 재순환 블로워가 정상적으로 작동하지 않는 경우, 연료전지 스택의 애노드측을 데드 엔드(Dead End) 조건으로 구동하여, 연료전지 스택의 손상을 방지하는 동시에 차량이 비정상 상태임을 경보할 수 있도록 한 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 수소탱크와 연료전지 스택의 애노드측간에 연결되는 수소공급배관과, 상기 수소공급배관과 상기 연료전지 스택의 수소 출구측 배관간에 연결되는 수소 재순환 배관과, 상기 수소 재순환 배관상에 설치되는 수소 재순환 블로워와, 상기 수소공급배관과 상기 수소 재순환 블로워간을 연결하는 수소 재순환 배관상에 설치되는 제1솔레노이드 밸브와, 상기 수소 출구측 배관의 끝단부에 설치되는 제2솔레노이드 밸브와, 상기 제1 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐 제어를 위한 밸브 액츄에이터와, 상기 수소 재순환 블로워의 회전수를 모니터링하여 밸브 액츄에이터에 작동 신호를 전송하는 연료전지 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템과; 이 시스템 구성을 기반으로 이루어지는 연료전지용 수소 재순환 블로워의 작동 제어 방법을 제공한다.
연료전지, 수소 재순환 블로워, 제어 방법, 데드 엔드, 솔레노이드 밸브
Description
본 발명은 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 수소 재순환 블로워가 정상적으로 작동하지 않는 경우, 연료전지 스택의 애노드측을 데드 엔드(Dead End) 조건으로 구동하여, 연료전지 스택의 손상을 방지하는 동시에 차량이 비정상 상태임을 경보할 수 있도록 한 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
연료전지는 반응 기체의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있고, 이런 이유로 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
대개, 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극으로 넘어가게 된다.
따라서, 실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 하며, 단위 전지를 적층한 것을 연료전지 스택(= 스택)이라 하며, 이러한 연료전지 스택에 있어서, 음극(애노드)으로 수소를, 양극(캐소드)으로 공기 또는 산소를 흘려주어 그 내부에서 전기화학반응을 일으킴으로써, 고효율의 전기 에너지와 반응에 의한 물을 발생시키게 된다.
현재, 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 수소 출구측에 수소 재순환 블로워를 연결하여, 수소 출구측 수소를 재사용하고 있다.
즉, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 수소 재순환 블로워를 연결하여, 연료전지 스택의 애노드측에서 사용하고 남은 수소를 다시 애노드 공급측으로 재순환시켜, 수소의 재사용을 도모하고 있다.
그러나, 기존 수소재순환 블로워를 이용한 연료전지 시스템의 경우, 수소 재순환 장치가 정상적으로 동작하지 않을 경우 연료전지 스택보다 재순환 배관쪽의 부하가 작기 때문에 스택내로 공급된 수소가 재순환 배관을 통해 연료전지 스택의 수소 출구측으로 흘러갈 위험성이 있다.
또한, 불순물 및 물 제거를 위해 수소쪽 배기 밸브가 열릴 경우, 재순환 배관쪽을 통해 탱크에서 공급된 수소가 바로 빠져나가는 문제점이 있고, 이로 인해 연료전지 시스템 성능이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
다시 말해서, 연료전지 시스템용 수소 재순환 블로워의 동작 정지시, 수소 블로워 배관을 통해 탱크에서 공급된 수소가 스택 후단으로 흘러갈 위험성이 있고, 이로 인해 연료전지 시스템 성능이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수소 재순환 블로워의 동작 상태를 블로워 회전수를 통해 확인하여 비정상 동작으로 판정되면, 재순환 블로워의 동작을 정지시킴과 함께 수소 재순환 배관에 있는 솔레노이드 밸브를 닫아서 재순환 라인을 차단하고, 동시에 연료전지 스택의 애노드 측을 데드 엔드(Dead end) 조건으로 구동시켜, 연료전지 스택에서 끌어갈 수 있는 전류값을 주행에 필요한 최소한으로 제한하도록 함으로써, 연료전지 스택의 손상을 방지하는 동시에 운전자에게 차량이 비정상 상태임을 경보할 수 있는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 수소탱크와 연료전지 스택의 애노드측간에 연결되는 수소공급배관과; 상기 수소공급배관과 상기 연료전지 스택의 수소 출구측 배관간에 연결되는 수소 재순환 배관과; 상기 수소 재순환 배관상에 설치되는 수소 재순환 블로워와; 상기 수소공급배관과 상기 수소 재순환 블로워간을 연결하는 수소 재순환 배관상에 설치되는 제1솔레노이드 밸브와; 상기 수소 출구측 배관의 끝단부에 설치되는 제2솔레노이드 밸브와; 상기 제1 및 제2솔레노이드 밸브의 개폐 제어를 위한 밸브 액츄에이터와; 상기 수소 재순환 블로워의 회전수를 모니터링하여, 밸브 액츄에이터에 작동 신호를 전송하는 연료전지 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 제1솔레노이드 밸브와 수소 재순환 블로워간의 수소 재순환 배관에는 배관내의 가스온도를 검출하여, 그 검출신호를 상기 연료전지 제어기에 전송하는 온도센서가 장착된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 연료전지 제어기에는 운전자가 수소 재순환 블로워의 작동 불량을 인지할 수 있는 운전자 인터페이스가 더 연결된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지 시스템의 수소 재순환 블로워에 대한 회전수를 연료전지 제어기에서 모니터링하는 동시에 수소 재순환 블로워의 현재 회전수를 기준 회전수와 비교하는 제1단계와; 상기 수소 재순환 블로워의 현재 회전수가 기준 회전수 이하이면 수소 재순환 블로워의 이상으로 판단하여 전원 차단으로 정지시키는 제2단계와; 상기 수소 재순환 블로워의 정지 동작과 동시에 상기 연료전지 제어기에서 밸브 액츄에이터에 신호를 보내어, 수소공급배관과 수소 재순환 블로워간을 연결하는 수소 재순환 배관상의 제1솔레노이드 밸브를 닫힘으로 작동시키는 제3단계와; 상기 수소 재순환 블로워의 정지 및 제1솔레노이드 밸브의 닫힘 상태에서 연료전지 스택이 데드 엔드 모드로 운전되는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어 방법을 제공한다.
바람직한 구현예로서, 상기 수소 재순환 배관내의 가스온도 및 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 모니터링 및 비교하는 단계가 더 진행되어, 상기 냉각수 출구온도가 더 크면, 상기 제2단계로 진입하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 제2단계에서, 수소 재순환 블로워의 정지와 함께 연료전지 사용 가능 전류를 연료전지 시스템 운전에 필요한 최소한의 전류값으로 제한하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 제2단계에서, 수소 재순환 블로워의 정지와 함께 운전자에게 수소 재순환 블로워의 이상을 알리는 경보 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 또 다른 구현예로서, 연료전지 스택이 데드 엔드 모드로 운전되는 상태에서, 연료전지 스택의 현재 전압과 정상 전압을 비교하여, 전압차가 클수록 연료전지 스택의 수소 출구측 배관에 설치되는 제2솔레노이드 밸브의 개폐주기를 짧게 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
1) 수소 재순환 블로워가 정상적으로 동작하지 않을 경우, 재순환 블로워 동 작을 정지시키고, 재순환 배관상의 솔레노이드 밸브를 닫아 재순환 배관으로 수소가 유입되는 것을 차단해줌으로써, 기존에 탱크로부터의 수소가 재순환 배관으로 역류되는 방지하여 연료전지 스택의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
2) 또한, 수소 재순환 블로워가 정상적으로 동작하지 않을 경우, 연료전지 스택을 데드 엔드 조건으로 구동시키는 동시에 스택에서 사용하는 전류값을 주행에 필요한 최소한의 전류값으로 제한하여 연료전지 스택의 손상을 방지할 수 있다.
3) 또한, 수소 재순환 블로워가 정상적으로 동작하지 않을 경우, 운전자 인터페이스를 통해 경보함으로써, 이를 운전자가 인지하여 신속하게 정비를 받을 수 있음을 유도할 수 있다.
우선, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 본 명세서에서 사용되는 용어를 정의하면 다음과 같다.
1) 수소 재순환 시스템(Hydrogen recirculation system): 연료전지 스택의 발전 효율을 높이기 위해 미반응한 수소를 재순환시키고, 시스템의 안정을 향상시키기 위해 수소 재순환 블로워를 사용하는 시스템
2) 수소 재순환 블로워(Hydrogen blower): 수소 블로워는 임펠러, 모터, 블로워 하우징, 그리고 모터 제어기로 구성되며, 연료전지 스택 출구로 배출된 혼합가스에 압력을 상승시켜 스택 입구로 다시 재순환시키고, 스택 입구로 보내진 혼합가스는 수소 가스와 섞여서 스택 입구로 들어가게 된다.
3) 연료전지 스택(Fuel cell stack): 연료전지의 발전 모듈로 공기와 수소의 전기 화학적 반응으로 전기를 생성하며, 공기극(Cathode electrode), 연료극(Anode electrode), MEA, 냉각유로 등의 구성 요소를 갖는다.
4) 연료전지 제어기(Blower controller): 연료전지 시스템 운전중 연료전지에 공급되는 연료인 수소와 공기의 유량을 제어하고, 스택 온도 조절을 위해 냉각량을 결정하는 역할을 하며, 연료전지의 상태를 모니터링하여 연료전지의 정상적인 운전 상태를 제어하는 기능을 한다.
5) 연료전지 데드 엔드(Dead End) 운전: 연료전지에서 수소가 공급되는 애노드측을 사용하고 남은 수소를 재순환시키는 구성없이, 스택에서 사용하고 남은 수소량에 비례하여 탱크로부터 수소가 공급되도록 운전하는 방식을 말한다.
6) 연료전지 최대 전류 제한: 연료전지 시스템을 보호하기 위해 연료전지 상태에 따라 뽑아 갈 수 있는 전류의 최대값을 제한하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템을 설명하는 구성도이고, 도 3은 수소 재순환 블로워의 작동 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
연료전지 스택(10)은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 이를 위해 연료전지 스택(10)의 애노드 측에 수소 공급을 위한 수소탱크(12)가 수소공급배관(14)을 매개로 연결된다.
또한, 상기 수소공급배관(14)상에는 수소 공급압 조절을 위한 고압 및 저압 레귤레이터(16,18)가 순차적으로 설치되고, 그 사이에는 수소 공급 차단을 위한 제3솔레노이브 밸브(20)가 설치된다.
이때, 연료전지 시스템의 연료전지 스택(10)의 수소 출구측에는 배출되는 수소의 재사용을 위하여 수소 재순환 블로워(22)가 연결된다.
즉, 상기 수소공급배관(14)과 상기 연료전지 스택(10)의 수소 출구측 배관(24) 사이에 연결되는 수소 재순환 배관(26)상에 수소 재순환 블로워(22)가 설치된다.
여기서, 상기 수소공급배관(14)과 상기 수소 재순환 블로워(22)간을 연결하는 수소 재순환 배관(26)상에 탱크(12)에서 공급된 수소가 수소 재순환 배관(26)을 통해 연료전지 스택(10)의 후단으로 흘러가는 것을 차단할 수 있는 제1솔레노이드 밸브(28)가 장착된다.
또한, 상기 수소 출구측 배관(24)의 끝단부에는 연료전지 스택(10)의 수소 유로에 축적된 과량의 물 배출을 위한 수소 퍼지 밸브로서 제2솔레노이드 밸브(30)가 장착된다.
이때 상기 제1,2,3솔레노이드 밸브(28,30,20)는 그 개폐 동작을 조절하는 밸브 액츄에이터(32)와 연결되고, 이 밸브 액츄에이터(32)는 연료전지 제어기(34)와 신호 교환 가능하게 연결된다.
한편, 상기 제1솔레노이드 밸브(28)와 수소 재순환 블로워(22)간의 수소 재순환 배관(26)에는 배관내의 가스온도를 검출하여, 그 검출신호를 상기 연료전지 제어기(34)에 전송하는 온도센서(36)가 장착된다.
또한, 상기 연료전지 제어기(34)에는 운전자가 수소 재순환 블로워(22)의 작동 불량을 인지할 수 있는 운전자 인터페이스(38), 예를들어 시각적인 램프 또는 청각적인 경보음 발생장치가 연결된다.
또한, 상기 수소 재순환 블로워(22)에는 블로워모터의 회전수를 모니터링하는 일종의 회전수 감지센서(미도시됨)가 장착되고, 이 센서는 상기 연료전지 제어기(34)와 신호 교환 가능하게 연결된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수소 재순환 블로워에 대한 회전수 모니터링 단계가 선행된다.
즉, 수소 재순환 블로워에 대한 회전수, 다시 말해서 수소 재순환 블로워(22)에 포함된 블로워 모터의 회전수를 회전수 감지센서에서 감지하여, 그 검출 신호를 연료전지 제어기(34)에 전송한다.
이에, 상기 연료전지 제어기(34)는 수소 재순환 블로워(22)의 현재 회전수를 기준 회전수와 비교하는 연산을 하게 되고, 그 결과 상기 수소 재순환 블로워(22)의 현재 회전수가 기준 회전수 이하이면 수소 재순환 블로워(22)의 이상으로 판단하여, 수소 재순환 블로워(22)에 대한 전원을 차단하여 정지시키는 제어를 하게 된다.
또는, 상기 수소 재순환 배관(26)에 장착된 온도센서(36)에서, 수소 재순환 배관(26)내의 가스온도를 검출하여 연료전지 제어기(34)에 전송하면, 연료전지 제 어기(34)는 검출된 가스온도와 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 비교하게 되고, 그 비교결과 상기 냉각수 출구온도가 더 크면, 수소 재순환 블로워(22)의 이상으로 판단하여, 수소 재순환 블로워(22)에 대한 전원을 차단하여 정지시키는 제어를 하게 된다.
이때, 상기 수소 재순환 배관(26)내의 가스온도(또는 배관온도)를 온도센서(36)로 검출하여, 수소 재순환 블로워(22)의 동작 유무를 판단할 수 있는 이유는 상기 재순환 블로워(22)가 정상 동작할 경우 수소 재순환 배관(26)내의 가스온도와 연료전지 스택(10)의 온도는 비슷한 수준을 유지하는 반면, 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구 온도가 수소 재순환 배관(22)의 가스온도보다 일정 수준 이상으로 높아질 경우에는 수소 재순환 블로워(22)가 동작하지 않는 것으로 판단할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 수소 재순환 블로워(22)의 정지 동작과 동시에 상기 연료전지 제어기(34)에서 밸브 액츄에이터(32)에 신호를 보내고, 이 밸브 액츄에이터(32)의 조절 동작에 의하여 상기 수소공급배관(14)과 수소 재순환 블로워(22)간을 연결하는 수소 재순환 배관(26)상의 제1솔레노이드 밸브(28)는 닫힘으로 작동된다.
한편, 첨부한 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 상기 수소 재순환 블로워(22)의 정지와 함께 상기 연료전지 제어기(34)는 연료전지의 사용 가능 전류를 연료전지 시스템 운전에 필요한 최소한의 전류값으로 제한한다.
즉, 상기 연료전지 제어기(34)에서는 연료전지 스택(10)에서 끌어갈 수 있는 전류값을 연료전지 차량의 주행에 필요한 최소한으로 제한하여 연료전지 스택의 손 상을 방지할 수 있도록 한다.
또한, 상기 수소 재순환 블로워(22)의 정지와 함께 운전자에게 수소 재순환 블로워(22)의 이상을 알리는 경보 단계가 운전자 인터페이스(38)를 통해 이루어지게 되고, 이를 운전자가 인지하여 신속하게 정비를 받을 수 있음을 유도하게 된다.
상기와 같이, 수소 재순환 블로워(22)의 정지 및 제1솔레노이드 밸브(28)의 닫힘 상태에서 연료전지 제어기(34)에 의하여 연료전지 스택(10)은 데드 엔드 운전모드로 운전되어진다.
연이어, 상기 연료전지 스택(10)이 데드 엔드 모드로 운전되는 상태에서, 연료전지 제어기(34)에 의하여, 연료전지 스택(10)의 현재 전압과 정상 전압을 비교하는 단계가 진행되는 바, 그 전압차가 클수록 연료전지 스택(10)의 수소 출구측 배관(24)에 설치되는 제2솔레노이드 밸브(30)의 개폐주기를 첨부한 도 5의 그래프와 같이 짧게 제어하여, 연료전지 스택(10)의 애노드측 수소 공급을 원활히 하고, 애노드측의 유로에 과축적된 물과 불순물 보다 신속하게 제거하여, 연료전지 시스템 성능 유지하는 동시에 스택 손상 방지를 도모할 수 있도록 한다.
도 1은 기존의 연료전지용 수소 재순환 시스템을 설명하는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 시스템을 설명하는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어시, 연료전지 최대 전류를 제한하는 것을 설명하는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어시, 수소 배기를 위한 수소 퍼지 밸브(제2솔레노이드 밸브)의 개폐주시를 설명하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 12 : 수소탱크
14 : 수소공급배관 16 : 고압 레귤레이터
18 : 저압 레귤레이터 20 : 제3솔레노이브 밸브
22 : 수소 재순환 블로워 24 : 수소 출구측 배관
26 : 수소 재순환 배관 28 : 제1솔레노이드 밸브
30 : 제2솔레노이드 밸브 32 : 밸브 액츄에이터
34 : 연료전지 제어기 36 : 온도센서
38 : 운전자 인터페이스
Claims (8)
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- 연료전지 시스템의 수소 재순환 블로워에 대한 회전수를 연료전지 제어기에서 모니터링하는 동시에 수소 재순환 블로워의 현재 회전수를 기준 회전수와 비교하는 제1단계와;상기 수소 재순환 블로워의 현재 회전수가 기준 회전수 이하이면 수소 재순환 블로워의 이상으로 판단하여 전원 차단으로 수소 재순환 블로워를 정지시킴과 함께 연료전지 사용 가능 전류를 연료전지 시스템 운전에 필요한 최소한의 전류값으로 제한하고, 운전자에게 수소 재순환 블로워의 이상을 알리는 경보를 제공하는 제2단계와;상기 수소 재순환 블로워의 정지 동작과 동시에 상기 연료전지 제어기에서 밸브 액츄에이터에 신호를 보내어, 수소공급배관과 수소 재순환 블로워간을 연결하는 수소 재순환 배관상의 제1솔레노이드 밸브를 닫힘으로 작동시키는 제3단계와;상기 수소 재순환 블로워의 정지 및 제1솔레노이드 밸브의 닫힘 상태에서 연료전지 스택이 데드 엔드 모드로 운전되되, 이 데드 엔드 모드로 운전되는 상태에서 연료전지 스택의 현재 전압과 정상 전압을 비교하여, 전압차가 클수록 연료전지 스택의 수소 출구측 배관에 설치되는 제2솔레노이드 밸브의 개폐주기를 짧게 제어하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어 방법.
- 청구항 4에 있어서, 상기 수소 재순환 배관내의 가스온도 및 연료전지 스택의 냉각수 출구온도를 모니터링 및 비교하는 단계가 더 진행되어, 상기 냉각수 출구온도가 더 크면, 상기 제2단계로 진입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 수소 재순환 블로워 작동 제어 방법.
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