KR101393581B1 - 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법은 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 유량 제어 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 판정하는 것으로서, (a) 수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 연료 전지 스택으로 공급되는 수소 공급량을 검출하며, (b) 연료 전지 스택에서 출력되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 실제 수소 사용량을 검출하며, (c) 수소 공급량과 실제 수소 사용량을 제어부를 통해 비교하여 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정하는 과정을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치 및 그 방법 {HYDROGEN LEAK DETECTING DEVICE AND METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 간단한 구성으로 감지할 수 있도록 한 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료로 사용되는 수소와 산화제로서의 공기를 연료 전지 스택에 공급하고, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산한다.
연료 전지 시스템은 차량에 탑재되며, 연료 전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.
이러한 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
여기서, 연료전지 스택은 통상 MEA, 가스켓, 분리판 등으로 구성된 단위의 연료전지를 수십~수백 장 적층하여 원하는 출력을 얻는다.
이와 같은 연료 전지 시스템에서 가장 핵심 적인 부분은 연료 전지의 수소 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, 수소가 수소센서의 장착위치로 발산되지 않을 경우에는 감지하는데 어려움이 있다.
또한, 수소 센서를 이용한 수소 누출 판단은 정확도, 신뢰도, 내구성, 장착 위치, 차량 움직임 상태 등에 따라 수소 누출 감지의 신속성 및 정확성에 많은 차이가 발생하기도 한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 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 주행 시 누출을 판단하기에는 적절하지 못하고, 수소 누출 판단을 위한 적절한 로직이 개발되지 않아 실제적으로 적용하기에는 불가능한 실정이다.
본 발명의 실시예들은 수소의 리크를 감지하기 위한 별도의 센서를 필요로 하지 않고 간단한 구성으로 연료 전지 시스템의 수소 리크를 판정할 수 있도록 한 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치는, 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 유량 제어 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 판정하는 것으로서, ⅰ)상기 수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값을 기초로 수소의 공급량을 검출하는 제1 검출부와, ⅱ)상기 연료 전지 스택에서 발생되는 전류값을 기초로 실제 수소 사용량을 검출하는 제2 검출부와, ⅲ)상기 제1 검출부에 의해 검출된 수소 공급량과, 상기 제2 검출부에 의해 검출된 실제 수소 사용량을 비교하고 그 비교값에 따라 수소의 리크 여부를 판정하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치에 있어서, 상기 제어부는 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정할 수 있다.
그리고, 또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법은, 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 유량 제어 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 판정하는 것으로서, (a) 수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 연료 전지 스택으로 공급되는 수소 공급량을 검출하며, (b) 상기 연료 전지 스택에서 출력되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 실제 수소 사용량을 검출하며, (c) 상기 수소 공급량과 실제 수소 사용량을 제어부를 통해 비교하여 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법에 있어서, 상기 제어부를 통해 상기 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 종래 기술에서와 같이 별도의 센서를 사용하지 않고서도 수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값에 기초한 수소 공급량과 연료 전지 스택에서 출력되는 전류값에 기초한 실제 수소 사용량을 이용하여 수소의 리크를 판정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 수소의 리크를 감지하기 위한 센서를 필요로 하지 않고 간단한 구성으로 수소의 리크를 판정할 수 있으므로, 전체 시스템의 부품 수를 줄일 수 있으며, 시스템의 컴팩트화, 원가 절감 및 중량 감소를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 시스템의 운전 중에도 수소의 리크 감지가 가능하므로, 기존 압력 센서 기반의 수소 리크 감지 보다 시스템의 안전성 확보에 유리하며, 수소의 리크 감지를 위한 하드웨어가 필요치 않고 일반적인 연료 전지 시스템에도 모두 적용 가능하다는 잇점이 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법을 설명하기 위한 수소 유량 제어 밸브의 유량 공급 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법을 설명하기 위한 연료 전지 시스템 운전 상태를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 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.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소 리크 판정 장치(100)는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 연료 전지 시스템은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 생산된 전기 에너지로서 전기 모터를 구동시키는 연료 전지 차량에 적용될 수 있다.
여기서, 상기 연료 전지 시스템은 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택(1)으로 수소인 연료를 공급하기 위한 수소 공급부와, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급부를 기본적으로 포함하고 있다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에서 수소 공급부는 연료 전지 스택(1)과 연결되는 수소 공급 라인(3)과, 수소 공급 라인(3)에 설치되며 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 수소의 유량을 조절하는 수소 유량 제어 밸브(5)를 포함하고 있다.
이러한 연료 전지 시스템은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 연료 전지 시스템으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치(100)는 수소의 리크를 감지하기 위한 별도의 센서를 필요로 하지 않고 간단한 구성으로 연료 전지 시스템의 수소 리크를 판정할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치(100)는 기본적으로, 제1 검출부(10), 제2 검출부(30) 및 제어부(50)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기에서 제1 검출부(10)는 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위해 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 전류를 전류 측정계(도면에 도시되지 않음)을 통해 측정하고, 그 측정된 전류값을 기초로 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 수소의 공급량을 예측한다.
이와 같은 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 전류값에 상응하는 수소 공급량은 경험치 또는 실험치에 의해 예측될 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.
상기 제2 검출부(30)는 연료 전지 스택(1)에서 출력되는 전류값을 전류 측정계(도면에 도시되지 않음)을 통해 측정하고, 그 측정된 전류값을 기초로 연료 전지 스택(1)에서의 실제 수소 사용량을 검출한다.
여기서도 상기 연료 전지 스택(1)에서 출력되는 전류값에 상응하는 실제 수소 사용량은 경험치 또는 실험치에 의해 예측될 수 있으므로, 본 명세서에서 어느 특정한 값으로 한정하지 않는다.
그리고, 본 발명의 실시예에서 상기 제어부(50)는 제1 검출부(10)에 의해 검출된 수소 공급량과, 제2 검출부(30)에 의해 검출된 실제 수소 사용량을 비교하고 그 비교값에 따라 수소의 리크 여부를 판정한다.
이 경우 상기 제어부(50)는 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치(100)를 이용한 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법을 앞서 개시한 도면 및 하기의 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 제1 검출부(10)로서 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 수소 공급량을 검출한다(S11 단계).
그리고, 본 발명의 실시예에서는 제2 검출부(30)로서 연료 전지 스택(1)에서 출력되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 실제 수소 사용량을 검출한다(S12 단계).
이와 같이 제1 검출부(10)에 의해서 검출된 수소 공급량의 검출값과, 제2 검출부(30)에 의해서 검출된 실제 수소 사용량의 검출값은 제어부(50)로 출력된다.
그러면, 상기 제어부(50)는 수소 공급량과 실제 수소 사용량을 비교하여 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면(S13 단계), 연료 전지 시스템에서 수소의 리크가 발생되는 것으로 판정한다(S14 단계).
여기서, 상기 제어부(50)는 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정할 수 있다.
도 3의 그래프는 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 전류에 따른 히스테리시스 곡선을 나타낸 것으로, 수소 유량 제어 밸브(5)의 인가 전류에 따라 연료 전지 스택(1)으로 공급되는 수소의 유량 변화를 도시하고 있다.
도 3의 그래프에서와 같이, 만약 연료 전지 시스템의 운전 중 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가된 전류가 A라 하고, 실제 사용된 유량이 B 범위 보다 낮게 있을 경우, 즉 리크 영역(leak area)에 있을 경우는 실제 공급 유량 보다 사용한 유량이 많으므로 수소 유량 제어 밸브(5)의 후단에서 수소의 리크가 발생되었다고 판단 가능하다.
다만, 외란에 의한 영향이나 수소 퍼지 등에 의한 일시적인 유량 오차를 극복하기 위해 실제 사용된 유량이 B 범위 보다 낮은 리크 영역(leak area)에 있을 경우, 제어부(50)는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크가 발생되는 것으로 판정할 필요가 있다.
여기서, 상기 도 3의 그래프에서 히스테리시스 특성이 줄어들수록 제어부(50)의 판정 정확도는 상승할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예를 적용한 연료 전지 시스템의 운전 상태를 나타낸 그래프로서, 시스템이 정전류 운전을 한다면 리크 영역 리미트(leak area limit) 또한 일정한 상태를 유지한다.
그리고, 임의의 시점에 수소의 리크가 발생할 경우, 수소의 리크량을 보상하기 위해 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 소모 전류를 상승시킨다(도면에서의 "C" 부분).
이 경우, 수소 유량 제어 밸브(5)의 소모 전류가 상기 리크 영역 리미트를 넘어서서 일정 시간(2sec) 유지할 경우, 제어부(50)는 이를 판단하여 연료 전지 시스템에서 수소의 리크가 발생되는 것으로 판정한다.
또한, 시스템이 정전류 소모 상태가 아니더라도 실제 다이나믹 운전 시에도 리크 영역 리미트가 함께 변동하며 제어부(50)를 통한 수소의 리크 판정이 가능하다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치(100) 및 그 방법에 의하면, 종래 기술에서와 같이 별도의 센서를 사용하지 않고서도 수소 유량 제어 밸브(5)에 인가되는 전류값에 기초한 수소 공급량과 연료 전지 스택(1)에서 출력되는 전류값에 기초한 실제 수소 사용량을 이용하여 수소의 리크를 판정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 수소의 리크를 감지하기 위한 센서를 필요로 하지 않고 간단한 구성으로 수소의 리크를 판정할 수 있으므로, 전체 시스템의 부품 수를 줄일 수 있으며, 시스템의 컴팩트화, 원가 절감 및 중량 감소를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 시스템의 운전 중에도 수소의 리크 감지가 가능하므로, 기존 압력 센서 기반의 수소 리크 감지 보다 시스템의 안전성 확보에 유리하며, 수소의 리크 감지를 위한 하드웨어가 필요치 않고 일반적인 연료 전지 시스템에도 모두 적용 가능하다는 잇점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
1... 연료 전지 스택
3... 수소 공급 라인
5... 수소 유량 제어 밸브
10... 제1 검출부
30... 제2 검출부
50... 제어부

Claims (4)

  1. 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 유량 제어 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 판정하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치로서,
    상기 수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값을 기초로 수소의 공급량을 검출하는 제1 검출부;
    상기 연료 전지 스택에서 발생되는 전류값을 기초로 실제 수소 사용량을 검출하는 제2 검출부; 및
    상기 제1 검출부에 의해 검출된 수소 공급량과, 상기 제2 검출부에 의해 검출된 실제 수소 사용량을 비교하고 그 비교값에 따라 수소의 리크 여부를 판정하는 제어부
    를 포함하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 장치.
  3. 연료 전지 스택으로 공급되는 수소의 유량을 조절하기 위한 수소 유량 제어 밸브를 포함하는 연료 전지 시스템에서 수소의 리크를 판정하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법으로서,
    수소 유량 제어 밸브에 인가되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 연료 전지 스택으로 공급되는 수소 공급량을 검출하며,
    상기 연료 전지 스택에서 출력되는 전류값을 측정하고, 그 전류값에 기인하여 실제 수소 사용량을 검출하며,
    상기 수소 공급량과 실제 수소 사용량을 제어부를 통해 비교하여 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제어부를 통해 상기 수소 공급량과 실제 수소 사용량의 차이가 일정 시간 동안 기설정된 유량 이상인 것으로 판단되면, 수소 리크로 판정하는 연료 전지 시스템의 수소 리크 판정 방법.
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