KR101405213B1 - 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템은 ⅰ)연료 전지 스택과, ⅱ)수소 가스를 저장하며 그 수소 가스를 연료 전지 스택으로 공급하는 수소 탱크와, ⅲ)연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 블로워와, ⅳ)공기 블로워와 연료 전지 스택을 연결하는 제1 공기 공급 경로로부터 분기되며, 블로워 팬을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급하는 제2 공기 공급 경로에 연결되는 분기 라인과, ⅴ)분기 라인과 상기 제1 및 제2 공기 공급 경로의 연결 지점에 각각 설치되는 유로 전환 밸브를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND OPERATING METHOD OF THE SAME}

본 발명의 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택으로 공기가 원활하게 공급되지 않는 비정상적인 상황에서도 비상 시동을 가능케 할 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이루어진다. 예를 들면, 연료 전지 시스템은 연료 전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

예를 들면, 연료 전지 차량에는 연료 전지 시스템에서 생산되는 전기를 충전하며 전기 모터에 전원을 인가하여 구동시키는 고전압(대략 200V)의 메인 배터리와, 연료 전지 시스템에서 생산되는 전기를 충전하며 공조 시스템 등과 같은 차량의 각종 구동원에 전원을 인가하는 저전압(대략 12V)의 보조 배터리를 구비하고 있다.

여기서, 연료 전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 연료 전지 스택과, 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

연료 전지 스택은 연료 전지의 공기극에서 고온 다습한 공기가 배출될 수 있으며, 고출력 운전 시에는 연료 전지의 공기극에서 고온 건조한 공기가 배출될 수 있다. 그리고, 연료 전지의 연료극에서는 수분을 포함하고 있는 미반응 수소가 배출될 수 있다.

또한, 고분자 연료 전지의 경우 그 연료 전지의 작동을 위해서는 반드시 수분이 필요하며, 이를 위해 연료 전지 시스템에는 연료 전지로 공급되어지는 공기를 가습시키는 가습장치가 사용되어지고 있다.

가습장치는 연료 전지의 공기극으로부터 배출되는 공기(습윤 공기)와 공기 공급장치로부터 공급되는 공기(건조 공기)의 가습이 이루어지고 그 가습된 공기(가습 공기)를 연료 전지의 공기극으로 공급한다.

한편, 연료 전지 시스템에서 공기 공급장치는 고전압의 메인 배터리로부터 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료 전지 스택으로 공급하는 공기 블로워를 구비하고 있다.

이와 같은 공기 블로워는 공기 블로워 제어기에 의해 전원을 공급받게 되는데, 연료 전지 차량의 시동 시 양방향 컨버터(BHDC 또는 양방향 DC-DC 컨버터)를 통해 메인 배터리의 전원을 400V로 승압하고 그 승압된 전원을 공기 블로워 제어기에 공급함으로써 작동될 수 있다.

그리고 연료 전지 스택과 공기 블로워를 연결하는 연결라인에는 시동 오프 시 연료 전지 스택 내로 공기가 유입되지 않도록 하여 그 연료 전지 스택의 열화를 방지케 하는 에어 컷 오프 밸브(ACV: Air Cut-off Valve)를 구비하고 있다.

즉, 연료 전지 시스템의 시동 오프 시, 공기가 계속적으로 연료 전지 스택으로 공급되는 바, 이에 연료 전지 스택에서는 전기가 계속적으로 발생되기 때문에 연료 전지 스택의 전압 강하가 어려워져 연료 전지 스택의 열화가 발생할 수 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 연료 전지 시스템에서 비정상적인 상황 예컨대, 배터리 제어기(Battery Management System: BMS)의 고장, 양방향 컨버터의 고장, 메인 배터리의 방전, 및 공기 블로워의 고장 등이 발생할 경우에는 공기 블로워의 작동이 정상적으로 이루어지지 않아 연료 전지 스택이 활성화되지 못하고, 차량은 정상적인 구동이 불가능하게 된다.

본 발명의 실시예들은 연료 전지 스택으로 공기가 원활하게 공급되지 않는 비정상적인 상황에서 간단한 구성으로 비상 시동을 가능케 하는 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료 전지 스택과, ⅱ)수소 가스를 저장하며 그 수소 가스를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 수소 탱크와, ⅲ)상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 블로워와, ⅳ)상기 공기 블로워와 연료 전지 스택을 연결하는 제1 공기 공급 경로로부터 분기되며, 블로워 팬을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급하는 제2 공기 공급 경로에 연결되는 분기 라인과, ⅴ)상기 분기 라인과 상기 제1 및 제2 공기 공급 경로의 연결 지점에 각각 설치되는 유로 전환 밸브를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템은, 상기 공기 블로워의 미 작동 시, 상기 블로워 팬으로부터 제공되는 공기를 상기 유로 전환 밸브의 조작으로서 상기 분기 라인을 통해 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 유로 전환 밸브는 쓰리-웨이(3-WAY) 밸브로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 공기 블로워는 차량의 메인 배터리로부터 고전압의 전원을 인가받아 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템은, 상기 공기 블로워의 미 작동 시, 저전압의 보조 배터리로부터 전원을 인가받아 작동하는 상기 블로워 팬을 통해 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 공기 공급 경로에는 상기 공기 블로워 또는 블로워 팬으로부터 공급되는 공기를 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 수분으로서 가습하는 가습기가 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법은, (a) 키-온(key-on) 조건인지를 판단하고, 키-온 조건이면 수소 탱크로부터 수소 가스를 연료 전지 스택으로 공급하고, 공기 블로워를 통해 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 과정과, (b) 상기 공기 블로워가 정상적으로 작동하는지 판단하고, 공기 블로워가 작동하지 않는 것으로 판단되면 유로 전환 밸브를 작동시켜 분기 라인과 제1 및 제2 공기 공급 경로를 개방하는 과정과, (c) 블로워 팬으로부터 차량의 공조 시스템으로 제공되는 공기를 상기 분기 라인을 통해 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법에 있어서, 상기 공기 블로워의 미작동 조건은 배터리 제어기의 고장, 양방향 컨버터의 고장, 메인 배터리의 방전, 및 공기 블로워의 고장을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템의 운전 방법은, 키-오프(key-off) 조건이면, 상기 유로 전환 밸브를 작동시켜 상기 공기 블로워로부터 제공되는 공기를 분기 라인을 통해 제2 공기 공급 경로로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 배터리 제어기(Battery Management System: BMS)의 고장, 양방향 컨버터의 고장, 메인 배터리의 방전, 및 공기 블로워의 고장 등으로 인해 공기 블로워가 정상적으로 작동하지 않는 비정상적인 상황에서도 HVAC의 블로워 팬에 의해 공조 시스템으로 제공되는 공기를 연료 전지 스택으로 공급함으로써 비상 시동이 가능해진다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 공기 블로워가 정상적으로 작동하지 않는 비정상적인 상황에서도 비상 시동이 가능하므로, 연료 전지 차량의 상품성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 차량에 기 설치되어 있는 블로워 팬을 그대로 이용하고, 분기 라인 및 유로 전환 밸브를 추가 설치하는 등 비교적 간단한 구성으로 비상 시동이 가능하다는 잇점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 유로 전환 밸브의 적용으로 종래 기술에서와 같은 에어 컷 오프 밸브 등을 삭제할 수 있으며, 연료 전지 시스템의 시동 오프 시 연료 전지 스택으로 공급되는 공기를 즉각적으로 차단할 수 있으므로 시동 오프의 시간을 단축시킬 수 있으며, 연료 전지 스택의 열화를 방지할 수 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 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 공기 공급 유량을 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 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 생산되는 전기 에너지로서 전기 모터를 작동시키는 연료 전지 차량에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 연료 전지 차량에는 연료 전지 시스템(100)에서 생산되는 전기를 충전하며 전기 모터에 전원을 인가하여 구동시키는 고전압(대략 200V) 배터리(이하에서는 "메인 배터리(1)" 라고 한다)와, 연료 전지 시스템(100)에서 생산되는 전기를 충전하며 공조 시스템 등과 같은 차량의 각종 구동원에 전원을 인가하는 저전압(대략 12V) 보조 배터리(이하에서는 "서브 배터리(3)" 라고 한다)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 연료 전지 시스템(100)에 사용되는 연료를 수소 가스로 정의할 수 있으며, 산화제를 공기로 정의할 수 있다.

상기한 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 전지 스택(10)과, 수소 탱크(20)와, 공기 블로워(30)를 포함하고 있다.

상기 연료 전지 스택(10)은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체로 이루어지며, 수소 탱크(20)로부터 공급되는 수소 가스를 공급받고 공기 블로워(30)로부터 공기를 제공받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

상기 수소 탱크(20)는 수소 가스를 압축 저장하며, 그 수소 가스를 연료 전지 스택(10)의 연료극으로 공급하고, 공기 블로워(30)는 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 연료 전지 스택(10)의 공기극으로 공급하는 기능을 하게 된다.

여기서, 공기 블로워(30)는 메인 배터리(1)로부터 고전압(대략 200V)의 전원을 인가받아 대기 중의 공기를 흡입하여 연료 전지 스택(10)으로 공급하는 것으로, 제1 공기 공급 경로(11)를 통해 연료 전지 스택(10)과 연결될 수 있다.

이 경우, 상기 공기 블로워(30)는 공기 블로워 제어기(31)에 의해 전원을 공급받게 되는데, 연료 전지 차량의 시동 시 양방향 컨버터(33)(BHDC 또는 양방향 DC-DC 컨버터)를 통해 메인 배터리(1)의 전원을 400V로 승압하고 그 승압된 전원을 공기 블로워 제어기(31)에 공급함으로써 작동될 수 있다.

한편, 상기 제1 공기 공급 경로(11)에는 연료 전지 스택(10)의 공기극으로부터 배출되는 습윤 공기로서 공기 블로워(30) 또는 뒤에서 더욱 설명될 블로워 팬(51)으로부터 공급되는 건조 공기를 가습하는 공지 기술의 가습기(40)가 설치될 수 있다.

즉, 상기 제1 공기 공급 경로(11)는 공기 블로워(30)와 가습기(40)를 연결하며, 공기 블로워(30) 또는 뒤에서 더욱 설명될 블로워 팬(51)에 의해 제공되는 공기를 가습기(40)로 공급할 수 있다.

이러한 가습기(40)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 가습장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도면에서 미설명된 참조 부호 45는 공기 블로워(30)로 유입되는 대기 중의 공기를 필터링 하는 에어 필터를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 공기 블로워(30)가 작동하지 않는 비상 조건, 예컨대 배터리 제어기(Battery Management System: BMS)의 고장, 양방향 컨버터(33)의 고장, 메인 배터리(1)의 방전, 및 공기 블로워(30)의 고장 시 HVAC(5)(Heat, Ventilation, Air Conditioner)의 차량 공조 시스템에 사용되는 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 분기 라인(61)과 유로 전환 밸브(71, 72)를 포함하고 있다.

여기서, 상기한 바와 같은 HVAC(5)는 블로워 팬(51)을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급할 수 있는데, 블로워 팬(51)은 위에서 언급한 바 있는 서브 배터리(3)로부터 저전압의 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 제2 공기 공급 경로(52)를 통해 공조 시스템으로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 분기 라인(61)은 공기 블로워(30)의 미 작동 시, 블로워 팬(51)에 의해 공조 시스템으로 제공되는 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 것이다.

상기 분기 라인(61)은 공기 블로워(30)와 연료 전지 스택(10)을 연결하는 제1 공기 공급 경로(11)로부터 분기되며, 블로워 팬(51)을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급하는 제2 공기 공급 경로(52)에 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 유로 전환 밸브(71, 72)는 공기 블로워(30)의 작동 시, 제1 공기 공급 경로(11)와 제2 공기 공급 경로(52)를 각각 개방하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 폐쇄하는 기능을 하게 된다.

그리고, 상기 유로 전환 밸브(71, 72)는 공기 블로워(30)의 미 작동 시, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 폐쇄하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 개방하는 기능을 하게 된다.

또한, 상기 유로 전환 밸브(71, 72)는 시동 오프(key-off) 시, 공기 블로워(30) 및 블로워 팬(51)의 토출단 측에서 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 각각 폐쇄하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 개방하는 기능을 하게 된다.

이는 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프 시, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 차단하고 그 제1 공기 공급 경로(11)와 분기 라인(61)을 개방하여 공기 블로워(30)로부터 제공되는 공기를 제1 공기 공급 경로(11) 및 분기 라인(61)을 통해 제2 공기 공급 경로(52)로 공급하기 위한 것이다.

즉, 이 경우는 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프 시, 연료 전지 스택(10)으로 공기가 유입되지 않도록 함으로써 연료 전지 스택(10)의 열화를 방지할 수 있다.

왜냐하면, 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프 시, 공기가 계속적으로 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 바, 이에 연료 전지 스택(10)에서는 전기가 계속적으로 발생되기 때문에 연료 전지 스택(10)의 전압 강하가 어려우므로 연료 전지 스택(10)의 열화가 발생할 수 있다.

상기한 바와 같은 유로 전환 밸브(71, 72)는 분기 라인(61)과 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)의 연결 지점에 각각 설치되는 바, 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 쓰리-웨이(3-way) 밸브로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 유로 전환 밸브(71, 72)의 유로 전환 작동은 별도의 제어기(도면에 도시되지 않음)을 통해 제어될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 운전 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 시동 조건 즉, 키-온(key-on) 조건인지를 판단하고(S11 단계), 키-온 조건으로 판단되면 수소 탱크(20)로부터 수소 가스를 연료 전지 스택(10)으로 공급하고, 공기 블로워(30)를 통해 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급한다(S12 단계).

이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 공기 블로워(30)가 정상적으로 작동하는지를 판단하고(S13 단계), 공기 블로워(30)가 정상적으로 작동하는 것으로 판단되면, 공기 블로워(30)를 통해서 계속적으로 대기 중의 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급한다.

여기서, 상기 공기는 공기 블로워(30)를 통해 가습기(40)로 공급되며, 그 가습기(40)에서 가습된 상태로 연료 전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 공기 블로워(30)는 양방향 컨버터(33)를 통해 메인 배터리(1)의 전원을 400V로 승압하고 그 승압된 전원을 공기 블로워 제어기(31)에 공급함으로써 작동될 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택(10)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 대략 400V의 전기 에너지를 발생시키게 되고, 이러한 전기 에너지는 메인 배터리(1) 및 서브 배터리(3)에 충전되며 그 메인 배터리(1)를 통해서 차량의 전기 모터를 구동시킬 수 있다.

이 경우, 상기 연료 전지 스택(10)에서는 공기극으로부터 습윤 공기를 배출하는 바, 습윤 공기는 가습기(40)로 공급되고, 가습기(40)에서는 공기 블로워(30)로부터 공급되는 건조 공기를 습윤 공기로서 가습한 상태로 그 가습 공기를 연료 전지 스택(10)의 공기극으로 공급한다.

이 때, 유로 전환 밸브(71, 72)는 공기 블로워(30)의 작동 시, 제1 공기 공급 경로(11)와 제2 공기 공급 경로(52)를 각각 개방하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 폐쇄한 상태에 있다.

한편, HVAC(5)는 블로워 팬(51)을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급하고 있는데, 그 블로워 팬(51)은 서브 배터리(3)로부터 저전압의 전원을 인가받아 구동하며 대기 중의 공기를 제2 공기 공급 경로(52)를 통해 공조 시스템으로 공급한다.

다른 한편으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 S13 단계에서, 공기 블로워(30)가 배터리 제어기(Battery Management System: BMS)의 고장, 양방향 컨버터(33)의 고장, 메인 배터리(1)의 방전, 및 공기 블로워(30)의 고장 등으로 인해 정상적으로 작동하지 않는 것으로 판단되면, 유로 전환 밸브(71, 72)를 작동시키며(S14 단계), 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 폐쇄하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 개방한다.

그러면, 블로워 팬(51)에 의해 공조 시스템으로 제공되는 공기를 제2 공기 공급 경로(52)로부터 분기 라인(61) 및 제1 공기 공급 경로(11)를 통해 가습기(40)를 거쳐 연료 전지 스택(10)으로 공급할 수 있다(S15 단계).

여기서, 실제 연료 전지 시스템(100)의 시동을 위한 공기 블로워(30)의 최소 rpm은 도 6에서와 같이, 5~10k 정도로 이 때의 유량은 340~1000lpm이 되며, 공기 블로워(30)의 후단에 걸리는 압력은 1.02~1.05bar로 약한 편이다.

또한, 상기 블로워 팬(51)은 대략 12V의 저전압 사양이지만, 최대 동작 시 487.4cmh의 풍량(대략 8123lpm)으로 블로워 팬(51)의 후단에서 발생하는 차압을 고려했을 때에도 연료 전지 시스템(100)의 시동을 하기에는 충분한 유량이다.

또 다른 한편으로, 도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 S11 단계에서, 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프(key-off) 조건이면, 유로 전환 밸브(71, 72)를 작동시켜 공기 블로워(30)로부터 제공되는 공기를 분기 라인(61)을 통해 제2 공기 공급 경로(52)로 공급할 수 있다(S16 단계).

이 경우에 상기 유로 전환 밸브(71, 72)는 공기 블로워(30) 및 블로워 팬(51)의 토출단 측에서 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 각각 폐쇄하고, 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 연결하는 분기 라인(61)의 연결 경로를 개방한다.

그러면, 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 공기 공급 경로(11, 52)를 차단하고 그 제1 공기 공급 경로(11)와 분기 라인(61)을 개방함으로써 공기 블로워(30)로부터 제공되는 공기를 제1 공기 공급 경로(11) 및 분기 라인(61)을 통해 제2 공기 공급 경로(52)로 공급할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프 시, 공기가 계속적으로 연료 전지 스택(10)에 공급됨으로, 연료 전지 스택(10)에서는 전기가 계속적으로 발생되기 때문에 연료 전지 스택(10)의 전압 강하가 어려워질 수 있다.

이로 인해 연료 전지 스택(10)에서는 열화가 발생하는 바, 공기 블로워(30)로부터 제공되는 공기를 분기 라인(61)을 통해 제2 공기 공급 경로(52)로 공급하여 연료 전지 스택(10)으로 공기가 유입되지 않도록 함으로써 연료 전지 스택(10)의 열화를 방지할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100) 및 그의 운전 방법에 의하면, 배터리 제어기(Battery Management System: BMS)의 고장, 양방향 컨버터(33)의 고장, 메인 배터리(1)의 방전, 및 공기 블로워(30)의 고장 등으로 인해 공기 블로워(30)가 정상적으로 작동하지 않는 비정상적인 상황에서도 HVAC(5)의 블로워 팬(51)에 의해 공조 시스템으로 제공되는 공기를 연료 전지 스택(10)으로 공급함으로써 비상 시동이 가능해진다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 공기 블로워(30)가 정상적으로 작동하지 않는 비정상적인 상황에서도 비상 시동이 가능하므로, 연료 전지 차량의 상품성 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 차량에 기 설치되어 있는 블로워 팬(51)을 그대로 이용하고, 분기 라인(61) 및 유로 전환 밸브(71, 72)를 추가 설치하는 등 비교적 간단한 구성으로 비상 시동이 가능하다는 잇점이 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 유로 전환 밸브(71, 72)의 적용으로 종래 기술에서와 같은 에어 컷 오프 밸브 등을 삭제할 수 있으며, 연료 전지 시스템(100)의 시동 오프 시 연료 전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 즉각적으로 차단할 수 있으므로 시동 오프의 시간을 단축시킬 수 있으며, 연료 전지 스택(10)의 열화를 방지할 수 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... 메인 배터리
3... 서브 배터리
5... HVAC
10... 연료 전지 스택
11... 제1 공기 공급 경로
20... 수소 탱크
30... 공기 블로워
40... 가습기
51... 블로워 팬
52... 제2 공기 공급 경로
61... 분기 라인
71, 72... 유로 전환 밸브

Claims (9)

1. 비정상적인 상황이 발생되었을 때 비상 시동을 위한 연료전지 시스템으로서,
   연료 전지 스택;
   수소 가스를 저장하며 그 수소 가스를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 수소 탱크;
   상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 블로워;
   상기 공기 블로워와 연료 전지 스택을 연결하는 제1 공기 공급 경로로부터 분기되며, 블로워 팬을 통해 차량의 공조 시스템으로 공기를 공급하는 제2 공기 공급 경로에 연결되는 분기 라인; 및
   상기 분기 라인과 상기 제1 및 제2 공기 공급 경로의 연결 지점에 각각 설치되는 유로 전환 밸브;
   를 포함하는 연료 전지 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 블로워의 미 작동 시, 상기 블로워 팬으로부터 제공되는 공기를 상기 유로 전환 밸브의 조작으로서 상기 분기 라인을 통해 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 전지 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 유로 전환 밸브는 쓰리-웨이(3-WAY) 밸브로 이루어지는 연료 전지 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 블로워는 차량의 메인 배터리로부터 고전압의 전원을 인가받아 상기 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 연료 전지 시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 공기 블로워의 미 작동 시, 저전압의 보조 배터리로부터 전원을 인가받아 작동하는 상기 블로워 팬을 통해 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 전지 시스템.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 공기 공급 경로에는 상기 공기 블로워 또는 블로워 팬으로부터 공급되는 공기를 상기 연료 전지 스택으로부터 배출되는 수분으로서 가습하는 가습기가 설치되는 연료 전지 시스템.
7. 청구항 1의 비정상적인 상황이 발생되었을 때 비상 시동을 위한 연료전지 시스템의 운전 방법으로서,
   (a) 키-온(key-on) 조건인지를 판단하고, 키-온 조건이면 수소 탱크로부터 수소 가스를 연료 전지 스택으로 공급하고, 공기 블로워를 통해 공기를 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 과정;
   (b) 상기 공기 블로워가 정상적으로 작동하는지 판단하고, 공기 블로워가 작동하지 않는 것으로 판단되면 유로 전환 밸브를 작동시켜 분기 라인과 제1 및 제2 공기 공급 경로를 개방하는 과정; 및
   (c) 블로워 팬으로부터 차량의 공조 시스템으로 제공되는 공기를 상기 분기 라인을 통해 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 과정;
   을 포함하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 공기 블로워의 미작동 조건은 배터리 제어기의 고장, 양방향 컨버터의 고장, 메인 배터리의 방전, 및 공기 블로워의 고장을 포함하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.
9. 제7 항에 있어서,
   키-오프(key-off) 조건이면, 상기 유로 전환 밸브를 작동시켜 상기 공기 블로워로부터 제공되는 공기를 분기 라인을 통해 제2 공기 공급 경로로 공급하는 연료 전지 시스템의 운전 방법.

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