KR20150072238A - 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량의 응축수 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법 Download PDF

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Abstract

연료전지 차량의 응축수 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템은, 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터 트랩(Water Trap); 상기 워터 트랩의 일정 높이에 설치되어 누적 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 것을 감지하는 수위 센서; 상기 수위 센서의 감지신호에 따라 제어신호가 인가되면 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 및 상기 수위 센서에서 수신되는 감지신호에 따라 상기 드레인 밸브를 제어하여 상기 일정량의 응축수를 배출시키되, 수위 센서의 고장으로 인한 비상시 상기 응축수를 배출할 수 있도록 평균 전류 값을 이용한 응축수량을 산출하여 상기 응축수를 배출시키는 연료전지 제어부를 포함한다.

Description

연료전지 차량의 응축수 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법{SYSTEM AND EMERGENCY CONTROL METHOD FOR CONDENSATE DRAINAGE OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 내연기관과 전기자동차의 단점을 극복하고 화석에너지의 고갈과 이산화탄소 발생을 억제하기 위한 방안으로 에너지 효율과 이산화탄소 저감 및 대체연료의 장점을 가지는 연료전지 시스템이 장착된 연료전지 차량에 대한 개발이 진행되고 있다.
일반적으로 연료전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지 시스템은 공기극과 연료극을 포함하는 단위 연료 전지들의 전기 발생 집합체인 스택(Stack)과, 연료 전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료 전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.
이러한 연료전지 시스템에서 발전을 하게 되면, 공기극에서 생성수가 만들어지고, 이들 중 일부가 농도차에 의하여 전해질막을 통해 연료극으로 이동된다.
그리고, 이동된 수분은 재순환되는 가스와 함께 연료극 내를 순환하고, 이들 중 일부가 응축되어 워터트랩에 저장되며, 워터트랩에는 수위 센서가 있어 일정량의 응축수가 저장되면 연료극 외부로 배출된다. 이 때, 응축수가 배출되는 위치는 일반적으로 공기극 배출부 상에 구성된다.
그러나, 연료극의 응축수가 원활하게 외부로 배출되지 못할 경우에는 스택 내부까지 응축수가 넘쳐서 수소가 흘러가는 분리판 유로를 막게 되며, 그 결과 스택의 출력 저하가 발생하여 차량 운행에 심각한 영향을 주는 문제가 있다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래의 응축수 배출 시스템에서는 수위 센서가 고장이 나서 정상적으로 수위를 감지하지 못하는 경우 전류 적산값을 이용하여 응축수를 배출하는 방법이 제안되어 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템에서의 플러딩 방지를 위한 응축수 배출 방법을 나타낸다.
첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 응축수 배출 방법은, 전류 적산 값에 비례하여 응축수가 생성수가 만들어지고 일부가 연료극으로 이동한다는 가정하에 약100,000C의 적산 값을 이용하였다.
그러나, 동일한 전류 적산 값일지라도, 저전류 조건에서 운전을 하는 경우와 고전류 조건에서 운전하는 경우 연료극 응축수량에 큰 차이가 발생한다.
따라서, 종래에는 저전류 조건과 고전류 조건에서의 연료극 응축수량의 차이를 고려하지 않아 전류적산 값의 설정 값에 따른 응축수량과 실제 응축수량간의 오차가 크게 발생하여 연료극에 플러딩(Flooding)이 발생할 수 있으며, 수위 센서가 고장나지 않았는데도 불구하고 잦은 비상 로직으로 진입하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 연료전지 시스템을 통한 발전 시에는 적절한 제어를 통하여 스택 외부로 응축수를 배출해 주어야만 하며, 특히 수위 센서에만 의존하지 않고 수위 센서 고장으로 인한 비상시에도 안정적으로 응축수를 배출할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 응축수 배출을 위한 수위 센서 고장 시 안정적으로 연료극의 응축수 배출이 이루어지도록 제어하는 연료전지 차량의 응축수 비상 배출 시스템 및 그 비상 제어 방법을 제공 하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템은, 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터 트랩(Water Trap); 상기 워터 트랩의 일정 높이에 설치되어 누적 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 것을 감지하는 수위 센서; 상기 수위 센서의 감지신호에 따라 제어신호가 인가되면 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 및 상기 수위 센서에서 수신되는 감지신호에 따라 상기 드레인 밸브를 제어하여 상기 일정량의 응축수를 배출시키되, 수위 센서의 고장으로 인한 비상시 상기 응축수를 배출할 수 있도록 평균 전류 값을 이용한 응축수량을 산출하여 상기 응축수를 배출시키는 연료전지 제어부를 포함한다.
또한, 상기 연료전지 제어부는, 상기 차량의 운전 시작점으로부터 일정 운전시간까지의 평균전류를 계산하고, 상기 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 계산할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 제어부는, 시간에 따른 상기 응축수 생성속도를 이용하여 상기 워터 트랩에 저장된 응축수량을 산출할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 제어부는, 상기 평균 전류값을 이용하여 산출된 응축수량을 플러딩이 발생하지 않는 수준의 최고 한계수위 값인 제1 기준 값에 도달하면 상기 드레인 밸브를 제어하여 일정량의 응축수를 배출할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 제어부는, 상기 드레인 밸브가 닫혀있는 상태에서 현재 응축수량이 플러딩이 발생하지않는 최고 수위의 상기 제1 기준 값을 초과하면 안전한 운전을 유도하는 비상 로직에 진입할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 제어부는, 상기 드레인 밸브가 열려있는 상태에서 현재 응축수량이 플러딩이 발생하지 않는 최고 수위의 상기 제2 기준 값을 초과하면 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 진입할 수 있다.
또한, 상기 비상 로직은, 응축수 배출 기능의 고장으로 인해 정상운전이 불가능한 비상상황에서 일정 기준치 이하로 출력을 제한하여 안전한 장소로 유도하기 위해 차량을 최소 운행 모드일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법은, a) 차량의 운전 시작점으로부터 현재 운전시간까지의 평균전류를 계산하는 단계; b) 상기 운전 시작점으로부터 일정 시간 이후에 응축수를 저장하는 워터트랩의 수위 감지신호가 수신되지 않으면, 수위 센서에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계; c) 상기 평균전류를 이용한 현재 응축수량을 산출하는 단계; 및 d) 상기 드레인 밸브가 닫혀있는 상태에서, 산출된 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값을 초과하면, 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 진입하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 수위 센서를 통해 상기 워터 트랩에 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 상기 감지신호를 수신하면, 상기 감지신호에 따라 드레인 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계와 d) 단계 사이에, 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값에 도달하면 드레인 밸브를 일정 시간 동안만 열어 일정량의 응축수를 배출하고 닫는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도를 계산하고, 계산된 응축수 생성 속도를 기초로 상기 워터 트랩에 저장된 현재 응축수량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 드레인 밸브가 열려있는 상태에서 상기 현재 응축수량이 플러딩이 발생하지 않는 최고 수위의 상기 제2 기준 값을 초과하면 상기 비상 로직으로 진입하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 비상 로직은, 응축수 배출 기능의 고장으로 인해 정상운전이 불가능한 비상상황에서 일정 기준치 이하로 출력을 제한하여 안전한 장소로 유도하기 위해 차량을 최소 운행 모드일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템은, 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터 트랩(Water Trap); 인가되는 제어신호에 따라 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 및 상기 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도를 계산하고, 계산된 상기 응축수 생성 속도를 기초로 상기 워터 트랩에 저장된 현재 응축수량을 산출하여, 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값을 초과하면 상기 응축수를 배출시키는 연료전지 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따르면, 연료전지 차량의 연료극 응축수 배출용 수위 센서에만 의존하지 않고 고장 시 효율적으로 응축수를 배출하기 위한 방법을 제시함으로써, 연료전지 시스템 내 플러딩(Flooding) 발생에 따른 스택 출력 저하문제와 과다한 수소 배출로 인한 안전문제 및 연비저하를 예방할 수 있다.
또한, 저전류 및 고절류를 고려한 평균 전류값을 이용한 연료극 응축수량을 측정함으로써 실제 응축수량간의 오차를 줄이고, 소정의 비상 로직 진입 조건으로 제어를 함으로써 연료전지 차량의 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템에서의 플러딩 방지를 위한 응축수 배출 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 저전류 평균조건에서의 전류 적산량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고전류 평균조건에서의 전류 적산량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저전류 및 고전류의 전류적산값에 따른 응축수량 데이터를 비교한 표이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 응축수 비상 배출 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 응축수 비상 배출 시스템(100)은 연료전지스택(Fuel Cell Stack)(110), 워터 트랩((Water Trap)(120), 수위 센서(130), 드레인 밸브(140) 및 연료전지 제어부(150)를 포함한다.
연료전지스택(110)은 전극과 전해질 및 분리판으로 이루어진 연료전지 셀(cell)이 적층되어, 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산한다. 이 때, 공기와 연료는 연료전지스택(110)의 반응에 적절한 고온 상태로 히팅되어 각각 공기극(Cathode) 및 연료극(Anode)에 공급된다.
연료전지스택(110)은 화학적 반응을 위해 일정 습도 유지해야 하는데 이를 위해 공기극에서 히팅된 수분을 공급받고, 수분을 공급 받은 공기는 스택내 유로를 따라 이동하여 수소와 반응한 다음 물(이하, 응축수라 명명함)을 생성한다.
즉, 연료전지스택(110)의 연료극으로 수소가 공급되면 공기와 반응하고, 반응하지 않은 미반응 수소는 연료극의 출구단쪽으로 배출되는데, 이때 미반응 수소내에 함유된 응축수는 중력에 의하여 떨어져 워터 트랩(120)에 모이게 된다.
워터 트랩(Water Trap)(120)은 연료전지스택(110)에서 발생된 응축수를 받아서 저장하고 있다가 일정수위가 되면 응축수를 배출하는 장치이다.
연료전지스택(110)내에서의 응축수는 산소와 수소의 흐름을 방해하므로 제거가 필요하며, 이에 생성된 응축수는 연료전지스택(110)의 구조상 중력에 의해 아래로 떨어져 워터트랩(120)에 저장된다.
수위 센서(130)는 워터 트랩(120)의 일정 높이에 설치되어 누적 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 것을 감지하고, 감지신호를 연료전지 제어부(150)로 전달한다.
드레인 밸브(140)는 수위 센서(130)에서의 감지신호에 따라 제어신호가 인가되면 밸브를 개방(Open)하여 일정 시간 동안만 응축수를 배출하고 밸브를 닫는다(Close).
이 때, 워터 트랩(120)의 바닥까지 응축수가 모두 배출되면 수소가 배출관을 통해 외부로 누출되는 문제가 있다. 그래서, 드레인 밸브(140)의 설치 규격에 따른 시간(sec)당 배출량(cc)을 고려하여 바닥보다 높은 일정수위를 유지하도록 회당 일정량의 응축수만을 배출한다.
따라서, 항상 워터 트랩(120) 내의 배출관(121)과 연결되는 부분이 최저 수위로 남아있는 응축수에 의해 차있도록 함으로써 수소가 외부로 누출되는 것을 예방할 수 있다.
연료전지 제어부(150)는 연료전지 차량의 운행과 응축수 배출을 위한 상기 각 구성의 전반적인 동작을 제어한다.
연료전지 제어부(150)는 차량 운행시 수위 센서(130)에서 수신되는 감지신호에 따라 드레인 밸브(140)를 제어하여 일정량의 응축수를 배출시킨다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 제어부(150)는 차량을 운행한 일정 시간이 지난 후에도 수위 센서(130)로부터 감지신호가 수신되지 않으면, 수위 센서(130)에 이상이 발생된 것으로 판단한다.
종래에는 수위 센서(130)가 작동을 안하거나 이상이 발생된 경우 응축수가 넘치는 플러딩이 발생하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 연료전지 제어부(150)는 수위 센서(130)의 감지정보에만 의존하지 않고 수위 센서(130)의 고장으로 인한 비상시에도 안정적으로 응축수를 배출할 수 있도록 평균 전류값을 이용한 연료극 응축수 배출 비상 로직을 수행한다.
즉, 연료전지 제어부(150)는 차량의 운전 시작점으로부터 일정 운전시간까지의 평균전류(Iavg)를 계산하고, 상기 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 계산하여 워터 트랩(120)에 저장된 응축수량을 추정한다.
앞서 설명된 종래의 도 1을 통한 응축수 배출 방법에서는 동일한 전류 적산 값일지라도, 저전류 조건과 고전류 조건에서의 연료극 응축수량의 차이를 고려하지 않아 전류적산 값의 설정 값에 따른 응축수량과 실제 응축수량간의 오차가 크게 발생하여 연료극에 플러딩(Flooding)이 발생할 수 있는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 제어부(150)는 아래와 같이 다양한 실험 데이터를 바탕으로 평균 전류값을 이용한 연료극 응축수 배출 비상 로직을 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 저전류 평균조건에서의 전류 적산량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 고전류 평균조건에서의 전류 적산량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 저전류 및 고전류의 전류적산값에 따른 응축수량 데이터를 비교한 표이다.
저전류 및 고전류의 평균전류별 응축수 생성량 데이터를 이용하여 동일한 전류적산 값에서의 응축수량 데이터를 비교한 경우, 도 5와 같이 저전류 운전 대비 고전류 운전에서의 응축수 생성량이 약 2.5배 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 차량 운행 환경에 따른 구간 별 평균전류와 그에 따른 응축수 생성 속도를 측정한 시험 결과 평균전류가 증가함에 따른 응축수 생성속도가 선형적으로 증가하는 기울기를 도출하였다.
여기서, 그래프 상에서의 각 점(Point)는 차량 운행 환경 즉, 고속도로, 도심로, 지방도로, 등판로 등의 도로주행 환경 별로 응축수 생성속도를 측정한 구간을 의미한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 평균전류에 따른 응축소 생성속도를 나타낸 그래프이다.
연료전지 제어부(150)는 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 계산하여 추정된 응축수량을 미리 지정된 제1 기준값(V1) 및 제2 기준값(V2)과 비교하여 드레인 밸브를 제어한다.
여기서, 제1 기준값(V1)은 밸브가 열리지 않은 조건에서 응축수량 값이 플러딩이 발생하지 않는 수준의 최고 한계 수위 값이고, 제2 기준값(V2)은 밸브가 열린 조건에서 응축수량 값이 플러딩이 발생하지 않는 수준의 최고 한계 수위 값이다.
따라서, 연료전지 제어부(150)는 현재 응축수량이 제1 기준값(V1)에 도달하면 드레인 밸브(140)를 일정 시간 동안만 열어 일정량의 응축수를 배출하고 닫는 제어를 할 수 있다.
또한, 연료전지 제어부(150)는 드레인 밸브(140)가 닫혀있는 상태에서 현재 응축수량이 제1 기준값(V1)을 초과하면, 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직에 진입한다. 이 때, 연료전지 제어부(150)는 센서에 의한 응축수 배출 제어가 불가능한 상태인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 연료전지 제어부(150)는 드레인 밸브(140)가 열려있는 상태에서 현재 응축수량이 제2 기준값(V2)을 초과하면, 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직에 진입한다.
여기서, 상기 비상 로직은 응축수 배출 기능의 고장으로 인해 정상운전이 불가능한 비상상황에서 일정 기준치 이하로 출력을 제한하여 안전한 장소로 유도하기 최소 운행 모드로 동작시키는 것을 의미한다.
예컨대, 비상 로직에서는 차량의 운행속도를 60km/h 미만으로 제한하고 비상 로직의 진입상황과 기기 고장관련 정보를 클러스터나 AV 시스템의 표시장치를 통해 시각적 및 청각적으로 표시하여 운전자에게 알릴 수 있다.
한편, 전술한 연료전지 차량 응축수 배출 시스템의 구성을 바탕으로 하는 비상 제어 방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량 응축수 배출 시스템(100)은 차량의 시동 온(ON)으로 운전이 개시되면(S101), 차량의 운전 시작점으로부터 현재 시간까지의 평균전류(Iavg)를 계산한다(S102).
차량 응축수 배출 시스템(100)은 수위 센서(130)로부터 감지신호가 수신되면(S103; 예), 정상 동작되는 수위 센서(130)의 감지신호를 통해 드레인 밸브(140)를 제어하여 일정양의 응축수를 배출한다.
반면, 차량 응축수 배출 시스템(100)은 차량을 운행한 일정 시간이 지난 후에도 감지신호가 수신지 않으면(S103; 아니오), 수위 센서(130)에 이상이 발생한 것으로 판단하여 평균 전류값을 이용한 연료극 응축수 배출 비상 로직을 수행한다.
차량 응축수 배출 시스템(100)은 운전 시작점부터 현재 운전 시점까지 계산된 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도(α)를 계산하고(S104), 계산된 응축수 생성 속도를 기초로 워터 트랩(120)에 저장된 현재 응축수량을 산출한다(S105).
이 때, 도면에서는 생략되었으나, 차량 응축수 배출 시스템(100)은 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준값(V1)에 도달하면 드레인 밸브(140)를 일정 시간 동안만 열어 일정량의 응축수를 배출하고 닫는 제어를 할 수 있다.
한편, 차량 응축수 배출 시스템(100)은 드레인 밸브(140)가 닫혀있는 상태에서(S106; 예), 산출된 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준값(V1)을 초과하면(S107; 예), 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 작동한다(S109).
또한, 차량 응축수 배출 시스템(100)은 드레인 밸브(140)가 열려 응축수가 배출되고 있는 상태에서(S106; 아니오), 산출된 현재 응축수량이 한계 저장량인 제2 기준값(V2)을 초과하면(S108; 예), 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 작동한다(S109).
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 연료전지 차량의 연료극 응축수 배출용 수위 센서에만 의존하지 않고 고장 시 효율적으로 응축수를 배출하기 위한 방법을 제시함으로써, 연료전지 시스템 내 플러딩(Flooding) 발생에 따른 스택 출력 저하문제와 과다한 수소 배출로 인한 안전문제 및 연비저하를 예방할 수 있는 효과가 있다.
또한, 저전류 및 고절류를 고려한 평균 전류값을 이용한 연료극 응축수량을 측정함으로써 실제 응축수량간의 오차를 줄이고, 소정의 비상 로직 진입 조건으로 제어를 함으로써 연료전지 차량의 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시 예에서는 수위 센서의 고장 시 평균전류를 이한 응축수량을 측정하여 응축수의 배출을 제어하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 워터 트랩에 수위 센서를 구성하지 않고, 평균전류를 이용한 응축수량을 산출하는 방법만을 이용하여 응축수를 배출하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템으로 구성할 수 도 있다.
즉, 연료전지 제어부(150)는 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도를 계산하고, 계산된 상기 응축수 생성 속도를 기초로 상기 워터 트랩에 저장된 현재 응축수량을 산출하여, 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값을 초과하면 상기 응축수를 배출시킴으로써 수위 센서의 구성 없이도 응축수를 배출할 수 있는 이점 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 응축수 비상 배출 시스템 110: 연료전지 스택
120: 워터 트랩 130: 수위 센서
140: 드레인 밸브 150: 연료전지 제어부

Claims (13)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터 트랩(Water Trap);
    상기 워터 트랩의 일정 높이에 설치되어 누적 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 것을 감지하는 수위 센서;
    상기 수위 센서의 감지신호에 따라 제어신호가 인가되면 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 및
    상기 수위 센서에서 수신되는 감지신호에 따라 상기 드레인 밸브를 제어하여 상기 일정량의 응축수를 배출시키되, 수위 센서의 고장으로 인한 비상시 상기 응축수를 배출할 수 있도록 평균 전류 값을 이용한 응축수량을 산출하여 상기 응축수를 배출시키는 연료전지 제어부를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는,
    상기 차량의 운전 시작점으로부터 일정 운전시간까지의 평균전류를 계산하고, 상기 평균전류에 따른 응축수 생성속도를 계산하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는,
    시간에 따른 상기 응축수 생성속도를 이용하여 상기 워터 트랩에 저장된 응축수량을 산출하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는,
    상기 평균 전류값을 이용하여 산출된 응축수량을 플러딩이 발생하지 않는 수준의 최고 한계수위 값인 제1 기준 값에 도달하면 상기 드레인 밸브를 제어하여 일정량의 응축수를 배출하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는,
    상기 드레인 밸브가 닫혀있는 상태에서 현재 응축수량이 플러딩이 발생하지않는 최고 수위의 상기 제1 기준 값을 초과하면 안전한 운전을 유도하는 비상 로직에 진입하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료전지 제어부는,
    상기 드레인 밸브가 열려있는 상태에서 현재 응축수량이 플러딩이 발생하지 않는 최고 수위의 상기 제2 기준 값을 초과하면 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 진입하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 비상 로직은,
    응축수 배출 기능의 고장으로 인해 정상운전이 불가능한 비상상황에서 일정 기준치 이하로 출력을 제한하여 안전한 장소로 유도하기 위해 차량을 최소 운행 모드인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
  8. 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법에 있어서,
    a) 차량의 운전 시작점으로부터 현재 운전시간까지의 평균전류를 계산하는 단계;
    b) 상기 운전 시작점으로부터 일정 시간 이후에 응축수를 저장하는 워터트랩의 수위 감지신호가 수신되지 않으면, 수위 센서에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계;
    c) 상기 평균전류를 이용한 현재 응축수량을 산출하는 단계; 및
    d) 상기 드레인 밸브가 닫혀있는 상태에서, 산출된 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값을 초과하면, 플러딩의 발생 우려가 있으므로 안전한 운전을 유도하는 비상 로직으로 진입하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 수위 센서를 통해 상기 워터 트랩에 저장된 응축수량이 일정 임계수위까지 차는 상기 감지신호를 수신하면, 상기 감지신호에 따라 드레인 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 c) 단계와 d) 단계 사이에,
    상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값에 도달하면 드레인 밸브를 일정 시간 동안만 열어 일정량의 응축수를 배출하고 닫는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도를 계산하고, 계산된 응축수 생성 속도를 기초로 상기 워터 트랩에 저장된 현재 응축수량을 산출하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 드레인 밸브가 열려있는 상태에서 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제2 기준 값을 초과하면, 상기 비상 로직으로 진입하는 단계를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템의 비상 제어 방법.
  13. 수소와 공기의 전기 화학적 반응으로 전력을 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에서 발생된 응축수를 저장하는 워터 트랩(Water Trap);
    인가되는 제어신호에 따라 밸브를 개방하여 일정 시간 동안 일정량의 응축수를 배출하는 드레인 밸브; 및
    상기 평균전류를 이용하여 응축수 생성 속도를 계산하고, 계산된 상기 응축수 생성 속도를 기초로 상기 워터 트랩에 저장된 현재 응축수량을 산출하여, 상기 현재 응축수량이 한계 저장량인 제1 기준 값을 초과하면 상기 응축수를 배출시키는 연료전지 제어부를 포함하는 연료전지 차량의 응축수 배출 시스템.
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