KR100456562B1 - 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법 - Google Patents

연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법 Download PDF

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KR100456562B1 KR10-2002-0038318A KR20020038318A KR100456562B1 KR 100456562 B1 KR100456562 B1 KR 100456562B1 KR 20020038318 A KR20020038318 A KR 20020038318A KR 100456562 B1 KR100456562 B1 KR 100456562B1
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Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서 연료로 사용되는 수소를 연료전지에 공급하기 위하여 구비되는 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소라인 일측에서 분기되어 레귤레이터로 별도 연결된 보조수소라인과, 이 보조수소라인상에 설치된 안전탱크와, 이 안전탱크의 내부압을 검출하는 압력센서와, 상기 안전탱크 입력측의 보조수소라인상에 설치되고 시동 오프시 개방되는 솔레노이드 밸브 및 이 솔레노이드 밸브 출력측의 첵밸브와, 상기 안전탱크 출력측의 보조수소라인상에 설치되고 안전탱크 내부압의 기준 압력 초과시 개방되는 비상공급밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 차량의 시동 오프(off)시 기존의 수소라인 내에 수소가 고압으로 잔류하게 되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법{Hydrogen supplying system of fuel cell powered vehicle and method for controlling it}
본 발명은 연료전지 차량에서 연료로 사용되는 수소를 연료전지에 공급하기 위하여 구비되는 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소라인 일측에서 분기되어 레귤레이터로 별도 연결된 보조수소라인과, 이 보조수소라인상에 설치된 안전탱크와, 이 안전탱크의 내부압을 검출하는 압력센서와, 상기 안전탱크 입력측의 보조수소라인상에 설치되고 시동 오프시 개방되는 솔레노이드 밸브 및 이 솔레노이드 밸브 출력측의 첵밸브와, 상기 안전탱크 출력측의 보조수소라인상에 설치되고 안전탱크 내부압의 기준 압력 초과시 개방되는 비상공급밸브를 포함하는 것을 특징으로 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 최근 관심있게 연구되는 무공해 발전장치이다.
이러한 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층되어 있는 연료전지 셀 어셈블리 및 그 주변부품으로 구성된 연료전지스택이 애노드로 연료기체인 수소를 공급받고 캐소드로 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산하게 된다.
이와 같이, 연료전지를 구동원으로 하는 차량에서는 상기한 바의 전기생산을 위해 차량에 미리 저장시킨 수소를 연료전지에 공급해야 하는 바, 연료전지 차량에서의 수소공급시스템을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 연료전지 차량에 구비되는 통상의 수소공급시스템을 보여주는구성도로서, 상기 수소공급시스템은 크게 고압(약 350bar)의 수소가 저장되는 다수의 수소탱크(11), 각 수소탱크(11)의 출구에 설치되어 수소를 선택적으로 공급/차단하는 솔레노이드 밸브(12), 수소탱크(11)와 연료전지(30)를 연결하는 수소라인(13), 이 수소라인(13)상에 설치된 차단밸브(14) 및 레귤레이터(15), 밸브 제어를 위한 제어수단(16) 등으로 이루어진다.
상기한 바의 수소공급시스템이 구비된 상태에서, 차량의 시동 온(on)시에는 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)가 개방되어 수소라인(13)상에 고압의 수소가 흐르게 되고, 이 수소는 개방된 상태의 차단밸브(14)를 통과한 다음 레귤레이터(15)에서 약 1 ∼ 2bar로 감압되어 연료전지(30)로 들어가게 된다.
상기와 같이 공급된 수소는 연료전지(30) 내에서 산소와 반응하여 전기를 만들고, 이 전기로 모터를 구동시켜 차량을 구동시킨다.
한편, 차량의 시동 오프(off)시에는 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)가 닫히면서 수소의 공급이 차단되도록 되어 있다.
그러나, 상기한 바의 수소공급시스템에서는 차량의 시동 오프(off)시 솔레노이드 밸브(12)와 차단밸브(14)가 닫히면서 수소의 공급은 차단되나 수소라인(13) 내에 있던 고압의 수소가 계속해서 수소라인(13)(버스의 경우 10m 이상) 내에 잔류하게 된다.
이와 같이 수소라인(13) 내에 잔류된 고압의 수소는 안전상의 문제를 발생시킬 수 있는 바, 현재 이에 대한 대처방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 차량의 시동 오프(off)시 기존의 수소라인 내에 수소가 고압으로 잔류하게 되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소공급시스템을 보여주는 구성도이고,
도 2는 연료전지 차량에 구비되는 통상의 수소공급시스템을 보여주는 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 수소탱크 12 : 솔레노이드 밸브
13 : 수소라인(주수소라인) 14 : 차단밸브
15 : 레귤레이터 16 : 제어수단
21 : 보조수소라인 22 : 솔레노이드 밸브
23 : 첵밸브 24 : 안전탱크
25 : 압력센서 26 : 비상공급밸브
30 : 연료전지
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수소탱크(11), 수소탱크(11)와 연료전지(30)를 연결하는 수소라인(13), 이 수소라인(13)상의 레귤레이터(15) 및 차단밸브(14), 밸브 제어를 위한 제어수단(16)을 포함하는 연료전지 차량의 수소공급시스템에 있어서,
상기 수소라인(13) 일측에서 분기되어 레귤레이터(15)로 별도 연결된 보조수소라인(21)과, 이 보조수소라인(21)상에 설치된 안전탱크(24)와, 이 안전탱크(24)의 내부압을 검출하여 상기 제어수단(16)에 입력하는 압력센서(25)와, 상기 안전탱크(24) 입력측의 보조수소라인(21)상에 설치되고 시동 오프시 상기 제어수단(16)의 제어하에 개방되는 솔레노이드 밸브(22) 및 이 솔레노이드 밸브(22) 출력측의 첵밸브(23)와, 상기 안전탱크(24) 출력측의 보조수소라인(21)상에 설치되고 상기 압력센서(25)로부터 검출된 안전탱크(24) 내부압의 기준 압력 초과시 상기 제어수단(16)의 제어하에 개방되는 비상공급밸브(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 수소라인(13) 일측에서 분기되어 레귤레이터(15)로 별도 연결되는 보조수소라인(21)이 설치되고, 이 보조수소라인(21)상에는 압력센서(25)를 갖는 안전탱크(24)와, 이 안전탱크(24) 입력측의 솔레노이드 밸브(22) 및 이 솔레노이드 밸브(22) 출력측의 첵밸브(23)와, 상기 안전탱크(24) 출력측의 비상공급밸브(26)가 설치된 연료전지 차량의 수소공급시스템 제어방법에 있어서,
a)시동 온(on)이 입력되면, 상기 솔레노이드 밸브(22)를 폐작동시키는 동시에 상기 압력센서(25)로부터 안전탱크(24) 내부압을 입력받는 단계; b)입력받은 안전탱크(24) 내부압이 기준 압력을 초과하는가를 판단하는 단계; c)상기 b)단계의 조건을 만족하는 경우, 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 닫혀진 상태로 유지하면서, 상기 비상공급밸브(26)를 개방하는 단계; d)상기 b) 또는 c)단계 이후 안전탱크(24) 내부압이 기준 압력 이하인 경우, 상기 비상공급밸브(26)를 닫혀진 상태로 유지하면서, 상기 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 개방하는 단계; 및 e)시동 오프(off)가 입력되면, 상기 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 폐작동시킴과 동시에 상기 보조수소라인(21)상의 솔레노이드 밸브(22)를 개방하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료전지 차량에서 연료로서 사용되는 수소를 연료전지에 공급하기 위하여 차량에 구비되는 수소공급시스템에 관한 것으로서, 시동 오프시 수소라인 내에 수소가 고압으로 잔류하게 되는 문제점을 개선시킨 수소공급시스템과 그 제어방법에 관한 것이다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 수소공급시스템을 보여주는 구성도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 수소공급시스템에서는 수소탱크(11)로부터 차단밸브(14)로 이어지는 기존의 수소라인(13) 일측에서 분기되어 레귤레이터(15)로 연결되는 별도의 수소라인(21)이 추가 구비된다.
이하, 본 명세서에서는 기존의 수소라인(13)과 본 발명에서 새로이 추가되는 상기 별도의 수소라인(21)을 명확히 구분하기 위하여 기존의 수소라인(13)을 주수소라인으로, 상기 별도의 수소라인(21)을 보조수소라인으로 칭하기로 한다.
본 발명에서 상기 보조수소라인(21)상에는 입/출구가 구분된 별도의 수소탱크(11)인 안전탱크(24)가 설치되며, 이 안전탱크(24) 입력측의 보조수소라인(21)상에는 노말 오픈 타입(normal open type)의 솔레노이드 밸브(22)와 이 솔레노이드 밸브(22) 출력측의 첵밸브(23)가 설치된다.
상기 안전탱크(24)는 시동 오프(off)시 주수소라인(13)상에 잔류된 고압의 수소를 유입받아 저장하도록 구비되는 것이며, 시동 오프(off)와 동시에 솔레노이드 밸브(22)가 개방되면서 주수소라인(13)의 수소가 보조수소라인(21)을 따라 솔레노이드 밸브(22)와 첵밸브(23)를 차례로 통과한 후 안전탱크(24)로 유입되도록 되어 있다.
상기 솔레노이드 밸브(22)는 시동의 온(on)/오프(off) 여부에 따라 선택적으로 개폐작동이 이루어지는 바, 시동 오프(off)시에는 주수소라인(13)의 수소가 안전탱크(24)로 유입될 수 있도록 제어수단(16)이 솔레노이드 밸브(22)를 개방시키고, 시동 온(on)시에는 주수소라인(13)으로부터 안전탱크(24)로의 수소 유입이 차단될 수 있도록 제어수단(16)이 솔레노이드 밸브(22)를 폐작동시킨다.
한편, 상기 안전탱크(24)에서는 지속적인 수소 유입으로 그 내부압이 소정 압력을 초과할 경우 내부에 저장된 수소를 어느정도 빼주어야 하는 바, 상기 안전탱크(24) 출력측의 보조수소라인(21)상에는 비상공급밸브(26)가 설치되고, 안전탱크(24)에는 압력센서(25)가 설치된다.
상기 압력센서(25)는 안전탱크(24) 내부의 압력을 검출하여 검출값에 따른 압력신호를 출력하는 것으로서, 이 압력신호가 제어수단(16)으로 입력될 수 있도록 되어 있다.
상기 제어수단(16)은 시동 초기시 차단밸브(14)가 닫혀진 상태에서 압력센서(25)를 통해 검출된 안전탱크(24) 내부의 압력이 미리 설정 입력된 기준 압력을 초과할 경우 비상공급밸브(26)를 개방하도록 되어 있는 바, 이때에는 안전탱크(24)에 저장되어 있던 수소가 안전탱크(24) 출구 및 비상공급밸브(26)를 통해 레귤레이터(15)로 공급된다.
또한, 상기 제어수단(16)은 비상공급밸브(26)의 개방으로 이후 안전탱크(24) 내부의 압력이 기준 압력 이하가 될 경우 비상공급밸브(26)를 폐작동시키도록 되어 있다.
물론, 상기 기준 압력은 시동 오프(off)시 주수소라인(13) 내에 잔류되는 수소의 압력보다 낮은 압력으로 설정되어야 한다.
그 예로서, 통상의 수소공급시스템에서 시동 오프(off)시 주수소라인(13)내에 잔류되는 수소의 압력이 최고 350bar라면 상기 기준 압력을 70 ∼ 80bar 정도로 설정하는 것이 실시 가능하다.
이하, 본 발명의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 운전자가 차량의 시동을 걸면, 제어수단(16)은 안전탱크(24) 입력측의 보조수소라인(21)상에 설치된 솔레노이드 밸브(22)를 폐작동시키는 동시에 압력센서(25)로부터 안전탱크(24) 내부의 압력을 입력받게 된다.
상기 제어수단(16)은 입력받은 안전탱크(24) 내부의 압력을 미리 설정 입력된 기준 압력과 비교 판단한 후 비상공급밸브(26)의 개폐여부를 결정한다.
여기서, 상기 제어수단(16)은 안전탱크(24) 내부의 압력이 기준 압력을 초과할 경우 비상공급밸브(26)를 개방하고, 기준 압력 이하일 경우 비상공급밸브(26)는 닫혀진 상태로 유지하면서 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 차단밸브(14)를 개방한다.
상기와 같이 각 수소탱크(11)의 솔레노이드밸브(12)와 차단밸브(14)가 개방되면, 각 수소탱크(11) 내의 수소가 주수소라인(13)을 통해 정상적으로 레귤레이터(15)로 공급되며, 레귤레이터(15)로 공급된 수소는 1 ∼ 2bar로 감압된 후 연료전지(30)로 공급된다.
또한, 상기와 같이 제어수단(16)이 비상공급밸브(26)를 개방하면 안전탱크(24) 내부의 수소는 안전탱크(24) 출구 및 비상공급밸브(26)를 통해 레귤레이터(15)로 공급된다.
물론, 시동 후 비상공급밸브(26)의 개방은 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 차단밸브(14)가 닫혀진 상태에서 수행되며, 레귤레이터(15)로 공급된 수소는 1 ∼ 2bar로 감압된 후 연료전지(30)로 공급된다.
상기 비상공급밸브(26)의 개방 이후 제어수단(16)은 안전탱크(24) 내부의 압력이 기준 압력 이하가 됨과 동시에 비상공급밸브(26)를 폐작동시키고, 각 수소탱크(11)의 솔레노이드밸브(12)와 차단밸브(14)를 개방한다.
이때, 각 수소탱크(11) 내의 수소는 주수소라인(13)을 통해 정상적으로 레귤레이터(15)로 공급되며, 이와 같이 주수소라인(13)을 통해 레귤레이터(15)로 공급된 수소는 1 ∼ 2bar로 감압된 후 연료전지(30)로 공급되는 바, 수소는 연료전지(30) 내에서 산소와 반응하여 전기를 만들게 된다.
한편, 시동이 오프(off)되면, 제어수단(16)은 종래와 마찬가지로 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 폐작동시켜 수소 공급을 차단하고, 이와 동시에 보조수소라인(21)상의 솔레노이드 밸브(22)를 개방하며, 이때 비상공급밸브(26)는 계속해서 닫혀진 상태로 유지한다.
상기와 같이 보조수소라인(21)상의 솔레노이드 밸브(22)가 개방되면, 주수소라인(13) 내 고압의 수소가 안전탱크(24) 내부로 유입되는 바, 주수소라인(13) 내에서 감압이 이루어진다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 시동 오프(off)시 수소라인(13) 내에 수소가 고압으로 잔류하게 되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 수소공급시스템과 그 제어방법에 의하면, 시동 오프(off)시 기존의 수소라인 내에 잔류하는 고압의 수소가 안전탱크로 유입되어 저장되도록 함으로써, 수소라인 내 고압의 수소가 잔류할 때 발생할 수 있는 안전상의 문제를 사전에 예방할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 수소탱크(11), 수소탱크(11)와 연료전지(30)를 연결하는 수소라인(13), 이 수소라인(13)상의 레귤레이터(15) 및 차단밸브(14), 밸브 제어를 위한 제어수단(16)을 포함하는 연료전지 차량의 수소공급시스템에 있어서,
    상기 수소라인(13) 일측에서 분기되어 레귤레이터(15)로 별도 연결된 보조수소라인(21)과, 이 보조수소라인(21)상에 설치된 안전탱크(24)와, 이 안전탱크(24)의 내부압을 검출하여 상기 제어수단(16)에 입력하는 압력센서(25)와, 상기 안전탱크(24) 입력측의 보조수소라인(21)상에 설치되고 시동 오프시 상기 제어수단(16)의 제어하에 개방되는 솔레노이드 밸브(22) 및 이 솔레노이드 밸브(22) 출력측의 첵밸브(23)와, 상기 안전탱크(24) 출력측의 보조수소라인(21)상에 설치되고 상기 압력센서(25)로부터 검출된 안전탱크(24) 내부압의 기준 압력 초과시 상기 제어수단(16)의 제어하에 개방되는 비상공급밸브(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소공급시스템.
  2. 수소탱크(11), 수소탱크(11)와 연료전지(30)를 연결하는 수소라인(13), 이 수소라인(13)상의 레귤레이터(15) 및 차단밸브(14), 밸브 제어를 위한 제어수단(16), 수소탱크(11)의 출구에 설치되는 솔레노이드 밸브(12)를 포함하며, 상기 수소라인(13) 일측에서 분기되어 레귤레이터(15)로 별도 연결되는 보조수소라인(21)이 설치되고, 이 보조수소라인(21)상에는 압력센서(25)를 갖는 안전탱크(24)와, 이 안전탱크(24) 입력측의 솔레노이드 밸브(22) 및 이 솔레노이드 밸브(22) 출력측의 첵밸브(23)와, 상기 안전탱크(24) 출력측의 비상공급밸브(26)가 설치된 연료전지 차량의 수소공급시스템 제어방법에 있어서,
    a)시동 온(on)이 입력되면, 상기 솔레노이드 밸브(22)를 폐작동시키는 동시에 상기 압력센서(25)로부터 안전탱크(24) 내부압을 입력받는 단계; b)입력받은 안전탱크(24) 내부압이 기준 압력을 초과하는가를 판단하는 단계; c)상기 b)단계의 조건을 만족하는 경우, 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 닫혀진 상태로 유지하면서, 상기 비상공급밸브(26)를 개방하는 단계; d)상기 b) 또는 c)단계 이후 안전탱크(24) 내부압이 기준 압력 이하인 경우, 상기 비상공급밸브(26)를 닫혀진 상태로 유지하면서, 상기 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 개방하는 단계; 및 e)시동 오프(off)가 입력되면, 상기 각 수소탱크(11)의 솔레노이드 밸브(12)와 수소라인(13)상의 차단밸브(14)를 폐작동시킴과 동시에 상기 보조수소라인(21)상의 솔레노이드 밸브(22)를 개방하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 수소공급시스템 제어방법.
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