KR100776317B1 - 연료전지시스템의 이상검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치는, 연료전지(20)로부터 배출되는 수소 오프-가스를 다시 애노드(22)로 유동시키는 수소 오프-가스 순환통로(32); 상기 수소 오프-가스 순환통로(32)로부터, 상기 수소 오프-가스 순환통로(32)를 통해 순환되는 상기 수소 오프-가스의 일부를 배출시키는 배출통로(33); 상기 배출통로(33) 내에 제공되는 수소배출밸브(A3); 상기 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정하기 위한 이상판정수단(90); 및 상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하기 위한 가스상태량 검출수단(S1)을 포함하고, 상기 가스상태량 검출수단(S1)은 상기 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에 있는 배출통로(33) 내에 제공된다. 상기 이상판정수단(90)은 상기 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 토대로 판정한다.

Description

연료전지시스템의 이상검출장치{ABNORMALITY DETECTING DEVICE OF FUEL CELL SYSTEM}
본 명세서에서는 명세서, 도면 및 요약서를 포함하여 2003년 10월 24일에 출원된 일본특허출원 제2003-364524호의 내용 전문을 인용참조한다.
본 발명은 연료전지시스템에 제공되는 수소배출밸브의 이상을 검출하는 이상검출장치에 관한 것이다.
복수의 전지들을 일렬로 쌓아 이루어진 연료전지스택에 연료가스와 산화가스를 공급하여 전력을 발생하는 연료전지시스템에 있어서, 애노드 가스채널로부터 배출되는 수소 오프-가스(애노드 오프-가스)를 다시 애노드로 유동시킴으로써, 미반응 수소가스를 전지반응에 재사용하는 구조가 공지되어 있다. 수소 오프-가스의 일부를 배출시키는 수소배출밸브가 수소 오프-가스 순환통로 내에 제공된다. 수소 오프-가스 내에 함유된 수소 이외의 성분들의 농도가 높아질 때에 수소배출밸브를 규칙적으로 개방함으로써, 애노드로 공급될 수소의 농도가 적절하게 유지된다. 그러나, 수소배출밸브에 이상이 발생하여 상기 밸브의 개폐동작이 적절하게 수행될 수 없다면, 전지작동에 문제점을 야기시킨다. 이에 따라, 일본특허공보 제2003-92125호에는 수소배출밸브에 대한 수소배출명령을 검출하고, 연료전지스택의 연료공급부 의 목표압력과 실제 검출된 값을 토대로 수소배출밸브에 고장이 발생하였는지를 판정하는 기술이 개시되어 있다.
하지만, 상기 공보에 개시된 기술에 따르면, 수소배출밸브에서 고장이 발생하였는지에 대한 판정은, 연료전지가 정상적으로 작동되고 있을 때에만 이루어진다. 따라서, 연료전지가 전이상태에 있을 때, 예컨대 액셀레이터 페달이 급가속될 때에는, 적절한 고장 판정이 이루어질 수 없다.
문헌 US 5,441,821에는 유체연료 스트림(stream)을 재순환시키는 조절식 진공이젝터를 구비한 전력발생시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 연료전지스택, 연료공급부의 압력을 조절하는 압력제어밸브를 구비한 가압연료 공급부, 상기 연료 공급부와 스택연료 유입구 사이에 개재된 진공이젝터, 이젝터 배출구와 스택연료 유입구 사이에 개재된 압력변환기(pressure transducer), 및 압력변환기를 구비한 가압산화제(oxidant) 공급부를 포함한다. 이젝터 흡입구는 연료전지스택의 연료유출구에 유동적으로 연결된다. 연료 스트림 압력변환기는 신호를 압력제어밸브에 전송하여, 연료스트림의 검출된 압력이 소정의 값에서 벗어날 때에 연료 공급부의 압력을 조절하게 한다. 산화제 스트림 압력변환기는 신호를 압력제어밸브로 전송하여, 산화제 스트림의 검출된 압력이 변할 때에 상기 연료공급부의 압력을 조절하게 한다.
또한, 문헌 JP 09-209810에는 ECU에 구동수단제어부와 고장판정부를 구성하고 흡기제어밸브기구의 고장상태를 디스플레이 상에 외부적으로 디스플레이함으로써, 구성 및 제어의 복잡성을 수반하지 않으면서도 흡기제어밸브기구의 고장상태를 쉽게 검출하고, 고장상태를 신속하면서도 확실하게 외부적으로 디스플레이하기 위한 엔진의 흡기제어밸브기구용 고장검출기가 개시되어 있다. 이 검출기에는, 엔진운전상태가 정상상태에 있는지 여부를 판정하는 엔진운전상태 검출수단이 배치되어 있다. 또한, 압력센서는 흡기제어밸브가 개폐될 때에 통과하는 흡기의 압력을 검출한다. 개폐 주기별로 검출된 압력 간의 압력차가 소정 값 이상이면, ECU 내의 고장판정수단은 엔진운전상태가 정상이라고 판정하고, 압력차가 소정 값보다 작으면, 엔진운전상태가 고장상태에 있다고 판정한다. 디스플레이수단은 이들 판정을 토대로 엔진운전상태가 고장상태에 있는지 여부를 외부적으로 디스플레이한다.
잠수정의 연료전지시스템이 문헌 US 3,748,180에 추가로 개시되어 있다. 이러한 연료전지시스템은 상기 차량에 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 연료전지모듈을 구비한다. 수소를 함유하고 있는 제1탱크가 연료전지모듈의 한 반응챔버에 연결되고, 산소를 함유하고 있는 제2탱크는 연료전지모듈의 다른 반응챔버에 연결되어 있다. 수소 반응챔버로부터 출력되는 수소 생성수(hydrogen product water)는 응축 및 분리되어 생성된 물이 수소를 함유하고 있는 제1탱크에 저장된다. 연료전지모듈은 질소로 가압되는 격납용기 내에 위치한다. 촉매반응장치가 격납용기 내에 제공되어 수소 및 산소 고압공급라인에서 동시에 누설되는 경우에 물을 형성하게 한다. 압력변환기가 또한 격납용기 내에 제공되어, 수소 또는 산소라인의 고압누설이 있는 경우 상기 시스템을 중지시킨다.
또한, 문헌 EP 1,223,631 A2에는 냉각제를 사이에 두고 전압을 측정하기 위한 전압계를 사용하여, 연료전지스택과 그라운드 스택 섀시(grounded stack chassis) 사이의 연료전지스택의 냉각제에서의 누설전류를 검출하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 만일 냉각전압이 소정의 레벨 이하라면, 냉각제에는 과도한 레벨의 전도도가 존재하고, 누설전류의 존재가 보고된다.
또한, 문헌 US 2003/077487 A1에는 전기화학적 연료전지의 냉간시동능력을 개선하기 위한 방법들이 개시되어 있는데, 여기서는 연료전지 전력발생시스템들의 냉간시동능력을 개선하기 위해 온도의존 방법들이 사용될 수 있다. 전력발생시스템의 작동을 중지하는 방법은, 스택의 통로들 내에 남아 있는 물의 양을 감소시킴으로써 연료전지스택의 냉간시동능력 및 내동성(freeze tolerance)을 향상시킨다. 상기 방법은 연료전지스택이 물의 어는점 아래의 온도로 떨어지도록 하기 전에 운전중지상태에서 하나 이상의 연료전지스택 산화제 및 연료 통로들을 퍼징(purging)하는 단계를 포함한다. 운전중지상태에서의 퍼징은 스택작동온도 이하의 온도에서 행해지는 것이 바람직하다. 시동에 사용되는 또 다른 방법은, 물의 어는점 온도보다 높은 소정 온도를 초과한 후에만 냉각유체 스트림을 연료전지스택으로 안내하는 단계를 포함한다. 연료전지스택이 얼어버린 후에는, 운전개시 전에 연료전지스택을 정상작동온도보다 높은 온도까지 가열하는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고 연료전지의 작동상태와 관계없이 수소배출밸브의 이상을 검출하기 위한 이상검출장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치는, 연료전지로부터 배출되는 수소 오프-가스를 다시 상기 연료전지의 애노드로 유동시키는 수소 오프-가스 순환통로; 상기 수소 오프-가스 순환통로로부터, 상기 수소 오프-가스 순환통로를 통해 순환되는 상기 수소 오프-가스의 일부를 배출시키는 배출통로; 상기 배출통로 내에 제공되는 수소배출밸브; 상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정하기 위한 이상판정수단; 및 상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하기 위한 가스상태량 검출수단을 포함하고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 수소배출밸브의 하류에 위치하는 배출통로 내에 제공되는 것을 특징으로 한다. 상기 이상판정수단은 상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 토대로 판정한다. 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부는 수소 오프-가스의 가스상태량을 토대로 판정되는데, 상기 가스상태량은 수소배출밸브의 하류에 제공되는 가스상태량 검출수단에 의해 검출된다. 따라서, 연료전지의 작동상태와 상관없이 이상이 발생하였는지를 판정할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에서는, 상술한 구조 이외에도, 상기 배출통로로부터 배출되는 수소 오프-가스를 외부가스와 혼합하기 위한 혼합챔버가 추가로 제공될 수 있고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 혼합챔버에서 상기 외부가스와 혼합되는 수소-오프-가스의 가스상태량을 검출하도록 구성될 수도 있다. 수소가스가 외부가스와 혼합되기 전과 후 사이의 가스상태량의 변화값을 검출함으로써, 가스상태량의 검출 정확성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 외부가스는 연료전지의 캐소드에 공급될 산화가스의 일부일 수도 있다. 따라서, 시스템 구조가 단순화될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 수소배출밸브는 전자기밸브일 수도 있고, 이상판정수단은 전자기밸브에 대한 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하기 위하여, 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량을 토대로 판정할 수도 있다. 상기 수소배출밸브에 대한 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하기 위하여 가스상태량 검출수단에 의해 검출되는 가스상태량을 검출함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시의 이상을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 상기 이상판정수단은 전자기밸브에 대한 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하기 위하여, 상기 전자기밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량의 시간에 따른 변화값을 토대로 판정할 수도 있다. 상기 수소배출밸브에 대한 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하기 위하여 가스상태량 검출수단에 의해 검출되는 가스상태량의 시간에 따른 변화값을 검출함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시의 이상을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 상기 가스상태량은 수소 오프-가스의 수소농도, 유속, 압력, 각각의 성분비, 온도 및 유전상수 중 어느 하나에 관련된 물리량일 수도 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하기 위한 가스상태량 검출수단이 상기 수소배출밸브의 상류에 위치하는 배출통로 내에 추가로 제공될 수 있고, 상기 이상판정수단은 상기 수소배출밸브의 개폐 시의 이상을, 상기 수소배출밸브의 상류측과 하류측 각각에 제공되는 상기 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량을 토대로 검출하도록 구성될 수도 있다. 수소배출밸브로부터 상류에 제공되는 가스상태량 검출수단에 의해 검출되는 가스상태량 및 수소배출밸브로부터 하류에 제공되는 가스상태량 검출수단에 의해 검출되는 가스상태량을 토대로 상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정함으로써, 이상이 발생하였는지에 대한 판정의 정확성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 수소 오프-가스를 가스와 액체로 분리하기 위한 가스-액체분리수단이 추가로 제공될 수 있고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 가스-액체분리수단에 의하여 가스와 액체로 분리된 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출할 수도 있다. 수소 오프-가스를 가스와 액체로 분리시킴으로써, 가스상태량 검출수단은 잘못된 검출이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 상기 수소 오프-가스의 압력을 검출하는 압력센서가 상기 수소배출밸브로부터 하류 위치에 있는 배출통로 내에 제공될 수도 있다. 수소 오프-가스의 압력을 검출함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부가 판정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 상기 수소 오프-가스의 온도를 검출하는 온도센서가 상기 수소배출밸브로부터 하류 위치에 있는 배출통로 내에 제공될 수도 있다. 상기 수소 오프-가스의 온도를 검출함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부가 판정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 서로 마주하고 있는 쌍으로 이루어진 전극들이 상기 혼합챔버 내에 제공될 수도 있다. 상기 수소 오프-가스의 유전상수를 검출함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부가 판정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 전원에 연결되는 열선저항이 혼합챔버 내에 제공될 수도 있다. 열선저항은 줄열(Joule heat)을 이용하여 열을 발생시켜 상기 수소 오프-가스의 열전도도를 검출하고 저항값을 측정함으로써, 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부가 판정될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 이상검출장치에 있어서, 이상판정수단이 수소배출밸브의 개폐 시에 이상을 검출하는 경우, 고장에 대처하기 위한 수단이 제공될 수도 있다. 따라서, 연료전지시스템의 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소배출밸브에 이상이 발생하였는지의 여부가 수소 오프-가스의 가스상태량을 토대로 이루어지는데, 상기 가스상태량은 상기 수소배출밸브로부터 하류에 제공된 가스상태량 검출수단에 의해 검출된다. 이에 따라, 연료전지의 작동상태와 상관없이 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부를 판정할 수 있다.
도 1은 제1실시예에 따른 연료전지시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면;
도 2는 수소배출값에 제공되는 개폐제어신호 및 수소농도의 변화를 보여주는 그래프로서, 상기 그래프들이 서로 상응하는 것을 나타낸 도면;
도 3은 제2실시예의 가스상태량 검출수단을 주로 도시한 도면;
도 4는 제3실시예의 가스상태량 검출수단을 주로 도시한 도면;
도 5는 제4실시예의 가스상태량 검출수단을 주로 도시한 도면;
도 6는 제5실시예의 가스상태량 검출수단을 주로 도시한 도면; 및
도 7는 제6실시예의 가스상태량 검출수단을 주로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다.
우선, 본 발명의 제1실시예를 설명한다. 도 1은 제1실시예에 따른 연료전지시스템(100)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 연료전지시스템(10)은 연료전지구동 전기자동차에 장착될 전력발생시스템이다. 상기 연료전지시스템(10)은 반응가스(연료가스, 산화가스)를 공급하여 전력을 발생시키는 연료전지(전지스택)(20)를 포함한다. 상기 연료전지(20)는, 스크린 인쇄 등에 의해 중합체 전해질 멤브레인(21)의 한 쪽에는 애노드(22)를, 상기 중합체 전해질 멤브레인(21)의 다른 쪽에는 캐소드(23)를 형성하여 구성되는 멤브레인-전극조립체(MEA)(24)를 포함한다. 상기 중합체 전해질 멤브레인(21)은 플루오르화 탄소수지 등으로 형성된 양성자-도전성 이온-교환 멤브레인(proton-conductive ion-exchange membrane)으로 구성되어 있다. 상기 멤브레인-전극조립체(MEA)(24)는 리브 세퍼레이터(ribbed separators; 도시안됨)들 사이에 끼워져 있다. 그루브형 애노드 가스채널(25)은 상기 세퍼레이터 중 하나와 애노드(22) 사이에 형성되고, 그루브형 캐소드 가스채널(26)은 상기 세퍼레이터 중 나머지 다른 하나와 캐소드(23) 사이에 형성된다. 여기서는, 멤브레인-전극조립체(24), 애노드 가스채널(25) 및 캐소드 가스채널(26)로 구성된 전지의 구조를 설명의 편의성을 위하여 개략적으로 도시하였다. 하지만, 실제로는 복수의 전지들이 일렬로 쌓여 있고 리브 세퍼레이터가 인접한 전지들 사이에 개재되는 스택 구조로 제공된다.
연료전지시스템(10)의 연료가스공급시스템에는, 연료가스를 애노드 가스채널(25)에 공급하기 위한 연료가스통로(31) 및 상기 애노드 가스채널(25)로부터 배출 되는 수소 오프-가스를 다시 상기 연료가스통로(31)로 유동시키기 위한 수소 오프-가스 순환통로(32)가 형성되어 있다. 연료가스통로(31)에는, 수소공급장치(71)로부터의 연료가스의 공급/공급중단을 제어하는 차단밸브(A1) 및 상기 연료가스의 압력을 조절하는 레귤레이터(A2)가 제공된다. 수소 오프-가스통로(32)에는, 수소 오프-가스를 연료가스통로(31)로 다시 유동시키기 위하여 애노드 가스채널(25)을 통과시켜 압력이 떨어진 수소 오프-가스를 가압시키기 위한 수소펌프(P1)가 제공된다. 또한, 수소 오프-가스 내에 포함된 수소 이외의 성분들의 농도가 높아질 경우, 수소 오프-가스의 일부를 상기 시스템의 외부로 배출시키는데 사용되는 배출통로(33)가 상기 수소 오프-가스 순환통로(32)에 연통되어 있다. 배출될 수소 오프-가스량을 조정하기 위하여 상기 배출통로(33) 내에는 수소배출밸브(A3)가 제공된다. 수소배출밸브(A3)로는, 전자기밸브가 사용되는 것이 바람직하다. 하지만, 선형밸브 또는 ON/OFF 밸브가 사용될 수도 있다. 배출통로(33)의 하단은 혼합챔버(50)에 연통되고, 배출통로(33)를 통과하는 수소 오프-가스는 상기 혼합챔버(50)로 도입된다. 혼합챔버(50)로 도입된 수소 오프-가스는 배출통로(51)를 통해 산소 오프-가스통로(42)에 도입되어 그 소음이 머플러(52)에 의해 감소된 후에 상기 시스템의 외부로 배출된다.
한편, 연료전지시스템(10)의 산화가스공급시스템에는, 산화가스를 캐소드 가스채널(26)에 공급하기 위한 산화가스통로(41) 및 상기 캐소드 가스채널(26)로부터 배출되는 산소 오프-가스(캐소드 오프-가스)를 배출하기 위한 산소 오프-가스통로(42)가 형성되어 있다. 산화가스통로(41)에는, 차량의 외부로부터 도입되는 공기에 함유된 먼지를 필터링하기 위한 에어필터(72); 모터(M1)에 의해 구동되는 에어컴프레서(73); 상기 에어컴프레서(73)에 의해 가압되는 공기를 적절하게 습도조절하기 위한 가습장치(74); 및 상기 캐소드 가스채널(26)에 공급될 산화가스량을 조정하는 제어밸브(A4)가 제공된다. 산소 오프-가스통로(42)에는, 압력을 조정하기 위한 제어밸브(A5) 및 가습장치(74)가 제공된다. 가습장치(74)에는, 연료전지(20)의 전지반응으로 인하여 발생되는 물로 매우 습도가 높은 산소 오프-가스와, 습도가 낮은, 즉 차량의 외부로부터 흡기되는 산화가스 사이에서 물 교환이 이루어진다. 산소 오프-가스통로(42)를 통과하는 산소 오프-가스는 그 소음이 머플러(52)에 의해 감소된 후에 상기 시스템의 외부로 배출된다.
수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하기 위한 가스상태량 검출수단으로서, 수소센서(S1)가 혼합챔버(50) 내에 제공된다. 상기 수소센서(S1)는 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 수소농도, 유속, 압력, 각각의 성분비, 온도와 같은 수소배출밸브(A3)의 상류측에서 유동하는 수소 오프-가스의 가스상태량은 연료전지(20)의 작동상태에 따라 계속해서 변한다. 특히, 상기 시스템이 액셀레이터페달 등의 급가속으로 야기된 부하변동으로 인한 전이상태를 가져오면, 수소 오프-가스의 가스상태량이 크게 변한다. 이에 따라, 수소센서(S1)와 같은 가스상태량 검출수단은 수소배출밸브(A3)로부터 상류에 제공되어 가스상태량이 검출되면, 전이상태에서 수소배출밸브(A3)의 개폐 시의 이상을 정확하게 검출하는 것이 어렵다. 하지만, 가스상태량 검출수단이 수소배출밸브(A3)로부터 하류에 제공되면, 시스템의 작동상태와 관계없이 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하 였는지를 판정하는 것이 가능하다.
혼합챔버(50)는 수소배출밸브(A3)의 하류측에서 유동하는 수소가스를 외부가스와 혼합시켜 수소가스의 가스상태량을 정확하게 검출하는 가스챔버이다. 본 실시예에서, 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부는, 혼합챔버(50) 내에 수소센서(S1)를 제공하고 상기 혼합챔버(50)에서의 수소농도의 변화를 검출하여 판정된다. 수소 오프-가스만이 혼합챔버(50)에 도입되는 구조에 의하면, 수소배출밸브(A3)로부터 가스 누설 등으로 인한 수소농도의 변화를 검출하는 것이 불가능하다. 하지만, 외부가스를 혼합챔버(50)에 도입하여 외부가스를 수소 오프-가스와 혼합함으로써, 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합되는 경우와 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합되지 않는 경우간의 수소농도의 차이를 이용하여 수소농도의 변화를 정확하게 검출하는 것이 가능하다. 수소 오프-가스와 혼합될 외부가스의 타입은, 상기 가스가 수소농도의 변화의 검출 시에 문제를 야기하지 않는 한 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 연료전지(20)의 산화가스공급시스템을 통과하는 가압된 공기를 이용하면 시스템 구조가 단순하다. 상기 실시예에서는, 산화가스통로(41)로부터 분기하여 혼합챔버(50)에 연통되는 가스공급통로(43)가 형성되어 있고, 에어컴프레서(73)로부터 출력되는 가압된 공기의 소정의 유량이 상기 혼합챔버(50)에 도입된다. 도 1은 가스공급통로(43)가 산화가스통로(41)로부터 분기하여 혼합챔버(50)에 연통되어 있는 구조를 보여준다. 한편, 가스공급통로(43)는 산소 오프-가스통로(42)로부터 분기할 수도 있고, 혼합챔버(50)에 연통될 수도 있다. 혼합챔버(50)에 도입될 외부가스로는, 습도가 가능한 한 낮은 건식공기가 사용되어 수 소농도의 검출 시에 문제를 발생시키지 않도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 가습장치(74)에 의해 습도조절되지 않은 산화가스통로(41)를 통과하는 가압된 공기를 사용하는 것이 바람직하다.
PCU(Power Control Unit)(80)는 인버터 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 전력제어장치이다. 연료전지(20)에 의해 발생되는 전력은 PCU(80)에 의해 교류전원(3상전류)으로 변환되어 차량의 주행을 위해 모터(3상동기모터)(82)에 공급된다. 연료전지(20)에 의해 발생되는 전력의 나머지는 PCU(80)에 의한 저전압을 갖는 전력으로 다운-변환되어 2차전지(81)로 공급된다. 2차전지(81)는 브레이크의 재생 시간에 재생에너지저장소 및 차량의 가속이나 감속으로 인한 부하변동의 시간에 에너지버퍼로서의 역할을 한다. 2차전지(81)로는, 니켈-카드뮴축전지, 니켈-수소축전지, 리튬2차전지 등이 사용되는 것이 바람직하다.
제어부(90)는 수소센서(S1)로부터 출력되는 센서신호를 입력하고 수소 오프-가스의 수소농도를 검출할 뿐만 아니라, 연료전지시스템(10)의 작동상태에 따라 차단밸브(A1), 레귤레이터(A2), 수소배출밸브(A3), 제어밸브(A4), 제어밸브(A5), 수소펌프(P1), 모터(M1) 및 PCU(80)를 제어한다. 수소 오프-가스가 배출되면, 제어부(90)는 개폐제어신호(개폐명령)를 수소배출밸브(A3)로 출력함으로써 수소배출밸브(A3)의 개폐제어를 수행하고, 또한 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부를 수소센서(S1)로부터 출력된 센서신호를 토대로 판정하기 위한 이상판정수단으로서의 역할도 한다.
도 2는 개폐제어신호가 수소배출밸브(A3)에 입력되는 경우, 수소센서(S1)에 의해 검출되는 수소농도의 변화를 보여준다. 여기서, 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부는, 개폐제어신호를 수소배출밸브(A3)에 입력하고 상기 개폐제어신호가 입력되기 전과 후 사이의 혼합챔버(50)에서의 수소농도의 변화를 체크함으로써 판정된다. 개폐제어신호로서 다양한 파형 패턴들을 갖는 신호들을 입력함으로써 수소농도의 변화를 검출하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 시간 t1 ~ t2 주기 및 시간 t3 ~ t4 주기로 밸브를 개방하기 위한 개폐제어신호 C1 및 C2 가 각각 입력된다. 그 후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 수소센서(S1)의 응답 파형들이 시간 t1 및 시간 t3 에서 상승하기 시작하는 응답 파형 R1 및 R2 로서 각각 검출된다. 이 경우, 응답 파형 R1 및 R2 가 각각 시간 t1 및 시간 t3 의 소정의 시간 TA 이내에서 임계 농도 A 보다 높거나 같게 되면, 수소배출밸브(A3)가 "개방상태(정상작동)" 에 있다고 판정한다. 응답 파형 R1 및 R2 가 임계 농도 B 보다 높거나 같고 임계 농도 A 보다 낮으면, 수소배출밸브(A3)는 "절반개방상태(절반개방고장)" 에 있다고 판정한다. 응답 파형 R1 및 R2 가 임계 농도 B 보다 낮거나 같으면, 수소배출밸브(A3)는 "폐쇄상태(폐쇄고장)" 에 있다고 판정한다. 또한, 응답 파형 R1 및 R2 가 각각 시간 t2 및 시간 t4 의 소정의 시간 TB 이내에서 임계 농도 B 보다 낮거나 같게 되면, 수소배출밸브(A3)가 "폐쇄상태(정상작동)" 에 있다고 판정한다. 응답 파형 R1 및 R2 가 임계 농도 B 보다 높거나 같고 임계 농도 A 보다 낮으면, 수소배출밸브(A3)는 "절반개방상태(절반개방고장)" 에 있다고 판정한다. 응답 파형 R1 및 R2 가 임계 농도 A 보다 높거나 같으면, 수소배출밸브(A3)는 "개방상태(개방고장)" 에 있다고 판정한다. 예컨대, ON/OFF 밸브가 수소배출밸브(A3)로서 채택되는 경우에는, 수소배출밸브(A3)가 "완전개방상태", "절반개방상태" 및 "완전폐쇄상태" 가운데 어떤 상태에 있는 지가 판정될 수 있다.
임계 농도 A 는 "개방고장" 이 발생하였는지를 판정하기 위한 농도이다. 임계 농도 B 는 "폐쇄고장" 이 발생하였는지를 판정하기 위한 농도이다. 농도 A 는 농도 B 보다 높다. "개방고장" 은 수소배출밸브(A3)가 개방상태로 유지되고 폐쇄될 수 없는 고장상태를 나타낸다. "폐쇄고장" 은 수소배출밸브(A3)가 폐쇄상태로 유지되고 개방될 수 없는 고장상태를 나타낸다.
개폐제어신호 C1 및 C2 는 ON/OFF 밸브 및 선형밸브 가운데 어떤 밸브가 수소배출밸브(A3)로 사용되는 지에 상관없이 효율적으로 사용될 수 있다. 하지만, 수소배출밸브(A3)가 선형밸브인 경우에는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 중간밸브를 개방상태로 설정하기 위한 개폐제어신호 C3, 상승/하강 에지가 일정한 기울기로 적당하게 감소하는 개폐제어신호 C4 등이 사용될 수도 있다. 밸브에서 고장이 발생하였는지를 판정할 때에 수소배출밸브(A3)에 입력되는 개폐제어신호에 관해서는, 일정한 파형 패턴을 갖는 신호(예컨대, 단지 개폐제어신호 C1 및 C2)들을 연속해서 입력하는 것보다는 오히려 소정의 간격으로 랜덤하게 또는 회전에 의해 파형 패턴들이 상이한 개폐제어신호(예컨대, 개폐제어신호 C1, C3 및 C4)들을 입력함으로써 입력신호의 변동을 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 고장이 발생하였는지에 관한 판정이 더욱 정확하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 선형밸브가 수소배출밸브(A3)로서 채택되는 경우, 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부를, 상기 수소배출밸브(A3)에 입력되는 개폐제어신호가 30%의 개방을 달성하기 위 한 개폐제어신호로부터 80%의 개방을 달성하기 위한 개폐제어신호로 전환될 때에 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에서의 가스상태량(농도, 유속, 압력, 각각의 성분비, 온도, 유전상수 등)과 상기 가스상태량의 시간에 따른 변화값을 토대로 판정하는 것도 가능하다. 이 경우, 이상이 발생하는 수소배출밸브(A3)의 개방도를 검출하는 것이 가능하다. 그러므로, 이상이 발생하였는지에 관한 판정의 정확성을 향상시킬 수 있다.
수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 검출되면, 제어부(90)는 고장에 대처하기 위하여 다음과 같은 여러 작업들을 수행한다; 상기 제어부(90)는 (1) 연료 효율성의 저하를 억제하기 위하여 연료가스공급원인 차단밸브(A1)를 폐쇄시켜 수소가 시스템의 외부로 누설되는 것을 방지하고, (2) 연료전지(20)에 의한 전력발생을 억제하며, (3) 2차전지(81)에 저장된 전력을 이용하여 모터(82)를 구동하기 위하여 PCU(80)를 제어하고, (4) 디스플레이 또는 알람 소리를 이용하여 수소배출밸브(A3)에 고장이 발생하였다는 것을 운전자에게 알려준다. 상술된 바와 같이, 제어부(90)는 고장에 대처하기 위한 수단으로서의 역할도 한다.
상기 실시예에 따르면, 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부는 상기 수소배출밸브(A3)로부터 하류에 제공되는 수소센서(S1)로부터 출력된 신호를 토대로 판정된다. 그러므로, 연료전지(20)의 작동이 중단되는 경우 뿐만 아니라 연료전지(20)가 전이상태로 작동되고 있는 경우에도 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정할 수 있게 된다. 또한, 수소 오프-가스 및 외부가스는 혼합챔버(50)로 도입된다. 그러므로, 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합 되는 경우와 상기 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합되지 않는 경우간의 수소농도의 차이를 토대로 수소농도의 변화값을 정확하게 검출하는 것이 가능하다. 또한, 수소센서(S1)를 이용함으로써, 압력센서가 검출하기 어려운 이물질의 침입으로 인한 미세 누설을 검출할 수 있다.
상기 실시예에서는, 수소농도가 수소가스의 가스상태량으로서 검출된다는 점에 유의한다. 하지만, 본 발명이 이것으로 제한되는 것은 아니다. 수소 오프-가스의 가스상태량으로는, 수소 오프-가스의 유속, 압력, 각각의 성분비, 온도, 유전상수 등과 같은 물리량이 사용될 수도 있다.
이하, 본 발명의 제2실시예를 설명한다. 도 3은 제2실시예에 따른 가스상태량 검출수단의 구조를 도시한 도면이다. 상기 실시예에서는, 수소 오프-가스의 압력을 검출하는 압력센서(S2)가 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에 있는 배출통로(33)에 제공된다. 맵 데이터(90a)에는, 가스누설이 수소배출밸브(A3)에서 발생하지 않은 경우에 검출되는 압력 P 가 기준압력으로 사용되고, 상기 기준압력에 대한 압력 증가에 상응하는 가스누설량이 기록되어 있다. 제어부(이상판정수단)(90)는 개폐제어신호를 수소배출밸브(A3)에 제공하고, 상기 개폐제어신호가 제공되기 전과 후 사이의 압력의 변화를 검출하며, 상기 맵 데이터(90a)를 참조하여 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정한다.
이하, 본 발명의 제3실시예를 설명한다. 도 3은 제3실시예에 따른 가스상태량 검출수단의 구조를 도시한 도면이다. 상기 실시예에서는, 수소 오프-가스의 온도를 검출하는 온도센서(S3)가 수소배출밸브(A3)로부터 상류 위치에 있는 배출통로 (33)에 제공되고, 온도센서(S4)는 상기 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에 있는 배출통로(33)에 제공된다. 온도센서(S3)에 의해 검출된 온도가 TX로 도시되고, 온도센서(S4)에 의해 검출된 온도가 TY로 도시되면, TX는 수소배출밸브(A3)가 개방된 상태에서 TY와 같다(TX = TY). 반면, 수소배출밸브(A3)가 폐쇄된 상태에서는, 수소 오프-가스의 온도가 전지반응에 의해 발생되는 열로 인하여 증가하기 때문에, TX가 TY보다 높다(TX > TY). 온도 TX 와 온도 TY 간의 차이를 검출함으로써, 수소배출밸브(A3)로부터의 가스누설이 검출될 수 있다. 온도차(TX - TY)에 상응하는 가스누설량은 맵 데이터(90b)에 기록된다. 온도차(TX - TY)가 더욱 작아지면, 가스누설량은 더욱 커진다. 반대로, 온도차(TX - TY)가 더욱 커지면, 가스누설량은 더욱 작아진다.
제어부(이상판정수단)(90)는 개폐제어신호를 수소배출밸브(A3)에 제공하고, 온도센서 S3 및 S4 로부터 출력되는 신호들에 따라 온도차(TX - TY)를 획득하며, 맵 데이터(90b)를 참조하여 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정한다. 소정의 임계값이 온도차(TX - TY)에 대해 설정되면, 상기 온도차(TX - TY)를 토대로, 수소배출밸브(A3)가 "완전개방상태", "절반개방상태" 및 "완전폐쇄상태" 가운데 어떤 상태에 있는 지가 판정될 수 있다. 가스상태량 검출수단을 수소배출밸브(A3)의 하류측 뿐만 아니라 상류측에도 제공함으로써, 수소배출밸브(A3)가 "완전개방상태", "절반개방상태" 및 "완전폐쇄상태" 가운데 어떤 상태에 있는지를 정확하게 판정할 수 있다. 온도센서(S3)가 반드시 제공되어야만 하는 것은 아니며, 온도센서(S3)는 생략될 수도 있고, 단지 온도센서(S4)만을 이용하여 수소배출밸브(A3)에 이상이 발생하였는지에 관한 판정이 이루어질 수도 있음에 유의한다.
이하, 본 발명의 제4실시예를 설명한다. 도 5는 제4실시예에 따른 가스상태량 검출수단의 구조를 도시한 도면이다. 상기 실시예에서, 서로 마주하고 있는 쌍을 이룬 전극 S5 및 S6 은 혼합챔버(50) 내에 제공되어 있다. 상기 가스의 유전상수는, 외부가스만이 혼합챔버(50)에 도입된 상태와 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합된 상태간에 변한다. 그러므로, 전극 S5 와 S6 사이에 제공되는 캐패시터의 용량의 변화값을 판독하여, 수소배출밸브(A3)에서 이상이 발생하였는지의 여부를 판정할 수 있다. 제어부(이상판정수단)(90)는 개폐제어신호를 수소배출밸브(A3)에 제공하고, 상기 개폐제어신호가 제공되기 전과 후 사이의 캐패시터의 용량의 변화값을 검출하며, 상기 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부를 판정한다.
이하, 본 발명의 제5실시예를 설명한다. 도 6은 제5실시예에 따른 가스상태량 검출수단의 구조를 도시한 도면이다. 상기 실시예에서, 전원(V)에 연결된 열선저항(RX)이 혼합챔버(50)에 제공되고, 상기 열선저항(RX)은 줄열을 이용하여 열을 발생시키게 된다. 수소 오프-가스가 외부가스와 혼합된 상태에서, 열선저항(RX)의 열전도도는 단지 외부가스만이 혼합챔버(50)에 도입된 경우에 비해 높다. 이에 따라, 열선저항(RX)의 저항값(R)이 감소한다. 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 고장이 발생하고 수소 오프-가스가 누설되면, 열선저항(RX)의 저항값(R)이 감소한다. 그러므로, 저항값(R)을 검출함으로써, 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 고장이 발생하였는지의 여부를 판정할 수 있다. 저항값(R)은 전원(V)으로부터 출력된 전압을 전류 센서(S7)에 의해 판독된 전류값으로 나눔으로써 얻을 수 있다. 열저항(RX)의 저항값(R)에 상응하는 가스누설량은 맵 데이터(90c)에 기록된다. 제어부(이상판정수단)(90)는 개폐제어신호를 수소배출밸브(A3)에 제공하고, 개폐제어가 제공되기 전과 후 사이의 저항값(R)의 변화량을 획득하며, 상기 맵 데이터(90c)를 참조하여 수소배출밸브(A3)의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정한다.
이하, 본 발명의 제6실시예를 설명한다. 도 7은 제6실시예에 따른 가스상태량 검출수단의 구조를 도시한 도면이다. 상기 실시예에서는, 가스-액체분리장치(60)가 수소배출밸브(A3)로부터 하류 위치에 있고 수소센서(S1)로부터 상류 위치에 있는 배출통로(33) 내에 제공되고, 상기 수소 오프-가스 내에 함유된 물이 가스와 액체로 분리된다. 만일 물방울 등이 수소센서(S1)에 달라 붙는다면, 수소농도의 검출 시에 문제가 발생한다. 하지만, 수소 오프-가스를 사전에 미리 가스와 액체로 분리시키면, 수소농도를 정확하게 측정할 수 있게 된다. 가스-액체분리장치(60)로는, 수소 오프-가스를 고속으로 휘저어 물을 원심방향으로 배수시킴으로써 물을 가스와 액체로 분리시키는 사이클론분리장치, 공기 냉각 또는 물 냉각에 의한 열교환가스-액체분리장치 등이 사용될 수도 있다.
가스-액체분리수단으로는, 가스-액체분리장치(60) 이외에, 예컨대 가스-투과커버(61)가 수소센서(S1)로부터 상류 위치에 제공될 수도 있다. 또한, 수소센서(S1)는 백형상의 가스-투과커버(62)로 커버될 수도 있다. 가스-투과커버(61, 62)는 수소-투과재료로 만들어지는 것이 좋다. 하지만, 가스-투과커버(61, 62)는 단지 물만을 제거할 수 있는 가스-투과재료로 만들어질 수도 있다. 이러한 재료로는, 예컨 대 Gore-TexTM 가 적합하다.

Claims (14)

  1. 연료전지시스템의 이상검출장치(10)에 있어서,
    연료전지로(20)부터 배출되는 수소 오프-가스를 상기 연료전지의 애노드(22)로 다시 유동시키는 수소 오프-가스 순환통로(32);
    상기 수소 오프-가스 순환통로(32)를 통해 순환되는 상기 수소 오프-가스의 일부를 상기 수소 오프-가스 순환통로로부터 배출시키는 배출통로(33);
    상기 배출통로 내에 제공되는 수소배출밸브(A3); 및
    상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정하는 이상판정수단(90)을 포함하여 이루어지고,
    상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하는 가스상태량 검출수단(S1)을 더 포함하며, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 수소배출밸브의 하류에 위치하는 상기 배출통로 내에 제공되고, 상기 이상판정수단(90)은 상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 토대로 상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지의 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출통로로부터 배출되는 수소 오프-가스를 외부가스와 혼합시키는 혼합챔버(50)를 더 포함하고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 혼합챔버에서 상기 외부가스와 혼합되는 수소-오프-가스의 가스상태량을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외부가스는, 상기 연료전지의 캐소드에 공급될 산화가스의 일부인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소배출밸브는 전자기밸브이고, 상기 이상판정수단은 상기 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량을 토대로 상기 수소배출밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정하여, 상기 전자기밸브에 대한 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이상판정수단은, 상기 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량의 시간에 따른 변화를 토대로 상기 전자기밸브의 개폐 시에 이상이 발생하였는지를 판정하여, 상기 전자기밸브에 대한 상기 개폐제어신호의 입력 시의 변화에 대처하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스상태량은, 수소 오프-가스의 수소농도, 유속, 압력, 각각의 성분비, 온도 및 유전상수 중 어느 하나에 관련된 물리량인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하는 가스상태량 검출수단을 더 포함하고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 수소배출밸브의 상류에 위치하는 상기 배출통로 내에 제공되며, 상기 이상판정수단은 상기 수소배출밸브의 상류측과 하류측 각각에 제공된 가스상태량 검출수단에 의해 검출된 가스상태량을 토대로 상기 수소배출밸브의 개폐 시의 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 오프-가스를 가스와 액체로 분리하기 위한 가스-액체분리수단(60)을 더 포함하고, 상기 가스상태량 검출수단은 상기 가스-액체분리수단에 의하여 가스와 액체로 분리된 수소 오프-가스의 가스상태량을 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 수소배출밸브의 하류에 위치하는 상기 배출통로 내에 제공되고 상기 수소 오프-가스의 압력을 검출하는 압력센서(S2)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 수소배출밸브의 하류에 위치하는 상기 배출통로 내에 제공되고 상기 수소 오프-가스의 온도를 검출하는 온도센서(S4)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 혼합챔버 내에 제공되고 상기 수소 오프-가스의 유전상수를 검출하기 위해 서로 대향하고 있는 쌍 전극(S5, S6)들을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 혼합챔버 내에 제공되고 상기 수소 오프-가스의 열전도도를 검출하는 열선저항을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이상판정수단이 상기 수소배출밸브의 개폐 시의 이상을 검출하는 경우의 고장에 대처하기 위한 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스상태량 검출수단은, 상기 수소 오프-가스 순환통로의 외부에 위치하는 상기 배출통로 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 이상검출장치.
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