KR100778567B1 - Exhaustion system and method thereof for fuel cell vehicle system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 배기 시스템을 나타낸 도면.1 illustrates a hydrogen exhaust system in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2a는 도 1의 디퓨져 영역의 실질적인 모형을 나타낸 도면.FIG. 2A illustrates a substantial model of the diffuser region of FIG. 1. FIG.
도 2b는 도 1의 에어 생성 및 공급 영역의 실질적인 모형을 나타낸 도면.FIG. 2B illustrates a substantial model of the air generation and supply zone of FIG. 1. FIG.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 배기 방법을 나타낸 순서도.3 is a flow chart showing a hydrogen exhaust method according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 > <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 디퓨져 12 : 마그네틱 밸브10: diffuser 12: magnetic valve
14 : 콘넥터 16 : 체크밸브14 Connector 16: Check Valve
18 : 모터팬 20 : 에어 프로세스 유닛18: motor fan 20: air process unit
30 : 에어콤프레셔 40 : 에어라인30: air compressor 40: air line
50 : 베큠 컨트롤 유닛50: Vacuum Control Unit
본 발명은 연료전지 자동차의 배기 시스템 및 배기 방법에 관한 것으로, 특히 차량의 수소 배기를 위한 디퓨져의 동작을 안정적으로 실시할 수 있는 연료전지 자동차의 배기 시스템 및 배기 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust system and an exhaust method of a fuel cell vehicle, and more particularly to an exhaust system and an exhaust method of a fuel cell vehicle capable of stably operating a diffuser for hydrogen exhaust of a vehicle.
자동차는 석유 산업의 발전과 맞물려 매우 빠르고 광범위하게 발전하게 되었으며, 현재에 이르러서는 생활의 필수품으로 인식되고 있다. 그러나, 석유라는 한정적인 자원 문제 및 환경 오염 등이 대두되면서, 대체에너지를 이용할 수 있는 자동차의 개발이 눈에 띄게 늘어나고 있는 추세이다. 자동차는 상기한 대체에너지의 특성에 따라, 엔진이나, 엔진과 연관된 주변 부속품이 새롭게 설계 및 제작되어 적용되고 있다. 예를 들면, 전지를 이용하는 자동차의 경우에는 전지를 충전하여 제공할 수 있는 형태로 발전하고 있으며, 태양열을 이용한 자동차의 경우에는 자동차 외관에 태양열을 집열할 수 있는 태양열판을 별도로 부착하는 형태를 가지게 된다. 그러나, 상기한 전기 자동차의 경우에는 차량을 운행할 수 있는 실질적인 거리 및 차량의 동력의 한계성 등이 문제가 되고 있다. 즉, 전지를 이용한 자동차는 전지의 충전량의 한계성 및 충전시 소요되는 많은 시간, 차량의 힘 등의 문제로 인하여, 한계점이 있으며, 태양열 자동차 또한, 태양이 뜨지 않는 시간에 운전이 집열할 수 없는 단점이 있다.Automobiles, combined with the development of the petroleum industry, have developed very fast and extensively, and are now recognized as a necessity of life. However, with limited resource problems such as petroleum and environmental pollution, the development of automobiles that can use alternative energy is increasing. Automobiles are newly designed, manufactured, and applied to engines and peripheral accessories associated with engines according to the characteristics of the above alternative energy. For example, in the case of a car using a battery, it is developing into a form in which a battery can be charged and provided, and in the case of a car using a solar heat, a solar panel capable of collecting solar heat is separately attached to the exterior of the car. do. However, in the case of the electric vehicle described above, the actual distance that the vehicle can be driven and the power limitation of the vehicle are problematic. That is, a vehicle using a battery has limitations due to the limitations of the amount of charge of the battery, the time required for charging, the power of the vehicle, and the like. There is this.
이러한 전기 자동차의 문제를 해결하기 위하여, 최근에는 수소를 이용한 전기 차량이 제안되고 있다. 수소를 이용한 차량에 있어서, 배기 시스템은 수소와 산소가 화학작용에 의해 결합하여 부산물인 수증기를 배출하도록 하는 기능 뿐만 아니라, 수소가 잔류하면 인화 물질접촉시 폭발 및 화재의 위험을 방지하기 위하여 수소를 배출하는 기능에도 이용되고 있다. 특히, 상용차인 연료전지 버스의 경우에는 대량의 전기를 생성시켜야 함으로 화학반응에 따른 부산물 배출 뿐만아니라 배출해야할 잔류수소의 양도 크게 된다.In order to solve this problem of electric vehicles, electric vehicles using hydrogen have recently been proposed. In vehicles using hydrogen, the exhaust system combines hydrogen and oxygen by chemical reactions to release water vapor, a by-product, as well as to prevent the risk of explosion and fire upon contact with flammable materials when hydrogen remains. It is also used for the discharge function. In particular, in the case of a fuel cell bus, which is a commercial vehicle, a large amount of electricity must be generated, thereby increasing the amount of residual hydrogen to be discharged as well as by-products from chemical reactions.
종래 연료전지 차량에는 상술한 잔류수소를 배출하기 위하여 모터팬을 포함하는 디퓨져를 구비하고, 이 디퓨져에서의 모터팬의 상시회전을 이용하여 잔류수소를 배출하도록 하고 있다. 그러나, 연료전지 버스의 경우에는 연료전지 스택, 슈퍼커패시터, 모터 컨트롤 유닛, 보조 배터리, 파워 컨트롤 유닛 등 다양한 전자부품을 포함하여 구조가 매우 복잡하게 구성되어 있다. 이러한 구성의 복잡성 및 각 구성들 간의 신호전달 및 다른 여러 인자의 고장으로 인하여 시스템이 다운되거나, 기타 과부하로 모터팬이 고장이 나는 경우가 매우 빈번하게 발생하고 있다. 그러나, 모터팬의 고장과는 관계없이 잔류수소는 시간이 지날수록 누적되기 때문에, 실제 모터팬이 고장난 경우에는 잔류수소에 따른 폭발위험성이 매우 높은 실정이다.The conventional fuel cell vehicle is provided with a diffuser including a motor fan for discharging the above-described residual hydrogen, and the residual hydrogen is discharged by the constant rotation of the motor fan in the diffuser. However, the fuel cell bus has a very complicated structure including various electronic components such as a fuel cell stack, a supercapacitor, a motor control unit, an auxiliary battery, and a power control unit. Due to the complexity of this configuration and the failure of signal transmission and various other factors between the components, the system is often down or other motors fail due to overload. However, since residual hydrogen accumulates over time regardless of the failure of the motor fan, the actual risk of explosion due to residual hydrogen is very high when the motor fan fails.
본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 연료전지 자동차의 배기 시스템에서 잔류수소의 배기를 에어를 이용하여 배출함으로써, 기타 연료전지 자동차의 시스템의 과부하 및 고장으로 인한 모터팬의 비작동에 다른 잔류수소의 누적을 방지하여, 잔류수소의 누적으로 인한 폭발위험성을 제거할 수 있는 연료전지 자동차의 배기 시스템 및 배기 방법을 제안하는데 있다. An object of the present invention is to solve the above problems, by discharging residual hydrogen in the exhaust system of a fuel cell vehicle using air, the operation of the motor fan due to the overload and failure of the system of other fuel cell vehicle The present invention proposes an exhaust system and an exhaust method of a fuel cell vehicle that can prevent the accumulation of other residual hydrogen in the fuel cell, thereby eliminating the explosion risk due to the accumulation of residual hydrogen.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템은 수증기의 배출 및 잔류수소 중 적어도 어느 하나를 배출을 담당하는 디퓨져; 에어를 생성 및 상기 디퓨저로의 상기 에어 공급을 제어하는 에어 프로세스 유닛; 상기 에어 프로세스 유닛의 제어에 따라 상기 에어를 발생시키는 에어 콤프레셔; 및 상기 에어 콤프레셔에서 발생한 에어를 상기 디퓨져에 공급하는 에어라인;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an exhaust system of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention includes a diffuser for discharging at least one of the discharge of water vapor and residual hydrogen; An air process unit for generating air and controlling the air supply to the diffuser; An air compressor for generating the air under control of the air process unit; And an air line for supplying air generated in the air compressor to the diffuser.
상기 디퓨져는 팬을 회전시켜 회전력에 의하여 상기 잔류수소 또는 상기 수증기를 외부로 배출하는 모터팬; 상기 모터팬에 상기 에어의 공급을 제어하는 마그네틱 밸브; 상기 에어의 역류 현상을 체크하고 이를 제어하는 체크밸브; 및 상기 모터팬, 상기 마그네틱 밸브 및 상기 체크밸브들을 연결시키는 콘넥터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The diffuser is a motor fan for rotating the fan to discharge the residual hydrogen or the water vapor to the outside by the rotational force; A magnetic valve controlling the supply of the air to the motor fan; A check valve for checking a backflow phenomenon of the air and controlling it; And a connector connecting the motor fan, the magnetic valve, and the check valves.
상기 시스템은 상기 모터팬이 고장이 난 경우, 팬 고장을 인식하고, 상기 마그네틱 밸브의 개방을 제어하여 상기 디퓨져에 상기 에어가 공급되도록 하는 베큠 컨트롤 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.The system may further include a vacuum control unit that recognizes a fan failure and controls the opening of the magnetic valve to supply the air to the diffuser when the motor fan fails.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 방법은 디퓨져의 동작 이상 발생 여부를 확인하는 단계; 상기 디퓨져의 동작 이상 발생 감지시 상기 디퓨져에 연결된 에어라인을 개방하여 에어를 공급하는 단계; 및 상기 공급된 에어를 이용하여 모터팬을 회전시켜 잔류수소를 배출하는 단 계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Exhaust method of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention to achieve the above object comprises the steps of checking whether or not the operation of the diffuser; Supplying air by opening an air line connected to the diffuser when detecting an abnormal operation of the diffuser; And discharging residual hydrogen by rotating the motor fan by using the supplied air.
상기 방법은 상기 에어의 역류현상을 체크하는 단계; 및 상기 역류현상 발생시 상기 에어 공급을 차단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method includes checking for backflow of the air; And shutting off the air supply when the backflow phenomenon occurs.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.The above and other objects and features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템을 나타낸 블럭도 이며, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 실제 수소 배기 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a block diagram showing an exhaust system of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, Figures 2a and 2b is a view showing an actual hydrogen exhaust system of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템은 먼저, 수증기의 배출 및 잔류수소의 배출을 담당하는 디퓨져(10), 에어를 이용한 구성들을 제어하는 에어 프로세스 유닛(Air Process Unit : APU)(20), 에어 프로세스 유닛(20)의 제어에 따라 에어를 발생시켜 공급하는 에어 콤프레셔(30), 에어 콤프레셔(30)에서 발생한 에어를 디퓨져(10)에 공급하는 에어라인(40)을 포함하여 구성되며, 디퓨져(10)에 공급되는 에어를 선택적으로 이용하도록 디퓨져(10)를 제어하는 베큠 컨트롤 유닛(Vacuum Control Unit)(50)을 더 포함할 수 있다.1 to 2B, an exhaust system of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, first, the
디퓨져(10)는 수소 연료의 화학적 반응에 따라 발생한 부산물인 수증기를 배출함과 아울러, 화학반응시에 부가적으로 발생하는 잔류수소가 누적되지 않도록, 잔류수소의 배출을 실시하게 된다. 이를 위하여 디퓨져(10)는 마그네틱 밸브(12), 체크밸브(16), 콘넥터(14) 및 모터팬(18)을 포함하여 구성된다. The
마그네틱 밸브(12)는 상기 모터팬(18)에 에어를 공급 및 배출시켜 상기 모터팬(18)을 구동시키도록 에어의 공급을 제어하는 밸브이다.The
체크밸브(16)는 모터팬(18)의 구동이상 및 마그네틱 밸브(12)의 작동 이상 등으로 인하여 공급된 에어의 역류 현상을 체크한다. 또한, 체크밸브(16)는 에어의 역류현상 뿐만 아니라, 잔류수소 및 수증기의 역류현상도 체크하고, 에어, 잔류수소 및 수증기의 역류발생시 이를 차단한다.The
콘넥터(14)는 디퓨져(10)에 포함된 모터팬(18)의 구동을 에어로 작동시키기 위하여 에어라인(40)과 모터팬(18)의 연결, 에어라인(40)과 마그네틱 밸브(12)의 연결 및 모터팬(18)으로부터의 잔류수소 역류를 제어하기 위한 체크밸브(16)의 연결을 위한 구성이다. 즉, 콘넥터(14)는 디퓨져(10) 내부 각 구성을 결합시키는 기능을 수행한다.The
모터팬(18)은 팬을 회전시켜 회전력에 의하여 잔류수소 및 수증기를 외부로 배출한다. 이러한 모터팬(18)은 상시 구동을 실시하여 수증기 및 잔류수소를 배출하거나, 일정시간 간격으로 작동하여 잔류수소를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 본 발명의 모터팬(18)은 단선 및 쇼트나 과부하로 인한 고장시, 베큠 컨트롤 유닛(50)의 제어에 따른 에어의 공급을 이용하여 동작하여 수증기 및 잔류수소를 배출시킬 수 있다.The
에어 프로세스 유닛(20)은 에어 콤프레셔(30)에서 생성된 에어를 각 구성 예를 들면, 브레이크 유닛, 서스팬션 유닛, 도어 및 에어 시트 등의 구성에 공급하는 것을 제어한다. 에어 프로세스 유닛(20)은 브레이크 유닛 및 서스팬션 유닛의 경우에 있어서, 자동차의 운행시 항상 작동되게 됨으로 브레이크 유닛 및 서스팬션 유닛으로의 에어의 공급 및 배출을 각 구성의 작동시마다 지속적으로 유지시킨다. 또한, 에어 프로세스 유닛(20)은 디퓨져(10)의 모터팬(18) 이상으로 인하여 에어 공급 요구가 발생하는 경우, 에어 콤프레셔(30)와 디퓨져(10)를 연결하는 에어라인(40)을 인식하고, 인식된 에어라인(40)으로 에어가 공급되도록 제어하게 된다.The
에어 콤프레셔(30)는 에어를 필요로 하는 상기 구성 즉, 브레이크 유닛, 서스팬션 유닛, 도어 및 에어 시트 등에 에어를 공급하기 위하여 에어를 생성하는 유닛이다. 본 발명의 에어 콤프레셔(50)는 연료전지용 보기류 에어 콤프레셔를 이용하는 것이 바람직하다.The
베큠 컨트롤 유닛(50)은 배기가스 점화장치의 배기가스 저감장치(Exhaust Gas Recirculation : EGR) 밸브, 에어밸브 등의 작동부압을 엔진 운전 상황에 따라서 컨트롤하기 위한 밸브 유닛이다. 본 발명의 베큠 컨트롤 유닛(50)은 디퓨져(10)에 포함된 모터팬(18)이 고장이 난 경우, 팬 고장을 인식하고, 마그네틱 밸브(12)를 오픈하여 디퓨져(10)에 에어가 공급되도록 함으로써, 팬이 고장난 경우에는 팬을 구동하여 잔류수소를 배출할 수 있도록 제어한다.The
상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템을 구성하는 각 구성에 대하여 살펴보았다. 하기에서는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템을 이용한 수증기 및 잔류수소의 배기 방법에 대하여 살펴보기로 한다.In the above, the respective components constituting the exhaust system of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention have been described. Hereinafter, a method of exhausting water vapor and residual hydrogen using an exhaust system of a fuel cell vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of evacuating a fuel cell vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 방법은 먼저, 디퓨져(10)의 동작 여부를 확인한다(S101).Referring to FIG. 3, the method for evacuating a fuel cell vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention first checks whether the
S101 단계에서, 베큠 컨트롤 유닛(50)은 디퓨져(10)의 동작 이상 발생 감지 즉, 모터팬(18)에 단선, 쇼트 및 과부하로 인한 이상 구동을 감지하고, 이에 따라, 에어 공급하기 위하여 디퓨져(10)에 연결된 에어라인(40)의 온-오프를 제어하게 된다.In operation S101, the
S101 단계에서, 디퓨져(10)의 동작 이상 발생시, 디퓨져(10)에 에어를 공급한다(S102).In operation S101, when an abnormal operation of the
S102 단계에서, 디퓨져(10)의 동작 이상 발생의 경우에는, 디퓨져(10)와 에어 콤프레셔(30)를 연결하는 에어라인(40)을 개방하여 에어 콤프레셔(30)가 발생한 에어를 디퓨져(10)에 공급되도록 한다. 이를 위하여, 에어 프로세스 유닛(20)은 디퓨져(10)와 연결되는 에어라인(40)을 인식하고, 에어 콤프레셔(30)에서 발생한 에어를 마그네틱 밸브(12) 쪽으로 공급하게 되며, 이때, 베큠 컨트롤 유닛(50)은 마그네틱 밸브(12)를 개방함으로써, 에어 콤프레셔(30)의 에어를 디퓨져(10)의 모터팬(18)에 공급하게 된다.In operation S102, when an operation abnormality occurs in the
다음으로, 디퓨져(10)는 공급된 에어를 이용하여 모터팬(18)을 회전시키며, 이 힘을 이용하여 수증기 및 잔류수소를 배출한다(S103).Next, the
S103 단계에서, 모터팬(18)은 에어 콤프레셔(30)로부터 생성된 에어를 공급 받아 모터팬(18)을 회전시킴으로써, 잔류수소의 배출을 수행하게 된다.In step S103, the
한편, S103 단계에서, 체크밸브(16)는 에어, 잔류수소 및 수증기의 역류현상을 체크하고(S104), 에어, 잔류수소 및 수증기의 역류현상 발생시 이를 각각 차단할 수 있다(S105).On the other hand, in step S103, the
S105 단계에서, 체크밸브(16)는 기본적으로 에어 역류현상 발생시 에어의 공급 및 역류를 에어라인(40)을 차단하게 되며, 부가적으로, 잔류수소 및 수증기 역류현상 발생시에도 모터팬(18)과 연결된 에어라인(40)을 차단하여 역류를 방지할 수 있다.In step S105, the
이와 같은 구성 및 방법을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템 및 배기 방법은 모터팬의 고장이 발생할 경우, 에어콤프레셔로부터 생성되는 에어를 이용하여 모터팬을 구동하게 됨으로, 잔류수소의 누적을 방지할 수 있게 됨으로, 잔류수소로 인한 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다.Exhaust system and exhaust method of a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention having such a configuration and method is to drive the motor fan using the air generated from the air compressor when the failure of the motor fan, residual hydrogen By preventing the accumulation of, it is possible to prevent the risk of explosion due to residual hydrogen.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차의 배기 시스템 및 배기 방법은, 연료전지 자동차의 배기 시스템에서 잔류수소의 배기를 에어를 이용하여 배출함으로써, 기타 연료전지 자동차의 시스템의 과부하 및 고장으로 인한 모터팬의 비작동에 다른 잔류수소의 누적을 방지하여, 잔류수소의 누적으로 인한 폭발위험성을 제거할 수 있다.As described above, the exhaust system and the exhaust method of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention, by exhausting the exhaust of residual hydrogen in the exhaust system of the fuel cell vehicle by using air, By preventing the accumulation of other residual hydrogen in the non-operation of the motor fan due to overload and failure, the risk of explosion due to the accumulation of residual hydrogen can be eliminated.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, preferred embodiments of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention, such modifications and modifications belong to the scope of the claims You will have to look.
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