KR100837914B1 - 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치에 관한 것으로서, 연료전지 차량에 장착된 보조전원인 릴리프 전원을 내구성 및 반응가스의 부족으로 인하여 성능 저하가 발생된 연료전지 스택 내의 셀에 병렬로 연결시켜 차량 운전시 사용되는 전기 모터의 구동을 위한 전류 인가를 절반으로 감소시킴으로써, 연료전지 스택의 일시적인 성능 저하가 발생하더라도 연료전지의 수명을 연장시켜 차량을 운행할 수 있도록 하므로 연료전지의 신뢰성을 한 층 향상시킬 수 있는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치에 관한 것이다.
연료전지, 보조 전원, 전기 모터, 셀전압 모니터링장치, 스택운전 제어장치
Description
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치를 나타내는 개략적인 도면,
도 2는 종래의 연료전지 스택을 나타내는 개략적인 스택 모형도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 20 : 전기 모터
30 : 보조 전원(릴리프 전원) 35 : 릴레이
40 : 셀전압 모니터링장치 45 : 스택운전 제어장치
50 : 저항 55 : 전원공급선
본 발명은 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내구성 및 반응가스의 부족으로 인한 성능 저하가 발생된 연료전지 스 택에 있어서, 상기 연료전지 스택의 셀에 인가되는 부하를, 연료전지 차량에 장착된 보조전원을 통해 감소시킴으로써, 연료전지 스택의 일시적인 성능 저하가 발생하더라도 차량을 운행할 수 있도록 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기의 60% 가량은 화력 발전으로 생산되고, 이 화력 발전에 쓰이는 연료들은 거의 수입에 의존하고 있는바, 이에 자원 빈국에서 필요로 하는 발전원으로 연구된 것이 바로 연료전지이다.
기존의 화력발전은 화석연료를 연소해서 증기기관을 돌리고 다시 터빈을 돌림으로써 발전을 하기 때문에 발전 도중에 많은 양의 에너지가 손실되지만, 연료전지는 화석연료를 전기화학적으로 반응시켜서 바로 전기에너지를 얻기 때문에 에너지 손실이 적은 저공해의 발전이다.
이산화탄소 발생으로 인한 지구 온난화 현상등 여러 가지 환경오염 문제 해결을 위해 화석연료를 대신할 청정에너지원으로서, 태양광, 태양열 에너지, 바이오 에너지, 풍력 에너지, 수소 에너지에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그중 수소를 연료로 사용하는 연료전지 분야도 급속한 연구가 진행되고 있다.
상기 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막, 이러한 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부 식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다.
또한 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친 환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
상기와 같은 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치이다.
공급된 수소가 Anode 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 Cathode로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
이 때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며, 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O
실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 한다.
이렇게 적층한 것을 스택(Stack)이라 하며, 이러한 스택 모형도는 도 2에 도시되어 있다.
첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택은 엔드플레이트(110)와 체 결볼트(120)를 통해 적층된 분리판(100)의 기밀을 유지하여 성능향상과 안전성 확보, 부피 감소 등의 효과를 도모하고 있다.
그런데, 이러한 연료전지 스택은 약 1.2V의 이론전압을 발생하는 각각의 단위전지들이 직렬로 연결되어 있다.
따라서, 각 단위전지에서 발생된 전자들은 분리판(100)을 통해서 이동하면서 전기를 발생하게 된다.
그런데, 연료전지의 운전도중 내구성의 문제나 반응가스의 부족 등 정상적인 상태로 운전이 되지 못하면 적층된 단위전지 내의 촉매전극 및 이온교환막의 구조에 영향을 미치게 되면서 성능이 저하되게 된다.
이러한 단위전지의 성능저하로 인하여 연료전지 스택 내의 셀 전압편차를 증가시키고, 연료전지 차량이 안전하게 운행될 수 있도록 정해놓은 최소전압 이하의 성능이 발휘되어 연료전지의 운전을 멈추게 하는 문제점이 있다.
이러한 문제가 발생될 경우 직렬로 연결되는 연료전지의 특성상 연료전지 내의 어떤 셀이라도 성능에 이상이 있게 되면, 운전이 불가능해지게 되며, 운전을 위해서는 연료전지 스택을 전부 해체하여 고장난 셀을 새것으로 교체해야 한다.
따라서, 연료전지 차량에서는 연료전지스택을 차량에서 분리한 후, 외부케이스와 스택 주변에 장치되어있는 여러 부품들(셀전압 모니터장치, 배기팬, 온도 및 압력센서 등)을 탈착한 후, 체결 프레스장치에서 체결볼트를 풀어 고장난 셀을 교체한 다음 해체작업을 역순으로 재조립하여 차량에 장착해야 하므로 작업 공정이 오래 걸리는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 차량에 장착된 보조전원을 성능 저하가 발생된 연료전지 스택 내의 셀에 병렬로 연결시켜 차량 운전시 사용되는 전기 모터의 구동을 위한 전류 인가를 감소시킴으로써, 연료전지 스택의 일시적인 성능 저하가 발생하더라도 차량을 운행할 수 있도록 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전기 모터(20)를 작동시키기 위해 전류를 공급하는 연료전지 스택(10)에 보조 전원(30)이 전원공급선(55)을 통해 연결되어 상기 연료전지 스택(10)의 전압 강하 발생시 셀전압 모니터링장치(40)에 입력된 신호를 바탕으로 스택운전 제어장치(45)가 해당 성능 저하셀에 상기 보조 전원(30)을 공급하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 연료전지 스택(10) 및 셀전압 모니터링장치(40) 사이에는 그 연료전지 스택(10)에서 발생되는 전압을 낮춰 셀전압 모니터링장치(40)로 인가되도록 저항(50)이 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스택운전 제어장치(45)에 의해 보조 전원(30)이 상기 연료전지 스택(10)의 성능 저하셀에 선택적으로 공급될 수 있도록 스위치 기능을 갖는 릴레이(35)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 전원(30)은 상기 연료전지 스택(10)의 성능 저하셀에 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치를 나타내는 개략적인 도면이다.
일반적으로 연료전지를 사용하는 전기자동차는 연료전지 스택(10)과, 이로부터 전류를 공급받아 작동하는 전기 모터(20)와, 상기 전기 모터(20)의 거동에 필요한 동력을 보조하고 전기 모터(20)의 제동시 회생 에너지를 회수하여 충전하는 배터리 또는 수퍼 커패시터(super capacitor)로 이루어진 보조 전원(릴리프 전원)(30)을 동력 전달장치로 사용하게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 보조 전원(30)은 상기와 같은 보조 동력을 제공하는 역할, 예를 들어 연료전지 차량에서의 급가속시 순간적인 전력 소모량을 만족시키기 위한 역할 이외, 연료전지의 운전 도중 내구성의 문제나 반응가스의 부족 등과 같은 정상적인 상태로 운전이 불가능하여 성능이 저하될 경우, 연료전지 스택(10) 내에서 성능 저하가 발생된 셀에 보조 전원(30)의 전류를 인가시킬 수 있도록 병렬로 연결하게 된다.
이때, 상기 연료전지 스택(10) 내의 성능 저하셀과 보조 전원(30)의 연결은 그 연료전지 스택(10) 내의 모든 셀 전압을 모니터링하는 셀전압 모니터링장치(40) 와 상호 연계되어 있다.
이때, 상기 셀전압 모니터링장치(40)에는 상기 연료전지 스택(10)의 운전 상태를 확인하기 위하여 연료전지 스택(10)의 전도성 분리판에 전압단자를 연결하여 그 발생되는 전압을 확인하는 스택운전 제어장치(45)가 포함되어 있다.
또한, 상기 스택운전 제어장치(45)는 상기 셀 전압을 확인하여 성능이 저하된 셀에 보조 전원(30)의 전류를 인가시킬 수 있도록 제어하게 된다.
이때, 상기 분리판에 연결된 전압단자와 상기 셀전압 모니터링장치(40) 사이에는 연료전지 스택(10)에서 발생되는 전압이 셀전압 모니터링장치(40)로 직접 인가되지 못하도록 저항(50)이 연결되어 있다.
이는 상기 연료전지 스택(10)에서 발생되는 높은 전압이 직접 인가될 경우, 그 셀전압 모니터링장치(40)에 손상이 가해질 수 있으므로 전압을 저항을 통해 낮춘 다음, 전류값으로 환산하여 모니터링할 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같이 연결된 저항(50)과 연료전지 스택(10)과 연결된 전압단자 사이에 보조 전원(30)을 연결할 수 있는 전원공급선(55)이 연결되어 있으며, 이 전원공급선(55)은 상기 보조 전원(30)과 연결되어 연료전지 스택(10) 내에서 전압 강하가 발생할 경우, 셀전압 모니터링장치(40) 내의 스택운전 제어장치(45)에 입력된 신호를 바탕으로 그 전압 강하가 발생된 해당 셀에 보조 전원(30)의 전류를 공급하게 된다.
예를 들어, 상기 전기 모터(20)에서 최대 200A의 전류를 소모할 경우, 연료전지 스택(10) 내의 각 셀에는 200A의 전류를 전기 모터(20)에 출력하여야 한다.
이 중, 연료전지 스택(10) 내의 임의의 셀 성능이 저하된 경우 다른 셀보다 낮은 전압을 발생하게 되는데, 상기 전압이 연료전지 스택(10)의 운전조건에 필요한 최소 전압보다 낮게 되면 연료전지 스택(10)은 운전을 멈추게 된다.
이에, 상기 스택운전 제어장치(45)에서 성능이 저하된 셀에 보조 전원(30)의 전류를 공급하도록 하여 상기 성능 저하셀과 그 보조 전원(30)에 각각 100A씩의 전류가 분리되어 전기 모터(20)에 출력되도록 한다. 즉, 성능 저하셀에 보조전원(30)을 병렬 연결할 경우, 각각의 성능 저하셀과 보조전원(30)에 100A씩의 부하가 나누어져 인가되는 것이다.
따라서, 상기 성능 저하셀은 다른 정상적인 셀보다 낮은 부하(200A→100A)가 인가되므로 전압이 상승하게 되어 성능 저하분을 만회하고 이로 인하여 연료전지 차량이 운행 가능하게 된다.
여기서, 미설명 부호 35는 연료전지 스택(10)에 전원을 안정적으로 공급하는 스위치 기능을 갖는 릴레이이다.
한편, 본 발명은 연료전지 차량에 탑재된 보조 전원(30)을 이용하게 되므로 추가적인 보조전원을 차량에 탑재하지 않고서도 본 발명의 바람직한 구현 및 및 운행이 가능하게 된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치에 의하면, 연료전지 스택의 성능 저하가 발생하더라도 연료전지의 수명을 연장시켜 차량을 운행할 수 있도록 하므로 연료전지의 신뢰성을 한 층 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 전기 모터(20)를 작동시키기 위해 전류를 공급하는 연료전지 스택(10)에 보조 전원(30)이 전원공급선(55)을 통해 연결되어 상기 연료전지 스택(10)의 전압 강하 발생시 셀전압 모니터링장치(40)에 입력된 신호를 바탕으로 스택운전 제어장치(45)가 해당 성능 저하셀에 상기 보조 전원(30)을 공급하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 연료전지 스택(10) 및 셀전압 모니터링장치(40) 사이에는 그 연료전지 스택(10)에서 발생되는 전압을 낮춰 셀전압 모니터링장치(40)로 인가되도록 저항(50)이 연결된 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 스택운전 제어장치(45)에 의해 보조 전원(30)이 상기 연료전지 스택(10)의 성능 저하셀에 선택적으로 공급될 수 있도록 스위치 기능을 갖는 릴레이(35)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 보조 전원(30)은 상기 연료전지 스택(10)의 성능 저하셀에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지의 보조 동력 제어장치.
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