KR100906902B1 - Safety system of fuel cell stack and method for the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 연료전지스택의 특정 셀 손상 및 이 셀이 속한 모듈의 고장시에 모듈 선택용 스위치의 개폐작동에 의해 고장상태의 모듈이 소속된 모듈 패키지를 제외한 정상상태의 모듈들로 구성된 모듈 패키지로부터 전류 공급이 이루어지도록 작동하는 연료전지스택의 안전시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a safety system for a fuel cell stack and a control method thereof for supplying current when a cell is damaged. The present invention relates to a safety system and a control method of a fuel cell stack operating to supply current from a module package consisting of modules in a normal state except a module package to which a faulty module belongs.

이러한 본 발명에 의하면, 특정 모듈에서 고장이 나더라도 정상상태의 모듈 패키지가 생산하는 전력에 의해 차량이 주행될 수 있고, 종래와 같이 하나의 셀(또는 모듈)이 고장나더라도 전체 시스템 및 차량이 셧다운되는 일은 없게 된다.According to the present invention, even if a failure occurs in a specific module, the vehicle can be driven by the power produced by the module package in a normal state, and as a whole, even if one cell (or module) fails, the entire system and the vehicle It will not shut down.

연료전지스택, 모듈, 패키지, 스위치, 안전시스템 Fuel Cell Stack, Module, Package, Switch, Safety System

Description

셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템 및 그 제어방법{Safety system of fuel cell stack and method for the same} Safety system of fuel cell stack and control method for supplying current in case of cell damage {Safety system of fuel cell stack and method for the same}

본 발명은 연료전지스택용 안전시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택의 특정 셀 손상 및 이 셀이 속한 모듈의 고장시에 모듈 선택용 스위치의 개폐작동에 의해 고장상태의 모듈이 소속된 모듈 패키지를 제외한 정상상태의 모듈들로 구성된 모듈 패키지로부터 전류 공급이 이루어지도록 작동하는 연료전지스택의 안전시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a safety system for a fuel cell stack and a control method thereof. More particularly, the present invention relates to a failure state due to damage to a specific cell of a fuel cell stack and failure of a module to which the cell belongs. The present invention relates to a safety system of a fuel cell stack and a method of controlling the fuel cell stack, which operate to supply current from a module package composed of modules in a normal state except a module package to which the module belongs.

알려진 바와 같이 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다. As is known, fuel cell systems are a type of power generation system that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electric energy largely, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply system for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. It consists of a heat and water management system that removes the heat of reaction from the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

상기 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly;막전극접합체), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생한 전기를 전달하는 역할을 수행하는 GDL(Gas Diffusion Layer;기체확산층), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 유로 및 분리판(Separator) 등을 포함하여 구성된다.The fuel cell stack is a MEA (membrane electrode assembly) having an electrode / catalyst layer having electrochemical reactions on both sides of an electrolyte membrane in which hydrogen ions move, and evenly distribute the reactants and transfer electricity generated. GDL (Gas Diffusion Layer), gaskets and fasteners for maintaining the tightness and proper fastening pressure of the reactors and cooling water, flow paths and separators through which the reactors and cooling water move, etc. It is configured to include.

첨부한 도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 도시된 바와 같이 연료전지스택은 상기한 구성을 하나의 셀 단위로 하여 복수의 셀(11)들이 적층되어진 스택 구조로 되어 있다.1 is a schematic view showing the configuration of a fuel cell stack. As shown in the drawing, the fuel cell stack has a stack structure in which a plurality of cells 11 are stacked using the above configuration as one cell unit.

연료전지에서는 수소가 양극(Anode, '연료극'이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)으로 공급된다. In a fuel cell, hydrogen is supplied to an anode (also called a fuel electrode), and oxygen (air) is supplied to a cathode (also called a cathode, or an 'electrode' or 'oxygen electrode').

양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통하여 음극으로 전달된다. The hydrogen supplied to the anode by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane proton (Proton, H +) and electrons (Electron, e -) are decomposed by passing through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator, which are conductors.

상기 음극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with the oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply to generate water.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다. 이러한 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.At this time, current is generated by the flow of electrons through the external conductor generated due to the movement of hydrogen ions, and heat is incidentally generated in the water generation reaction. The electrode reaction of the fuel cell is shown in the following reaction formula.

[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e- [Reaction at the fuel electrode] 2H 2 → 4H + + 4e -

[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O[Reaction in the air electrode] O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지[Total Reaction] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Electrical + Thermal

상기와 같은 연료전지의 성능을 향상시키는 방법에 대해서는 각 제조사 및 연구기관들에서 다양한 형태로 연구 및 개발이 진행되고 있다.As for the method of improving the performance of the fuel cell as described above, research and development are being conducted in various forms in each manufacturer and research institute.

한편, 연료전지스택은 전술한 바와 같이 여러 개의 셀로 이루어져 있으며, 이 중에 하나의 셀이라도 손상되면 손상된 셀 주변의 다른 셀 또한 함께 손상된다.On the other hand, the fuel cell stack is composed of a plurality of cells as described above, if any one of them is damaged, other cells around the damaged cell is also damaged together.

또한 수십 kW 이상의 스택은 최소 수백 개의 셀들로 이루어져 있으며, 이와 같이 상당한 수의 셀들로 구성된 스택은 그 무게가 무겁기 때문에 하나의 패키지로 만들기는 어렵다. 하나의 패키지로 만들 수는 있지만, 수소와 공기가 잘 유입되지 못하므로 스택의 성능이 크게 떨어진다. In addition, a stack of tens of kW or more is made up of at least several hundred cells, and such a stack of a considerable number of cells is heavy and difficult to make into a single package. Although it can be made in one package, the stack's performance is greatly degraded due to poor hydrogen and air inflow.

따라서, 복수의 셀들로 이루어진 80kW급 연료전지스택의 예를 들면, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지스택을 패키지를 고려하여 엔진룸에 탑재하기 위한 예로 4개의 모듈로 구성할 경우, 패키지를 구성하는 두 개의 모듈(1,2)이 하단부에 위치하고, 또한 다른 패키지의 두 모듈(3,4)이 상단부에 위치하며, 상기 각 패키지 내 두 모듈은 서로 직렬로 연결되고, 두 패키지 간 모듈도 역시 직렬로 연결될 수 있다.Therefore, as an example of an 80 kW-class fuel cell stack composed of a plurality of cells, as shown in FIG. 2, when the fuel cell stack is configured as an example for mounting in an engine room in consideration of a package, four modules are provided. The two modules constituting the package (1,2) are located at the bottom, and the two modules (3,4) of the other package are located at the top, and the two modules in each package are connected in series with each other, The modules can also be connected in series.

또한 도 2의 개략도에 상세히 나타내지는 않았지만, 각 모듈은 복수의 셀들이 적층되어 구성되며, 도면에서 A로 표시된 모듈(1)의 단자가 전체 스택의 마이너스(-) 단자가 되고, D로 표시된 모듈(4)(이하, 각 모듈을 'A 모듈', 'B 모듈','C 모듈','D 모듈'로 약칭함)의 단자가 전체 스택의 (+) 단자가 된다.In addition, although not shown in detail in the schematic diagram of FIG. 2, each module is configured by stacking a plurality of cells, and the terminal of the module 1 denoted by A in the figure becomes a negative terminal of the entire stack, and the module denoted by D (4) (hereinafter, each module is abbreviated as 'A module', 'B module', 'C module' and 'D module') The positive terminal of the entire stack becomes.

도면에서 A 모듈(1)과 B 모듈(2)이 하나의 모듈 패키지를 구성하여 하단부에, C 모듈(2)과 D 모듈(2)이 하나의 패키지를 구성하여 상단부에 위치되고 있다.In the drawing, the A module 1 and the B module 2 form one module package at the lower end, and the C module 2 and D module 2 constitute one package and are positioned at the upper end.

그리고, A 모듈(1)과 B 모듈(2) 사이, C 모듈(3)과 D 모듈(4) 사이에는 공용분배기(6)가 설치되며, 이는 수소와 공기, 냉각수의 입출구 역할을 하게 된다. 도면에서 도면부호 7은 공기 입구, 도면부호 8은 냉각수 입구, 도면부호 9는 수소 출구를 각각 나타낸다.In addition, a common distributor 6 is installed between the A module 1 and the B module 2 and between the C module 3 and the D module 4, which serves as inlets and outlets of hydrogen, air, and cooling water. In the drawings, reference numeral 7 denotes an air inlet, 8 denotes a cooling water inlet, and 9 denotes a hydrogen outlet.

그러나, 종래의 연료전지스택에서는 A, B, C, D 모듈(1~4) 중에 어느 하나 모듈에서 셀이 손상된 경우 전체 스택에서 전류가 공급되지 못하며, 최소 셀 전압 제어에 의해 파워가 공급되지 못하게 되면서 차량은 셧다운되게 되어 있다. However, in the conventional fuel cell stack, when a cell is damaged in any one of the A, B, C, and D modules 1 to 4, current cannot be supplied from the entire stack, and power cannot be supplied by the minimum cell voltage control. The vehicle is to be shut down.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지스택의 특정 셀 손상 및 이 셀이 속한 모듈의 고장시에 모듈 선택용 스위치의 개폐작동에 의해 고장상태의 모듈이 소속된 모듈 패키지를 제외한 정상상태의 모듈들로 구성된 모듈 패키지로부터 전류 공급이 이루어지도록 작동하는 연료전지스택의 안전시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, the failure state of the module belongs to the failure of the specific cell of the fuel cell stack and the switching of the module selection switch in the case of failure of the module to which this cell belongs. It is an object of the present invention to provide a safety system and a control method of a fuel cell stack operating to supply current from a module package consisting of modules in a steady state except the module package.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,

복수의 셀들이 적층되어 하나의 모듈이 구성되고, 복수의 모듈이 직렬로 연결되어 하나의 모듈 패키지가 구성되며, 이렇게 구성된 제1패키지와 제2패키지가 직렬로 연결된 연료전지스택에서, In the fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked to form one module, and a plurality of modules are connected in series to form a module package, and the first package and the second package thus configured are connected in series.

상기 제1패키지 내 모듈(1)의 (-) 단자와 상기 제2패키지 내 모듈(4)의 (+) 단자에 연결된 각 회로(1a,4a)에 모듈 선택용 스위치 S/W1, S/W2가 설치되고, Module selection switches S / W1 and S / W2 to circuits 1a and 4a connected to the negative terminal of the module 1 in the first package and the positive terminal of the module 4 in the second package. Is installed,

상기 제1패키지 내 모듈(2)의 (+) 단자에 연결된 회로(2a)가 상기 제2패키지 내 모듈(4)의 (+) 단자에 연결된 회로(4a)에 연결되는 동시에 상기 제1패키지 내 모듈(2)의 회로(2a) 상에 모듈 선택용 스위치 S/W3이 설치되며,The circuit 2a connected to the (+) terminal of the module 2 in the first package is connected to the circuit 4a connected to the (+) terminal of the module 4 in the second package and at the same time in the first package. The module selection switch S / W3 is installed on the circuit 2a of the module 2,

상기 제2패키지 내 모듈(3)의 (-) 단자에 연결된 회로(3a)가 상기 제1패키지 내 모듈(1)의 (-) 단자에 연결된 회로(1a)에 연결되는 동시에 상기 제2패키지 내 모듈(3)의 회로(3a) 상에 모듈 선택용 스위치 S/W4가 설치되고,The circuit 3a connected to the (-) terminal of the module 3 in the second package is connected to the circuit 1a connected to the (-) terminal of the module 1 in the first package and at the same time in the second package. The module selection switch S / W4 is installed on the circuit 3a of the module 3,

상기 패키지 내 각 모듈(1~4)의 고장 여부를 판단한 뒤 고장난 모듈이 속한 패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈이 속한 패키지에 의해서만 파워가 공급되도록 상기 각 스위치(S/W1~S/W4)의 개폐동작을 제어하는 제어기(10)가 구비되어 구성되는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템을 제공한다.After determining whether each of the modules 1 to 4 in the package is broken, each switch (S / W1 to S / is provided so that power is supplied only by a package to which a module in a normal state belongs while blocking circuit connection of a package to which a failed module belongs. It provides a safety system for a fuel cell stack for supplying a current when a cell is damaged, which is provided with a controller 10 for controlling the opening and closing operation of W4).

바람직한 실시예에서, 상기 제어기(10)는 각 모듈(1~4)의 셀전압이 미리 설정된 기준셀전압 미만일 경우 해당 모듈을 고장상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the controller 10 is characterized in that when the cell voltage of each of the modules (1 ~ 4) is less than the predetermined reference cell voltage to determine the module as a failure state.

그리고, 본 발명은, 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법에 있어서,In addition, the present invention relates to a control method of a safety system for a fuel cell stack for supplying current when a cell is damaged.

시동 키 온 상태에서 차량 주행 중 제어기(10)가 제1패키지 및 제2패키지 내 각 모듈(1~4)의 고장 여부를 모니터링하는 단계와;Monitoring, by the controller 10, whether each module 1 to 4 in the first package and the second package has failed while the vehicle is driving in the ignition key on state;

상기 제어기(10)가 제1패키지에 속한 모듈(1,2) 중 어느 하나의 고장상태를 감지한 경우, 제1패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈(3,4)이 속한 제2패키지에 의해서만 파워가 공급될 수 있도록 회로 연결하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 단계와; When the controller 10 detects a failure state of any one of the modules 1 and 2 belonging to the first package, the controller 10 blocks the circuit connection of the first package and the second to which the modules 3 and 4 in the normal state belong. Outputting a switching control signal for circuit connection such that power can only be supplied by the package;

이어 상기 제어기(10)의 스위칭 제어신호에 의해, 상기 제2패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(4a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W1, 및 (-) 단자에 연결된 회로(3a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W4가 온 되는 동시에, 상기 제1패키지의 (-) 단 자에 연결된 회로(1a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W2, 및 (+) 단자에 연결된 회로(2a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W3가 오프되는 단계;Then, by the switching control signal of the controller 10, the module selection switch S / W1 on the circuit 4a connected to the (+) terminal of the second package, and the module on the circuit 3a connected to the (-) terminal. The selection switch S / W4 is turned on and the module selection switch S / W2 on the circuit 1a connected to the (-) terminal of the first package and the module selection on the circuit 2a connected to the (+) terminal. Turning off the switch S / W3;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법을 제공한다.It provides a control method of a safety system for a fuel cell stack for supplying current in case of cell damage, characterized in that it comprises a.

바람직한 실시예에서, 상기 안전시스템의 제어방법은, In a preferred embodiment, the control method of the safety system,

상기 제어기(10)가 제2패키지에 속한 모듈(3,4) 중 어느 하나의 고장상태를 감지한 경우, 제2패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈(1,2)이 속한 제1패키지에 의해서만 파워가 공급될 수 있도록 회로 연결하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 단계와; When the controller 10 detects a failure state of any one of the modules 3 and 4 belonging to the second package, the controller 10 blocks the circuit connection of the second package and the first module 1 and 2 belonging to the normal state. Outputting a switching control signal for circuit connection such that power can only be supplied by the package;

이어 상기 제어기(10)의 스위칭 제어신호에 의해, 상기 제1패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(2a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W3, 및 (-) 단자에 연결된 회로(1a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W2가 온 되는 동시에, 상기 제2패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(4a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W1, 및 (-) 단자에 연결된 회로(3a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W4가 오프되는 단계;Then, by the switching control signal of the controller 10, the module selection switch S / W3 on the circuit 2a connected to the (+) terminal of the first package, and the module on the circuit 1a connected to the (-) terminal. Selection switch S / W2 is turned on and the module selection switch S / W1 on the circuit 4a connected to the (+) terminal of the second package, and module selection on the circuit 3a connected to the (-) terminal. The switch S / W4 is turned off;

를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.It characterized in that it further comprises.

또한 바람직한 실시예에서, 상기 제어기(10)는 각 모듈(1~4)의 셀전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준셀전압 미만일 경우 해당 모듈을 고장상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the preferred embodiment, the controller 10 is characterized in that for monitoring the cell voltage of each module (1 ~ 4) is less than a predetermined reference cell voltage to determine the module as a failure state.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 특정 모듈에서 고장이 나더라도 정상상태의 모듈 패키지가 생산하는 전력에 의해 차량이 주행될 수 있고, 종래와 같이 하나의 셀(또는 모듈)이 고장나더라도 전체 시스템 및 차량이 셧다운되는 일은 없게 된다.According to the present invention as described above, even if a failure occurs in a specific module, the vehicle can be driven by the power produced by the module package in a steady state, and even if one cell (or module) fails as in the prior art, the entire system and The vehicle will not shut down.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 안전시스템을 구성하는 모듈 선택용 스위치의 설치상태도이고, 도 4는 본 발명에 따른 안전시스템의 작동상태를 도시한 순서도이다.FIG. 3 is an installation state diagram of a module selection switch constituting the safety system according to the present invention, and FIG. 4 is a flowchart illustrating an operating state of the safety system according to the present invention.

도 3을 설명하면, 일 예의 연료전지스택은 두 개의 패키지로 구성되며, 상기 각 패키지는 세분화된 두 개의 모듈로 구성되는 바, 총 4개의 모듈(1~4)이 하나의 스택을 구성한다.Referring to FIG. 3, an example fuel cell stack includes two packages, and each package includes two subdivided modules. A total of four modules 1 to 4 constitute one stack.

여기서, 두 개의 모듈(1,2)이 하나의 패키지를 구성하여 하단부에 위치하고, 또한 나머지 두 개의 모듈(3,4)이 하나의 패키지를 구성하여 상단부에 위치하며, 상기 각 패키지 내 두 모듈(1~4)은 서로 직렬로 연결되고, 두 패키지 간 모듈도 역시 직렬로 연결된다.Here, two modules 1 and 2 constitute one package and are located at the bottom, and the other two modules 3 and 4 constitute one package and are located at the top. 1-4 are connected in series with each other, and modules between the two packages are also connected in series.

각 모듈은 복수의 셀들이 적층되어 구성되며, 도면에서 A 모듈(1)과 B 모듈(2)이 하나의 패키지를 구성하고, C 모듈(3)과 D 모듈(4)이 나머지 하나의 패키지를 구성하며, 도면에서 A 모듈(1)의 단자가 전체 스택의 마이너스(-) 단자가 되 고, D 모듈(4)의 단자가 전체 스택의 (+) 단자가 된다.Each module is configured by stacking a plurality of cells, in the drawing, A module 1 and B module 2 constitute one package, and C module 3 and D module 4 store the other package. In the drawing, the terminal of the A module 1 becomes the negative (-) terminal of the entire stack, and the terminal of the D module 4 becomes the (+) terminal of the entire stack.

도면에서 A 모듈(1)과 B 모듈(2)이 하단부에, C 모듈(3)과 D 모듈(4)은 상단부에 위치되고 있으며, A 모듈(1)과 B 모듈(2) 사이, 그리고 C 모듈(3)과 D 모듈(4) 사이에는 공용분배기(6)가 설치되고, 이는 수소와 공기, 냉각수의 입출구 역할을 하게 된다.In the figure, A module 1 and B module 2 are located at the bottom, C module 3 and D module 4 are located at the top, between A module 1 and B module 2, and C The common distributor 6 is installed between the module 3 and the D module 4, which serves as inlets and outlets of hydrogen, air and cooling water.

이하, 본 명세서에서는 직렬 연결된 A 모듈(1)과 B 모듈(2)로 구성된 모듈 패키지를 제1패키지로, 직렬 연결된 C 모듈(3)과 D 모듈(4)로 구성된 모듈 패키지를 제2패키지로 칭하며, 제1패키지가 하단부에, 제2패키지가 상단부에 위치된다. Hereinafter, in the present specification, a module package composed of the A module 1 and the B module 2 connected in series is a first package, and a module package composed of the C module 3 and the D module 4 connected in series is referred to as a second package. The first package is located at the lower end and the second package is located at the upper end.

본 발명에서는 각 모듈(1~4)의 단자에 연결된 회로에 모듈 선택용 스위치(S/W1~S/W4)가 각각 설치되는데, 우선 (+) 단자가 되는 D 모듈(4)의 단자에 연결된 회로(4a)에 회로 개페용 모듈 선택 스위치 S/W1가, (-) 단자가 되는 A 모듈(1)의 단자에 연결된 회로(1a)에 모듈 선택 스위치 S/W2가 설치된다.In the present invention, the module selector switches S / W1 to S / W4 are installed in circuits connected to the terminals of the respective modules 1 to 4, respectively, which are first connected to the terminals of the D module 4, which become positive terminals. The module selection switch S / W2 is provided in the circuit 1a connected to the terminal of the module A of the module A which the circuit opening module selection switch S / W1 becomes (-) terminal in the circuit 4a.

그리고, C 모듈(3)의 단자와 D 모듈(4)의 단자가 회로에 의해 연결된 상태에서, (-) 단자가 되는 C 모듈(3)의 단자에 연결된 회로(3a)가 A 모듈(1)의 단자에 연결된 회로(4a)에 연결되고, C 모듈(3)의 단자에서 A 모듈(1)의 단자에 연결되는 상기 회로(3a)에는 모듈 선택 스위치 S/W4가 설치된다.Then, in a state where the terminal of the C module 3 and the terminal of the D module 4 are connected by a circuit, the circuit 3a connected to the terminal of the C module 3, which becomes the negative terminal, is the A module 1 A module selection switch S / W4 is installed in the circuit 3a connected to the circuit 4a connected to the terminal of and connected to the terminal of the A module 1 at the terminal of the C module 3.

또한 (+) 단자가 되는 B 모듈(2)의 단자에 연결된 회로(2a)가 D 모듈(4)의 단자에 연결된 회로(4a)에 연결되며, B 모듈(2)의 단자에서 D 모듈(4)의 단자에 연결되는 상기 회로(2a)에는 모듈 선택 스위치 S/W3이 설치된다.In addition, a circuit 2a connected to a terminal of the B module 2, which becomes a positive terminal, is connected to a circuit 4a connected to a terminal of the D module 4, and a D module 4 is connected at a terminal of the B module 2 Module selection switch S / W3 is installed in the circuit 2a connected to the terminal of ().

그리고, 본 발명의 안전시스템은 각 모듈(1~4)의 셀전압을 입력받도록 된 제어기(10)를 포함하며, 상기 제어기(10)는 각 모듈 선택용 스위치(S/W1~S/W4)의 개폐동작을 제어하는 구성부로서, 각 모듈 선택용 스위치(S/W1~S/W4)는 제어기(10)가 출력하는 전기신호, 즉 스위칭 제어신호에 의해 온/오프된다.
통상적으로, 연료전지스택에는 스택내의 각 셀 전압을 측정하도록 각 셀과 통전 가능하게 연결되는 전압측정장치가 함께 조립되어 있으며, 이 전압측정장치에서 측정된 상기 각 모듈(1~4)의 셀전압을 상기 제어기(10)에서 입력받게 된다.And, the safety system of the present invention includes a controller 10 to receive the cell voltage of each module (1 ~ 4), the controller 10 is a switch for selecting each module (S / W1 ~ S / W4) As a component for controlling the opening / closing operation of each module, each module selection switch S / W1 to S / W4 is turned on / off by an electrical signal output from the controller 10, that is, a switching control signal.
Typically, the fuel cell stack is assembled with a voltage measuring device that is electrically connected to each cell so as to measure the voltage of each cell in the stack, and the cell voltage of each of the modules 1 to 4 measured by the voltage measuring device. Is input from the controller 10.

상기 제어기(10)는 각 모듈(1~4)의 셀전압을 미리 설정된 기준셀전압과 비교하여 해당 모듈의 고장 여부를 판단하며, 고장 감지된 모듈에 따라 각 모듈 선택용 스위치(S/W1~S/W4)의 온/오프를 선택적으로 제어하게 된다.The controller 10 compares the cell voltage of each module 1 to 4 with a preset reference cell voltage to determine whether the corresponding module is faulty, and each module selection switch S / W1 to The on / off of S / W4) is selectively controlled.

이하, 첨부한 도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 3 and 4 will be described the operating state of the present invention.

우선, 시동키 온 상태에서 차량 주행 중에 제어기(10)가 4개 모듈이 모두 정상인 상태, 즉 4개 모듈(1~4)에 대해 모두 셀전압이 미리 설정된 기준셀전압 이상이 되는 정상상태인 것으로 판단한 경우, 상기 제어기(10)는 모듈 선택용 스위치 S/W1 및 S/W2는 닫아주고(on), 모듈 선택용 스위치 S/W3 및 S/W 4는 오픈 상태(off)로 유지한다.First, the controller 10 is in a state in which all four modules are normal while driving the vehicle in the ignition key-on state, that is, the cell voltages for the four modules 1 to 4 are all in a normal state. When it is determined, the controller 10 closes the module selection switches S / W1 and S / W2 (on) and keeps the module selection switches S / W3 and S / W 4 in the open state (off).

이 경우에는 A 모듈(1)의 단자가 전체 스택의 (+) 단자가 되고, D 모듈(4)의 단자가 전체 스택의 (-) 단자가 되며, 직렬로 연결되어 모두 정상상태인 A, B, C, D 모듈이 생산하는 파워가 차량 주행을 위해 공급될 수 있게 된다.In this case, the terminals of the A module 1 become the (+) terminals of the entire stack, the terminals of the D module 4 become the (-) terminals of the entire stack, and are connected in series so that all of the normal A and B The power produced by the C, D modules can be supplied for driving the vehicle.

이때, 4개 모듈(1~4)의 파워를 모두 사용되는 통상적인 풀(full) 파워 공급상태가 된다. At this time, it becomes a normal full power supply state in which all of the power of the four modules 1 to 4 is used.

한편, 4개의 모듈(1~4) 중에 A 또는 B 모듈(1,2)의 셀전압이 기준셀전압 미만인 경우, 제어기(10)는 A 또는 B 모듈(1,2)의 고장상태로 판단하여 모듈 선택용 스위치 S/W1 및 S/W4를 닫아주고(on), 모듈 선택용 스위치 S/W2 및 S/W3는 오픈시킨다(off).On the other hand, if the cell voltage of the A or B module (1, 2) of the four modules (1-4) is less than the reference cell voltage, the controller 10 determines that the failure state of the A or B module (1,2) Close the module selection switches S / W1 and S / W4 (on) and the module selection switches S / W2 and S / W3 open (off).

이 경우에는 C 모듈(3)의 단자가 스택의 (-) 단자가 되고, D 모듈(4)의 단자가 스택의 (+) 단자가 되는 바, 정상상태에서 직렬로 연결되는 C 모듈(3)과 D 모듈(4)이 생산하는 파워가 차량 주행을 위해 공급될 수 있게 된다.In this case, the terminal of the C module 3 becomes the (-) terminal of the stack and the terminal of the D module 4 becomes the (+) terminal of the stack. The power produced by the and D modules 4 can be supplied for driving the vehicle.

그리고, 4개의 모듈(1~4) 중에 C 또는 D 모듈(3,4)의 셀전압이 기준셀전압 미만인 경우, 제어기(10)는 C 또는 D 모듈(3,4)의 고장상태로 판단하여 모듈 선택용 스위치 S/W2 및 S/W3은 닫아주고(on), 모듈 선택용 스위치 S/W1 및 S/W4는 오픈시킨다(off).When the cell voltage of the C or D modules 3 and 4 is less than the reference cell voltage among the four modules 1 to 4, the controller 10 determines that the C or D modules 3 and 4 are in a fault state. The module selection switches S / W2 and S / W3 are closed (on) and the module selection switches S / W1 and S / W4 are open (off).

이 경우에는 A 모듈(1)의 단자가 스택의 (-) 단자가 되고, B 모듈(2)의 단자가 스택의 (+) 단자가 되는 바, 정상상태에서 직렬로 연결되는 A 모듈(1)과 B 모듈(2)이 생산하는 파워가 차량 주행을 위해 공급될 수 있게 된다.In this case, the terminal of the A module 1 becomes the negative terminal of the stack and the terminal of the B module 2 becomes the positive terminal of the stack. And the power produced by the B module 2 can be supplied for driving the vehicle.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 연료전지스택의 안전시스템은, 복수의 셀들이 적층되어 하나의 모듈이 구성되고, 복수의 모듈이 직렬로 연결되어 하나의 모듈 패키지가 구성되며, 이렇게 구성된 제1패키지와 제2패키지가 직렬로 연결되어 연료전지스택이 구성됨에 있어서, 제1패키지 내 모듈(1)의 (-) 단자와 제2패키지 내 모듈(4)의 (+) 단자에 연결된 각 회로(1a,4a)에 모듈 선택용 스위치(S/W1,S/W2)가 설치되고, 제1패키지 내 모듈(2)의 (+) 단자에 연결된 회로(2a)와 제2패키지 내 모듈(3)의 (-) 단자에 연결된 회로 상에 각각 모듈 선택용 스위치(S/W3,S/W4)가 설치되는 한편, 패키지 내 각 모듈의 고장 여부를 판단한 뒤 고장난 모듈이 속한 패키 지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈이 속한 패키지에 의해서만 파워가 공급되도록 상기 각 스위치(S/W1~S/W4)의 개폐동작을 제어하는 제어기(10)가 구비되어 구성된다. In this way, in the safety system of the fuel cell stack according to the present invention, a plurality of cells are stacked to form a single module, and a plurality of modules are connected in series to form a single module package. And the second package are connected in series to form a fuel cell stack, each circuit 1a connected to the (-) terminal of the module 1 in the first package and the (+) terminal of the module 4 in the second package. 4a), the switch for module selection (S / W1, S / W2) is installed, and the circuit 2a connected to the (+) terminal of the module 2 in the first package and the module 3 in the second package Module selection switch (S / W3, S / W4) is installed on the circuit connected to (-) terminal, and each module in the package is judged to be faulty, and the circuit connection of the package to which the failed module belongs is cut off. Of each switch (S / W1 to S / W4) so that power is supplied only by the package to which the module in the state belongs. Consists is provided with a controller 10 for controlling the close operation.

이러한 본 발명의 안전시스템에 따르면, 특정 모듈에서 고장이 나더라도 정상상태의 모듈 패키지가 생산하는 전력에 의해 차량이 주행될 수 있고, 종래와 같이 하나의 셀(또는 모듈)이 고장나더라도 전체 시스템 및 차량이 셧다운되는 일은 없게 된다.According to the safety system of the present invention, even if a specific module fails, the vehicle can be driven by the power produced by the module package in a normal state, and even if one cell (or module) fails as in the prior art, the entire system And the vehicle is not shut down.

도 1은 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도,1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell stack;

도 2는 통상의 연료전지스택의 구조를 나타낸 개략도,2 is a schematic view showing the structure of a conventional fuel cell stack;

도 3은 본 발명에 따른 안전시스템의 모듈 선택용 스위치의 설치상태도, 3 is an installation state of the module selection switch of the safety system according to the present invention,

도 4는 본 발명에 따른 안전시스템의 작동상태를 도시한 순서도.Figure 4 is a flow chart showing the operating state of the safety system according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1, 2, 3, 4, : 모듈1, 2, 3, 4, module

S/W1, S/W1, S/W1, S/W1 : 모듈 선택용 스위치S / W1, S / W1, S / W1, S / W1: Module Selection Switch

Claims (5)

복수의 셀들이 적층되어 하나의 모듈이 구성되고, 복수의 모듈이 직렬로 연결되어 하나의 모듈 패키지가 구성되며, 이렇게 구성된 제1패키지와 제2패키지가 직렬로 연결된 연료전지스택용 안전시스템에 있어서,In the safety system for a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked to form one module, and a plurality of modules are connected in series to form a module package, and the first package and the second package thus configured are connected in series. , 상기 제1패키지 내 모듈(1)의 (-) 단자와 상기 제2패키지 내 모듈(4)의 (+) 단자에 연결된 각 회로(1a,4a)에 모듈 선택용 스위치 S/W1, S/W2가 설치되고, Module selection switches S / W1 and S / W2 to circuits 1a and 4a connected to the negative terminal of the module 1 in the first package and the positive terminal of the module 4 in the second package. Is installed, 상기 제1패키지 내 모듈(2)의 (+) 단자에 연결된 회로(2a)가 상기 제2패키지 내 모듈(4)의 (+) 단자에 연결된 회로(4a)에 연결되는 동시에 상기 제1패키지 내 모듈(2)의 회로(2a) 상에 모듈 선택용 스위치 S/W3이 설치되며,The circuit 2a connected to the (+) terminal of the module 2 in the first package is connected to the circuit 4a connected to the (+) terminal of the module 4 in the second package and at the same time in the first package. The module selection switch S / W3 is installed on the circuit 2a of the module 2, 상기 제2패키지 내 모듈(3)의 (-) 단자에 연결된 회로(3a)가 상기 제1패키지 내 모듈(1)의 (-) 단자에 연결된 회로(1a)에 연결되는 동시에 상기 제2패키지 내 모듈(3)의 회로(3a) 상에 모듈 선택용 스위치 S/W4가 설치되고,The circuit 3a connected to the (-) terminal of the module 3 in the second package is connected to the circuit 1a connected to the (-) terminal of the module 1 in the first package and at the same time in the second package. The module selection switch S / W4 is installed on the circuit 3a of the module 3, 상기 패키지 내 각 모듈(1~4)의 고장 여부를 판단한 뒤 고장난 모듈이 속한 패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈이 속한 패키지에 의해서만 파워가 공급되도록 상기 각 스위치(S/W1~S/W4)의 개폐동작을 제어하는 제어기(10)가 구비되어 구성되는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템.After determining whether each of the modules 1 to 4 in the package is broken, each switch (S / W1 to S / is provided so that power is supplied only by a package to which a module in a normal state belongs while blocking circuit connection of a package to which a failed module belongs. Safety system for fuel cell stack for supplying current in case of cell damage comprising a controller (10) for controlling the opening and closing operation of W4). 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제어기(10)는 각 모듈(1~4)의 셀전압이 미리 설정된 기준셀전압 미만일 경우 해당 모듈을 고장상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템.The controller (10) is a safety system for a fuel cell stack for supplying current when the cell damage, characterized in that the module voltage is determined to be a failure state when the cell voltage of each module (1 ~ 4) is less than the preset reference cell voltage. 청구항 1의 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법에 있어서,A control method of a safety system for a fuel cell stack for supplying current when a cell is damaged, according to claim 1 시동 키 온 상태에서 차량 주행 중 제어기(10)가 제1패키지 및 제2패키지 내 각 모듈(1~4)의 고장 여부를 모니터링하는 단계와;Monitoring, by the controller 10, whether each module 1 to 4 in the first package and the second package has failed while the vehicle is driving in the ignition key on state; 상기 제어기(10)가 제1패키지에 속한 모듈(1,2) 중 어느 하나의 고장상태를 감지한 경우, 제1패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈(3,4)이 속한 제2패키지에 의해서만 파워가 공급될 수 있도록 회로 연결하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 단계와; When the controller 10 detects a failure state of any one of the modules 1 and 2 belonging to the first package, the controller 10 blocks the circuit connection of the first package and the second to which the modules 3 and 4 in the normal state belong. Outputting a switching control signal for circuit connection such that power can only be supplied by the package; 이어 상기 제어기(10)의 스위칭 제어신호에 의해, 상기 제2패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(4a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W1, 및 (-) 단자에 연결된 회로(3a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W4가 온 되는 동시에, 상기 제1패키지의 (-) 단자에 연결된 회로(1a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W2, 및 (+) 단자에 연결된 회로(2a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W3가 오프되는 단계;Then, by the switching control signal of the controller 10, the module selection switch S / W1 on the circuit 4a connected to the (+) terminal of the second package, and the module on the circuit 3a connected to the (-) terminal. Selection switch S / W4 is turned on and the module selection switch S / W2 on the circuit 1a connected to the (-) terminal of the first package and the module selection on the circuit 2a connected to the (+) terminal. The switch S / W3 is turned off; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법.A control method of a safety system for a fuel cell stack for supplying current when a cell is damaged, comprising: a. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 제어기(10)가 제2패키지에 속한 모듈(3,4) 중 어느 하나의 고장상태를 감지한 경우, 제2패키지의 회로 연결을 차단하면서 정상상태의 모듈(1,2)이 속한 제1패키지에 의해서만 파워가 공급될 수 있도록 회로 연결하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 단계와; When the controller 10 detects a failure state of any one of the modules 3 and 4 belonging to the second package, the controller 10 blocks the circuit connection of the second package and the first module 1 and 2 belonging to the normal state. Outputting a switching control signal for circuit connection such that power can only be supplied by the package; 이어 상기 제어기(10)의 스위칭 제어신호에 의해, 상기 제1패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(2a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W3, 및 (-) 단자에 연결된 회로(1a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W2가 온 되는 동시에, 상기 제2패키지의 (+) 단자에 연결된 회로(4a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W1, 및 (-) 단자에 연결된 회로(3a) 상의 모듈 선택용 스위치 S/W4가 오프되는 단계;Then, by the switching control signal of the controller 10, the module selection switch S / W3 on the circuit 2a connected to the (+) terminal of the first package, and the module on the circuit 1a connected to the (-) terminal. Selection switch S / W2 is turned on and the module selection switch S / W1 on the circuit 4a connected to the (+) terminal of the second package, and module selection on the circuit 3a connected to the (-) terminal. The switch S / W4 is turned off; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법.Safety control method for a fuel cell stack for supplying current in the event of damage, characterized in that it further comprises. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,The method according to claim 3 or 4, 상기 제어기(10)는 각 모듈(1~4)의 셀전압을 모니터링하여 미리 설정된 기준셀전압 미만일 경우 해당 모듈을 고장상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 셀 손상시 전류 공급을 위한 연료전지스택용 안전시스템의 제어방법.The controller 10 monitors the cell voltages of each of the modules 1 to 4 and determines that the module is in a fault state when the cell voltage is less than a preset reference cell voltage. Control method of the system.
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