KR100957364B1 - 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 캐소드 측에 공기가 원활하게 공급되지 않는 현상을 미리 진단하고 문제점을 운전자에게 알려서 스택이 손상 받기 이전에 문제 해결이 이루어질 수 있도록 한 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 이물질에 의해 공기 필터가 막혔는지 여부를 판단하기 위해 필터와 공기블로워 사이에 설치된 압력센서를 통해 측정한 압력값이 정상상태 기준값에서 일정 범위 이상으로 벗어나는 경우에 필터의 교체시기로 판단하는 것을 특징으로 하는 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법을 제공한다.

공기블로워, 필터, 압력센서

Description

캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법{Diagnosis of abnomal condition for cathode air supply}

본 발명은 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템에서 캐소드 측에 공기가 원활하게 공급되지 않는 현상을 미리 진단하고 문제점을 운전자에게 알려서 스택이 손상 받기 이전에 문제 해결이 이루어질 수 있도록 한 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다. 또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지로 구성되어 있고, 각 단위전지는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

상기 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 서브가스켓과, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성되어 있다.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.

한편, 상기 연료전지의 애노드 측의 경우 탱크에 담겨 있는 순수 수소를 사 용하기 때문에 밸브나 압력조절장치가 정상적으로 작동하는 경우에는 배관에 이물질이 끼거나 유량 공급에 문제가 발생하는 경우가 적게 발생한다.

그러나, 캐소드 측의 경우에는 외부 공기를 흡입하여 사용하기 때문에 이를 정제하기 위한 필터가 설치되는데, 장시간 필터 교환 없이 주행할 경우 필터가 막혀서 스택에 공기가 원활하게 공급되지 못하는 현상이 발생한다.

따라서, 종래에는 공기의 유량 부족으로 인한 스택 출력 저하 및 누적된 이물질로 인한 스택 손상이 우려되므로, 캐소드 측의 이상현상을 진단하고 그에 대한 대처방법이 필요하였다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 시스템에서 캐소드 측에 공기가 원활하게 공급되지 않는 현상을 미리 진단하고 문제점을 운전자에게 알려서 스택이 손상 받기 이전에 문제 해결이 이루어질 수 있도록 한 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 있어서,

이물질에 의해 공기 필터가 막혔는지 여부를 판단하기 위해 필터와 공기블로워 사이에 설치된 압력센서를 통해 측정한 압력값이 정상상태 기준값에서 일정 범위 이상으로 벗어나는 경우에 필터의 교체시기로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 공기필터의 장착여부를 판단하기 위해 필터와 공기블로워 사이에 설치된 압력센서를 통해 측정한 압력값이 정상상태 기준값에서 일정 범위 이상으로 벗어나는 경우에 필터가 미장착된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 필터와 공기블로워 사이에 누설발생여부를 판단하기 위해 필터와 공기블로워 사이에 설치된 압력센서를 통해 측정한 압력값이 정상상태 기준값에서 일정 범위 이상으로 벗어나는 경우에 누설이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 현재 공기유량에 따른 공기블로워의 회전명령치, 소모전류 및 회전수의 측정값이 정상상태에서 공기유량에 따른 공기블로워의 회전명령치, 소모전류 및 회전수의 기준값에서 일정 수준 이상 벗어나는 경우에 상기 필터가 막히거나 미장착 또는 공기 누설이 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블로워 후단의 가습기 및 연료전지스택에서 유로에 문제가 발생한 경우 압력센서를 통해 압력강하량을 측정하여, 그 측정값이 정상상태에서의 압력강하량보다 일정수준 이상으로 증가하는 경우에 이상상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블로워 후단에서 공기 누설 발생 여부를 판단하기 위해 블로워 후단에 설치된 압력센서를 통해 문제가 발생한 지점에서 측정한 구간별 압력강하량이 정상상태에서의 압력강하량에 비해 일정수준 이상으로 벗어나는 경우에 이상상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 의하면, 캐소드 측의 압력변화, 공기블로워의 회전수와 유량 간의 상관 관계를 통해 캐소드 공기 공급 상태의 이상현상을 조기에 진단하고, 이를 운전자에게 알려줌으로써, 연료전지의 교체 시기를 알려 주며, 차량의 성능 및 내구성을 유지하고, 스택이 손상되는 것을 예방할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 공기 공급계를 나타내는 구성도이다.

일반적으로 연료전지시스템의 공기공급계에서 공기가 공기입구단을 통해 유입되고, 필터(11)를 통해 공기 중의 이물질을 여과시킨 후, 공기블로워(10)를 통해 흡입하여 가습기(12)를 거쳐 연료전지스택(13)에 유입된다. 이때, 블로워(10)로 유입되는 공기유량을 확인하기 위해 블로워의 후단에 유량계(14)가 설치되어 있다.

연료전지 제어기(15)는 연료전지 시스템의 운전중 연료전지에 공급되는 연료인 수소와 공기의 유량을 제어하고, 스택온도 조절을 위해 냉각량을 결정하는 역할을 하며, 연료전지의 상태를 모니터링 하여 연료전지가 정상적으로 작동하도록 제어한다.

본 발명을 구현하기 위해서는 필터(11)와 블로워(10) 사이, 블로워(10)와 유량계(14) 사이 및 가습기(12)와 연료전지스택(13) 사이 그리고, 연료전지스택(13) 후단에 순서대로 제1 내지 제4압력센서(16~19)가 설치되어 있다.

상기 연료전지 제어기(15)는 구간별로 설치된 압력센서(16~19)에 의해 측정 압력값을 입력받아 공기공급계의 이상상태여부를 판단하여 운전자 인터페이스(20)에 알려주게 된다.

본 발명은 연료전지 캐소드 측의 압력변화, 공기블로워(10) 회전수, 블로 워(10) 전류, 블로워(10) 동작 명령치 등과 유량 간의 상관관계를 통해 캐소드 공기 공급 상태의 이상현상을 판단하도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명의 일실시예는 연료전지 캐소드 라인에서 이물질로 인해 공기 공급이 원활하지 못할 경우 위치에 따라 각각 특성 있는 압력변화가 나타나게 된다.

압력 뿐만 아니라 블로워(10) 회전수와 유량 간의 상관 관계 비교, 블로워(10) 명령치와 유량간의 상관관계 비교, 블로워(10) 전류와 유량간 상관 관계에서도 정상상태일 때와 뚜렷한 관계의 변화가 나타나기 때문에 이를 통해서도 이상상태 진단이 가능하다.

또한, 공기필터(이하, 필터(11))가 장착되지 않았거나 블로워(10) 후단에서 공기 누설이 발생하는 경우에도 압력 데이터를 통해 이상현상 판단이 가능하다.

만약 이상 상태가 발생한 경우에 이를 운전자 클러스터에 표기하여 입구단의 필터(11) 또는 공기 공급계의 다른 부품을 점검하게 함으로써, 차량 성능 및 내구성을 유지할 수 있다.

캐소드 공기 공급 라인에서의 이상현상을 진단하기 위한 방법을 진단유형별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 공기필터(11)가 장시간 사용되어 공기중의 이물질에 의해 막혔을 경우 공기블로워(10)의 흡입에 따른 제1압력센서(16)에서의 측정압력이 정상상태보다 낮아질 경우 이를 이상현상으로 판단하고, 이때에는 공기 필터(11) 교환 시기임을 운전자 인터페이스(20)에 알려 준다.

도 2은 정상상태에서 압력센서 위치의 압력과 필터(11)가 막혔을 때의 압력 을 비교하는 그래프로서, 필터(11)가 막히면 블로워(10)에서 공기를 흡입하기 위해 보다 많은 출력이 소모되므로(블로워(10) 회전수 상승), 압력이 낮아지고 정상상태 기준값에서 압력이 하위 기준치 이하로 떨어지면 필터(11) 교환시기로 판단한다.

또한, 도 3은 이상상태 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워(10) 후단부의 압력강하량을 나타내는 그래프로서, 가습기(12) 및 연료전지스택(13)에서의 압력강하량을 정상상태와 비교하여 각 부위의 이상현상을 진단할 수 있다.

즉, 가습기(12) 및 연료전지스택(13) 등의 블로워(10) 후단부의 각 부위에서 플러딩이나 기타 이유로 유로에 문제가 발생한 경우 정상상태에서의 압력강하량보다 그 양이 증가하게 된다. 이를 통해 이상현상의 발생을 감지하여 운전자의 인터페이스(20)에 시스템 점검의 필요성을 알려주게 된다.

또한, 도 4는 배관 및 단품이 막히거나 배관 누설이 발생한 경우 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워(10) 팩터의 크기를 나타내는 그래프로서, 상기 압력센서를 이용하지 않고도 블로워(10) 회전명령치, 블로워(10) 전류, 블로워(10) 회전수(피드백 값)와 공기 유량(공기유량 대신에 스택 전류와 비교가능)의 비교를 통해 공기라인의 이상현상을 판단할 수 있다.

상기 공기유량과 블로워(10) 팩터(소모전류, 회전명령치, 회전수) 간의 비교를 통해 이상상태를 진단 시 캐소드 공기 라인에 부하가 증가하거나 유량 손실이 발생하는 경우에는 공기 유량과 블로워(10) 팩터가 정상상태 일때와 다른 경향성을 나타낸다. 이를 비교하면 공기 라인의 이상상태를 진단할 수 있게 된다.

일반적으로 후단부 배관이나 단품측이 막히는 경우 부하가 증가하게 되어 같 은 유량을 공급하기 위한 블로워 명령치, 회전수, 소모전류 값이 도 4에 도시한 바와 같이 정상상태일때보다 증가한다.

그리고, 블로워(10) 후단부에서 누설이 발생할 경우에는 공기가 외부로 유출되므로 부하가 감소하여 동일 유량에서의 블로워(10) 팩터들이 감소하게 된다.

즉, 실험을 통해 측정한 정상 상태에서의 공기 유량에 따른 블로워(10) 회전명령치, 블로워(10) 소모전류, 블로워(10) 회전수을 기준값으로 하고, 현재 블로워(10) 회전명령치, 블로워(10) 소모전류, 블로워(10) 회전수의 측정값이 기준값에서 일정 수준 이상으로 벗어난 경우 공기 공급라인에 이상이 있는 것으로 판단하고, 운전자 인터페이스(20)에 알려주게 된다.

또한, 도 5는 필터(11) 미장착시 및 정상상태에서 공기의 유량에 따른 압력을 나타내는 그래프로서, 필터(11)를 장착하지 않은 경우에는 압력센서에서의 음압값이 평상시(필터(11) 장착시)보다 높게 나타난다. 즉, 필터(11) 미장착시에는 공기블로워(10) 전단에 부하로 작용하는 필터(11)가 존재하지 않으므로 흡입 압력이 정상상태에 비해 증가하게 된다.

상기 정상상태의 기준값에서 상위 기준값 이상일 때 필터(11)가 장착되지 않은 것을 판단한다. 필터(11) 미장착시 뿐만 아니라, 블로워(10)와 필터(11)단 사이에서 누설이 발생한 경우에도 동일한 현상이 나타나게 된다.

마직막으로, 도 6은 누설 발생시 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워(10) 후단부의 압력강하량을 나타내는 그래프로서, 블로워(10)의 후단에서 누설 발생시에도 압력 변화를 통해 이상현상을 판단할 수 있다. 즉, 블로워(10) 후단에 서 누설이 발생할 경우에 공기 유출로 블러워 후단 제2 내지 제4압력 센서(17~19)를 통해 구간별 압력강하량이 문제가 발생한 지점에서 평상시보다 압력강하량이 작게 나타난다.

상기와 같은 진단방법은 도 1과 같은 시스템에서 뿐만 아니라 다른 구조의 연료전지 시스템에서 동일한 원리를 통해 폭넓게 적용할 수 있고, 공기측 이상상태 진단은 압력을 통해서도 확인 가능하나 압력 센서 없이도 유량과 블로워(10) 팩터들간의 비교를 통해 확인할 수 있다.

또한, 운전자 인터페이스(20)는 클러스터를 포함하여 연료전지 제어기(15)의 램(ram)에 관련 에러 코드를 기록하는 것을 포함한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 공기 공급계를 나타내는 구성도이다.

도 2는 필터가 막힌 경우와 정상상태에서 공기유량에 따른 압력을 나타내는 그래프이다.

도 3은 이상상태 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워 후단부의 압력강하량을 나타내는 그래프이다.

도 4는 배관 및 단품이 막히거나 배관 누설이 발생한 경우 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워 팩터의 크기를 나타내는 그래프이다.

도 5는 필터 미장착시 및 정상상태에서 공기의 유량에 따른 압력을 나타내는 그래프이다.

도 6은 누설 발생시 및 정상상태에서 공기 유량에 따른 블로워 후단부의 압력강하량을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공기블로워 11 : 공기 필터

12 : 가습기 13 : 연료전지스택

14 : 유량계 15 : 연료전지 제어기

16~19 : 제1 내지 제4압력센서 20 : 운전자 인터페이스

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 있어서,

   이물질에 의해 공기 필터(11)가 막혔는지 여부를 판단하기 위해 필터(11)와 공기블로워(10) 사이에 설치된 압력센서를 통해 측정한 압력값이 정상상태 기준값에서 일정 범위 이상으로 벗어나는 경우에 필터(11)의 교체시기로 판단하며,

   현재 공기유량에 따른 공기블로워(10)의 회전명령치, 소모전류 및 회전수의 측정값이 정상상태에서 공기유량에 따른 공기블로워(10)의 회전명령치, 소모전류 및 회전수의 기준값에서 일정 수준 이상 벗어나는 경우에 상기 필터(11)가 막히거나 미장착 또는 공기 누설이 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법.
5. 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법에 있어서,

   블로워(10) 후단의 가습기 및 연료전지스택에서 유로에 문제가 발생한 경우 압력센서를 통해 압력강하량을 측정하여, 그 측정값이 정상상태에서의 압력강하량보다 일정수준 이상으로 증가하는 경우에 이상상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 블로워(10) 후단에서 공기 누설 발생 여부를 판단하기 위해 블로워(10) 후단에 설치된 압력센서를 통해 문제가 발생한 지점에서 측정한 구간별 압력강하량이 정상상태에서의 압력강하량에 비해 일정수준 이상으로 벗어나는 경우에 이상상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 캐소드 공기 공급계의 이상현상 진단방법.

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