KR101240986B1 - 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법에 관한 것으로서, 연료전지 차량에서 연료전지 스택에 유입된 산소를 주기적으로 제거하여 애노드측 막전극접합체의 촉매층 카본 부식을 방지하고, 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 차량용 연료전지 시스템의 주차 중 연료전지 산소 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 제어기가 키 오프 검출 후 연료전지 시스템의 셧다운 과정을 완료한 뒤 캐소드 산소 제거용 부하가 연료전지에 연결된 상태에서 일정시간 주기로 연료전지의 애노드에 수소를 추가로 공급하는 수소 공급 과정을 진행하여 연료전지 내 잔류하는 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 연료전지에 유입된 산소를 주기적으로 제거하여 애노드측 막전극접합체의 촉매층 카본 부식을 방지하고, 연료전지의 내구성을 향상시키는 차량용 연료전지 시스템의 주차 중 산소 제거 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 장치이다.
현재 차량용으로 많이 사용되고 있는 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.
연료전지를 차량용 동력원으로 사용하기 위해서는 연료전지와 더불어 각종 운전장치들을 시스템으로 구성하여 차량에 탑재해야 하는데, 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이 중에서 연료전지 차량의 주동력원으로 사용되는 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
좀더 상세히 기술하면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 공급되는데, 수소는 애노드로, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온과 전자로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때, 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 연료전지 차량의 운행을 마치고 난 뒤 키 오프(Key Off/IG Off)하여 시스템을 셧다운(Shutdown)을 시킬 때, 연료전지 전압이 일정 전압 이상이고 애노드측에 수소가, 캐소드측에 산소가 남은 상태이면, 전해질막을 통해 수소와 산소가 교환되어서 촉매층의 열화를 가속화시키는 것으로 알려져 있다.
이를 방지하기 위해 시스템 셧다운시에는 연료전지 전압을 떨어뜨리면서 캐소드측과 애노드측에서 산소와 수소를 제거하는 다양한 기술들이 제안된 바 있다.
대표적인 예로, 시스템 셧다운시 캐소드 산소 제거용 부하(COD:Cathod Oxygen Depletion)를 연결하여 연료전지 전압을 낮추는 동시에 캐소드의 잔류 산소를 제거하는 방법이 사용되고 있다.
그러나, 시스템 셧다운시 캐소드 산소 제거용 부하를 연결하여 잔존 산소를 제거하더라도 애노드 내 수소 잔량이 부족할 경우 캐소드 내 산소를 완전히 제거하지 못한다.
또한 셧다운 과정 완료 후 연료전지 입, 출구측 공기 배관의 밸브를 닫아놓게 되는데, 밸브를 닫아놓은 상태에서도 차량이 장기 주차할 경우 연료전지에 외부 산소가 유입되면서 캐소드뿐만 아니라 애노드까지 산소가 확산 분포될 수 있다.
이에 장기 주차 후 첫 시동시 수소 공급 단계에서 캐소드의 잔류 산소로 인해 스택 전압이 발생하여 불안정하게 상승할 수 있고, 애노드 내부의 산소로 인해 막전극접합체의 촉매층에서 카본 부식이 발생하여 스택 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 차량에서 연료전지 스택에 유입된 산소를 주기적으로 제거하여 애노드측 막전극접합체의 촉매층 카본 부식을 방지하고, 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 차량용 연료전지 시스템의 주차 중 연료전지 산소 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택에 유입된 산소를 주기적으로 제거하여 장기 주차 후 시동시 캐소드의 잔류 산소로 인해 스택 전압이 불안정하게 상승하는 것을 방지하고, 전압 상승의 안정성을 확보할 수 있는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 제어기가 키 오프 검출 후 연료전지 시스템의 셧다운 과정을 완료한 뒤 캐소드 산소 제거용 부하가 연료전지에 연결된 상태에서 일정시간 주기로 연료전지의 애노드에 수소를 추가로 공급하는 수소 공급 과정을 진행하여 연료전지 내 잔류하는 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법을 제공한다.
여기서, 상기 수소 공급 과정은, 수소감지센서 및 전압센서에 전원을 공급하고 센서의 신호를 입력받는 단계와; 수소탱크의 탱크 밸브를 열고 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지와 분리하는 단계와; 수소감지센서의 신호로부터 수소 누출 여부를 확인하는 단계와; 설정된 시간(t1) 동안 수소 누출이 없는 경우 수소공급라인의 수소공급밸브를 열어 연료전지의 애노드에 설정된 시간(t2) 동안 수소를 공급한 뒤 탱크 밸브를 닫는 단계와; 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지에 연결하여 연료전지 내 산소를 제거하는 동시에 연료전지의 전압을 떨어뜨리는 단계와; 전압센서의 신호로부터 스택 전압이 제거됨을 확인한 뒤 수소공급밸브를 차단하고 상기 센서의 전원을 차단하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 상기 탱크 밸브를 닫은 상태에서 캐소드 산소 제거용 부하를 연결하기 전에, 전압센서의 신호로부터 스택 전압의 정상 여부를 판단한 뒤 스택 전압의 과전압 발생시 과전압 폴트 정보를 메모리에 기록하고, 스택 전압의 정상 여부 판단 후 수소감지센서의 신호로부터 수소 누출 여부를 추가로 확인한 뒤 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지에 연결하되, 수소 누출이 확인되면 수소 폴트 정보를 메모리에 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 수소 누출 여부를 확인하는 과정에서 수소 누출이 확인되면 수소 폴트 정보를 메모리에 기록하고, 이어 탱크 밸브 차단 및 캐소드 산소 제거용 부하 연결 후 수소 공급 없이 과정을 종료하는 것을 특징으로 한다.
또한 수소 공급 과정에서 기록된 상기 폴트 이력을 다음 주기의 수소 공급 과정 전에 확인하여 폴트 이력이 있는 경우 수소 공급 없이 과정을 종료하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 스택 전압 제거 확인 및 수소공급밸브 차단 후 수소 공급 횟수 정보를 메모리에 기록하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연료전지 제어기는 IG 전원 생성기에서 출력되는 웨이크 업 신호를 인가받아 상기 수소 공급 과정을 진행하고, 상기 IG 전원 생성기가 설정된 일정시간 주기로 웨이크 업 신호를 발생시켜 연료전지 제어기에 인가함과 동시에 IG 전원을 연료전지 제어기로 공급하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법에 의하면, 키 오프된 상태에서 연료전지에 주기적으로 수소를 공급하여 외부 유입된 산소를 제거해줌으로써, 애노드측 막전극접합체의 촉매층 카본 부식을 방지하고, 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에서는 장기 주차 후 시동시 캐소드의 잔류 산소로 인해 스택 전압이 불안정하게 상승하는 것을 방지하고, 전압 상승의 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 주차 중 연료전지의 산소 제거 과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 IG 전원 생성기의 웨이크 업 신호 발생 주기를 나타내는 도면이다.
도 2는 IG 전원 생성기의 웨이크 업 신호 발생 주기를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 주차 중인 연료전지 차량의 연료전지 스택에서 잔류 산소를 주기적으로 제거하기 위한 방법에 관한 것으로서, 주차 중 연료전지의 애노드에 수소를 주기적으로 공급하는 것을 주 요지로 한다.
전술한 바와 같이, 시동 오프(Key Off/IG Off)하여 연료전지 시스템이 셧다운될 때 캐소드 산소 제거용 부하를 연결한 상태로 캐소드 내 잔류 산소를 어느 정도 제거하지만, 몇 시간 이상의 장기 주차시에는 외부 산소가 추가로 유입되므로 주차 상태에서 추가 유입된 산소를 포함한 캐소드 내 잔류 산소를 가능한 한 제거하여 주는 것이 필요하다.
이에 본 발명에서는 시동 오프 상태에서 산소 제거에 필요한 수소를 연료전지의 애노드에 추가로 공급하여 애노드 내에서 항상 수소 또는 최소한 질소 분위기가 유지될 수 있도록 함으로써, 애노드측 막전극접합체의 촉매층 카본 부식을 방지하고, 스택의 내구성 향상 및 시동시 전압 상승의 안전성을 확보하는 것에 주안점이 있다.
특히, 본 발명에서는 시동 오프 상태에서 연료전지 제어기가 일정시간 주기로 애노드에 수소를 공급하게 되는데, 이에 캐소드 내부에서는 전기화학 반응으로 캐소드 내 산소가 제거되는 동시에, 애노드에서는 수소 또는 질소 분위기가 유지되어, 재시동시 수소 공급 단계에서 애노드의 잔류 산소로 인한 카본 부식이 억제될 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명의 연료전지 산소 제거 및 수소 공급 제어 과정을 수행하기 위해서는 연료전지 제어기를 일정 주기로 깨어나게 하는 웨이크 업(Wake Up) 신호를 발생시키고 연료전지 제어기에 IG 전원을 공급하는 IG 전원 생성기가 구비된다.
상기 IG 전원 생성기는 내부에 웨이크 업 주기를 계산하는 알고리즘이 내장되어 일정시간 주기로 웨이크 업 신호를 연료전지 제어기에 인가하게 되고, 이에 연료전지 제어기는 웨이크 업 신호에 따라 연료전지의 수소 공급을 제어하게 된다.
또한 연료전지 제어기는 웨이크 업 신호 입력에 따른 수소 공급 횟수 및 수소 공급 중 발생한 폴트(Fult) 이력(수소 폴트 및 과전압 폴트 이력)을 메모리에 저장하고, 이후 저장된 정보를 수소 공급 여부를 결정하는데 사용하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 주차 중 연료전지의 산소 제거 과정을 나타내는 순서도이다.
먼저, 연료전지 차량의 운행을 마치고 난 뒤 운전자가 키 오프(Key Off/IG Off)하게 되면, 연료전지 제어기는 키 오프 신호를 검출하여 연료전지 시스템의 셧다운 과정을 진행하며, 셧다운 과정에서는 캐소드 산소 제거용 부하가 연결된 상태로 캐소드 내 잔류 산소를 제거하는 과정을 진행하므로, 셧다운 완료 후 캐소드 산소 제거용 부하는 연료전지에 연결된 상태로 있게 된다.
상기와 같이 키 오프 후 셧다운 과정이 완료된 뒤 산소 제거용 부하가 연결된 상태에서 본 발명에 따른 캐소드 유입 산소 제거를 위한 과정이 진행된다.
먼저, 연료전지 시스템의 셧다운이 완료된 상태에서 IG 전원 생성기가 미리 설정된 일정시간 주기로 웨이크 업 신호를 발생시켜 연료전지 제어기에 인가하게 되며, 주기마다 연료전지 제어기에 IG 전원을 공급하게 된다.
IG 전원 생성기의 웨이크 업 신호 발생 주기(수소 공급 주기가 됨)는 선행된 시험을 통해 결정될 수 있고, 차량에 따라 달리 설정될 수 있다.
도 2는 IG 전원 생성기의 웨이크 업 신호 발생 주기를 나타내는 도면이다.
이와 같이 웨이크 업 신호를 전달받게 되면(S11) 연료전지 제어기는 주차 중 산소 제거를 위한 수소 공급 제어를 수행하게 되며, 만약 웨이크 업 신호가 인가되지 않으면 키 온(Key On)/시동(Start) 조작에 따라 시동 대기 모드 또는 시동 시퀀스를 진행하게 된다(S11').
웨이크 업 신호 입력으로 수소 공급 제어가 수행되면, 먼저 메모리에 기록된 이전 수소 공급 제어 수행시 발생한 폴트(Fault) 이력을 체크한다(S12).
여기서, 이전 수소 공급시 폴트가 발생한 이력이 있으면, 시스템에 이상이 있는 것이므로 수소 공급을 하지 않고 바로 종료하며, 폴트 발생 이력이 없으면 시스템 정상 상태이므로 수소 공급을 진행한다.
수소 공급 과정을 설명하면, 먼저 연료전지 시스템 내 센서류, 즉 수소감지센서와 전압센서 등에 전원을 공급하여 각 센서의 신호를 입력받기 시작한다(S13).
이어 수소탱크에 설치된 탱크 밸브를 열고, 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지와 분리한다(S14).
상기와 같이 탱크 밸브를 열어주고 나면 수소 공급 전에 수소가 비정상적으로 누출된 상태 또는 누출되고 있는 상태를 체크해야 하며, 따라서 수소감지센서의 신호로부터 수소 누출 여부를 확인하는 과정이 실시된다(S15).
이때, 수소감지센서의 신호에 기초하여 설정된 t1 시간 동안 주변 수소 농도가 기준치 이하로 정상이면 수소공급라인의 수소공급밸브를 열어 연료전지의 애노드에 수소를 공급한다(S18).
만약, t1 시간 이내에 수소 농도가 기준치를 초과하는 높은 상태이면 배관이나 피팅류 등에서 비정상적인 수소 누출 등이 발생한 상태이므로 탱크 밸브를 차단한다.
또한 수소 위험 이벤트를 발생시켜 수소 폴트 정보를 임시 저장하고(S16,S17), 캐소드 산소 제거용 부하를 다시 연결한 뒤(S24), 센서류 전원 차단(S27) 등의 과정을 거쳐 수소 공급 없이 과정을 바로 종료한다.
연료전지의 애노드에 수소가 공급된 후 설정된 t2 시간이 경과하면, 탱크 밸브를 다시 닫고 전압센서에 의해 검출되는 스택 전압의 정상 유무를 판정한다(S19~S22).
여기서, 스택 전압이 설정된 기준치 이하이면 다시 수소 농도를 체크하게 되며(S23), 스택 전압이 기준치를 초과하는 위험 수준의 값이면 과전압 폴트 정보를 임시 저장한 뒤(S22') 수소 농도를 체크하게 된다(S23).
과전압 폴트가 발생한 경우 캐소드 내에 잔류 산소가 뜻하지 않은 이유로 비정상적으로 많이 존재하는 이상 현상이 나타났음을 의미하는 것이다.
이후 수소 농도가 기준치 이하의 정상이면 바로 캐소드 산소 제거용 부하를 연결하여 산소 제거 및 스택 전압을 떨어뜨리고(S23,S24), 수소 농도가 기준치를 초과하는 위험 수준이면 수소 폴트 정보를 임시 저장한 뒤(S23') 캐소드 산소 제거용 부하를 연결하여 산소 제거 및 스택 전압을 떨어뜨린다(S24).
이후 전압센서의 검출신호로부터 스택 전압이 제거됨을 확인한 뒤 수소공급밸브 등 수소공급라인을 모두 차단하고(S25), 메모리에 총 수소 공급 횟수 및 폴트 현황(임시 저장된 수소 폴트 정보, 과전압 폴트 정보) 등을 최종 기록한 뒤(S26) 센서류 전원 차단 등의 과정(S27)을 거쳐 수소 공급 로직을 모두 종료한다.
이후 IG 전원 생성기의 설정된 시간 주기 및 횟수만큼 상기한 과정을 반복하여 주차 중 연료전지의 캐소드에 외부 유입되는 산소를 계속해서 제거하게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
Claims (7)
- 연료전지 제어기가 키 오프 검출 후 연료전지 시스템의 셧다운 과정을 완료한 뒤 캐소드 산소 제거용 부하가 연료전지에 연결된 상태에서 일정시간 주기로 연료전지의 애노드에 수소를 추가로 공급하는 수소 공급 과정을 진행하여 연료전지 내 잔류하는 산소를 제거하며,
상기 수소 공급 과정은,
수소감지센서 및 전압센서에 전원을 공급하고 센서의 신호를 입력받는 단계와;
수소탱크의 탱크 밸브를 열고 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지와 분리하는 단계와;
수소감지센서의 신호로부터 수소 누출 여부를 확인하는 단계와;
설정된 시간(t1) 동안 수소 누출이 없는 경우 수소공급라인의 수소공급밸브를 열어 연료전지의 애노드에 설정된 시간(t2) 동안 수소를 공급한 뒤 탱크 밸브를 닫는 단계와;
캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지에 연결하여 연료전지 내 산소를 제거하는 동시에 연료전지의 전압을 떨어뜨리는 단계와;
전압센서의 신호로부터 스택 전압이 제거됨을 확인한 뒤 수소공급밸브를 차단하고 상기 센서의 전원을 차단하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 탱크 밸브를 닫은 상태에서 캐소드 산소 제거용 부하를 연결하기 전에,
전압센서의 신호로부터 스택 전압의 정상 여부를 판단한 뒤 스택 전압의 과전압 발생시 과전압 폴트 정보를 메모리에 기록하고,
스택 전압의 정상 여부 판단 후 수소감지센서의 신호로부터 수소 누출 여부를 추가로 확인한 뒤 캐소드 산소 제거용 부하를 연료전지에 연결하되, 수소 누출이 확인되면 수소 폴트 정보를 메모리에 기록하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 수소 누출 여부를 확인하는 과정에서 수소 누출이 확인되면 수소 폴트 정보를 메모리에 기록하고, 이어 탱크 밸브 차단 및 캐소드 산소 제거용 부하 연결 후 수소 공급 없이 과정을 종료하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
- 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
수소 공급 과정에서 기록된 상기 폴트 이력을 다음 주기의 수소 공급 과정 전에 확인하여 폴트 이력이 있는 경우 수소 공급 없이 과정을 종료하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스택 전압 제거 확인 및 수소공급밸브 차단 후 수소 공급 횟수 정보를 메모리에 기록하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지 제어기는 IG 전원 생성기에서 출력되는 웨이크 업 신호를 인가받아 상기 수소 공급 과정을 진행하고, 상기 IG 전원 생성기가 설정된 일정시간 주기로 웨이크 업 신호를 발생시켜 연료전지 제어기에 인가함과 동시에 IG 전원을 연료전지 제어기로 공급하는 것을 특징으로 하는 주차 중 연료전지의 산소 제거 방법.
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