KR101575362B1 - 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지차량의 충돌사고 등과 같은 비정상 상태 발생시 연료가스 누출 및 고전압으로 인한 위험을 방지할 수 있는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 소용량의 비활성기체 및 액체가 충진된 유체저장유닛을 차량에 장착하고, 상기 유체저장유닛에서 비활성유체가 스택 및 가스배관에 유입될 수 있도록 유체공급배관 및 개폐밸브를 추가로 설치함으로써, 차량 충돌시 제어유닛이 개폐밸브를 개방하여 비활성유체가 스택 및 가스배관에 유입되면서 잔류가스를 희석시키고, 수소출구밸브를 통해 희석가스를 배출시킴으로써, 스택의 고전압을 저감하여 차량의 안전성을 확보할 수 있는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 유체공급배관을 통해 유입된 비활성유체가 수소입구밸브의 개방에 의하여 지속적으로 유입될 수 있는 수소의 유입을 차단할 수 있고, 수소출구측에 안전밸브 및 바이패스 배관이 장착되어 수소출구밸브의 고장 발생시 상기 희석가스를 배출시켜 차량의 안전성을 확보할 수 있다.
연료전지차량, 스택, 비활성유체, 유체저장유닛, 개폐밸브, 안전밸브

Description

연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법{Stack safety control apparatus and method for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량 충돌시 스택의 안전성을 확보할 수 있는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.
자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지(cell)로 구성되어 있고, 각 단위전지는 연료인 수소와 공기중의 산소가 전기화학반응을 하여 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.
이때, 연료전지의 운전 후 정지시 스택의 애노드와 캐소드에 각각의 반응가스(수소 및 공기)가 잔류되기 때문에 셀 당 약 0.9~1.0V 이상의 높은 전위가 형성되게 되고, 상기 높은 전위가 오랫동안 지속되면 캐소드측에서 촉매담지체의 부식, 즉 촉매담지체의 탄소가 물과 반응하여 CO2 로 배출되어, 촉매담지체를 구성하는 탄소가 소실되므로 수소와 산소의 반응이 활성화되지 못하여 스택 성능을 감소시킨다.
또한, 단위셀이 수백장 적층된 연료전지스택의 경우 수백 V 이상의 고전압이 형성되므로 스택 보관시 전기안전성이 문제가 될 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 연료전지의 정지 및 보관 시 외부전원(Current Breaker)과 스택을 연결하여 스택 운전 중 형성된 고전압을 소모함으로써 캐소드측의 촉매담지체의 부식을 저감시키고, 스택 보관 시 전기안전성을 확보할 수 있는 기술이 있다(미국특허번호 US2002/0187376 A1 참조).
그리고, 연료전지스택 시동 및 정지시 질소와 같은 비활성가스를 연료극과 공기극에 공급함으로써 스택내에 수소를 희석시켜 스택의 전위를 저감하는 기술(일본특허번호 JP1996-015091 B2 참조)과, 차량 충돌사고와 같은 비정상상태 발생시 외부전원을 통해 스택 전위를 저감시켜 안전성을 확보하는 기술(미국특허번호 US6,819,066 B2 참조)이 있다.
그러나, 종래에는 차량 충돌사고와 같은 비정상상태 발생시 비활성기체를 이용하여 스택의 고전압을 저감시켜 차량의 안전성을 확보하는 기술이 필요하였다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 충돌사고와 같은 연료전지의 비정상 종료 발생시 비활성유체를 스택 및 가스 배관에 유입시켜 스택 및 가스 배관의 잔류가스를 희석 및 희석가스를 배출시킴으로써 스택의 고전압을 저감하고, 고전압 및 잔류가스의 누출로 인한 화재의 위험을 방지할 수 있는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 연료전지차량의 충돌사고 등과 같은 비정상 상태 발생시 연료가스 누출 및 고전압으로 인한 위험을 방지하기 위해,
소용량의 비활성기체 및 액체가 충진된 유체저장유닛을 차량에 장착하고, 상기 유체저장유닛에서 비활성유체가 스택 및 가스배관에 유입될 수 있도록 유체공급배관 및 개폐밸브를 추가로 설치함으로써, 차량 충돌시 제어유닛이 개폐밸브를 개방하여 비활성유체가 스택 및 가스배관에 유입되면서 잔류가스를 희석시키고, 수소출구밸브를 통해 희석가스를 배출시킴으로써, 스택의 고전압을 저감하여 차량의 안전성을 확보할 수 있는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 유체공급배관을 통해 유입된 비활성유체가 수소입구밸브의 개방에 의하여 지속적으로 유입될 수 있는 수소의 유입을 차단할 수 있고, 수소출구측에 안전밸브 및 바이패스 배관이 장착되어 수소출구밸브의 고장 발생시 상기 희석 가스를 배출시켜 차량의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 연료전지 차량의 충돌 사고 및 시스템의 비정상 종료 발생시 연료공급을 차단하고, 비활성유체를 이용하여 별도의 저항 및 전류 인가 없이 스택 및 배관 내의 잔류 연료를 희석시킴으로써 스택의 전압을 강하시킬 수 있다.
2. 상기 비활성유체를 이용하여 잔류연료를 희석시킨 후 희석가스를 배출시킴으로써, 스택의 고전압 및 잔류연료 누출로 인한 화재의 위험으로부터 안전성을 확보할 수 있다.
3. 비활성유체가 수소입구로 분사되어 시스템의 비정상 종료시 수소입구밸브의 개방에 의해 수소가 지속적으로 유입되는 것을 방지하고, 수소출구측에 안전밸브 및 바이패스 배관이 설치됨으로써 시스템의 비정상 종료시 수소출구밸브가 막혀있더라도 바이패스 배관을 통해 희석가스를 배출시킴으로써 차량의 안전성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에서 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도이고, 도 3은 도 1에서 수소출구밸브가 작동되지 않는 경우 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 5는 도 4에서 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도이고, 도 6은 도 4에서 수소출구밸브 및 공기출구밸브가 작동되지 않는 경우 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도이다.
본 발명은 연료전지차량의 충돌 등으로 인한 연료전지시스템의 비정상종료시 스택(50)에 형성되어 있는 고전압 및 잔류가스들로 인한 화재 등의 안전상의 위험을 미연에 방지할 수 있는 연료전지차량용 스택(50) 안전 제어장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어장치는 비활성기체 또는 기타 액체 등의 유체가 충진된 소용량의 유체저장유닛(10)과, 상기 소용량 구조물에서 비활성기체를 스택(50)으로 공급하거나 스택(50)에서 배출시 각종 밸브를 제어하는 제어유닛(30)과, 연료가스의 출구밸브가 작동하지 않을 경우 안전밸브(40)를 포함한다.
상기 유체저장유닛(10)은 약 5리터 정도로 소용량의 저장구조물로서, 저장구조물 내부에 비활성기체 또는 기타 액체 등의 유체가 충진되어 있다.
이때, 비활성기체는 질소 또는 헬륨을 포함한다.
상기 연료전지의 배관은 수소입출구밸브가 연료극 양측에 각각 설치된 경우와, 수소입출구밸브 및 공기입출구밸브가 연료극과 공기극 양측에 각각 설치된 경 우로 나눌 수 있다.
상기 수소입출구밸브가 연료극 양측에 각각 설치된 연료전지 배관구조에서, 유체저장유닛(10)과 수소입구(52) 사이에 유체공급배관이 연결되어 유체저장유닛(10)의 비활성기체가 스택(50)의 수소입구(52)에 공급된다.
상기 유체공급배관에는 제1개폐밸브(20)가 설치되어 비활성기체의 흐름을 개폐하고, 유체공급배관은 수소입구밸브(51)와 스택(50) 사이에 연결되어 시스템의 비정상 종료시 수소입구밸브(51)가 열림상태로 지속되더라도 비활성기체가 스택(50)의 수소입구(52)에 분사되면서 수소의 유입을 차단할 수 있다.
차량 충돌 등과 같은 비정상 종료시 수소출구밸브(54)가 작동되지 않을 경우를 대비하여, 상기 안전밸브(40)와 바이패스 배관(41)이 스택(50)과 수소출구밸브(54) 사이에 설치되어, 안전밸브(40)와 바이패스 배관(41)을 통해 수소출구밸브(54)가 막히더라도 스택(50)의 수소출구(53)의 배기가스를 바이패스시켜 배기시킬 수 있다.
상기 수소입출구밸브가 연료극 양측에 각각 설치되고, 공기입출구밸브가 공기극 양측에 각각 설치된 연료전지 배관구조에서, 유체저장유닛(10)과 수소입구(52) 사이에 제1유체공급배관(11)이 연결되고, 유체저장유닛(10)과 공기입구(55) 사이에 제2유체공급배관(12)이 연결되어 유체저장유닛(10)의 비활성기체가 스택(50)의 수소입구(52)와 공기입구(55)에 각각 공급된다.
상기 제1유체공급배관(11)과 제2유체공급배관(12)에는 제1 및 제2개폐밸브(20,22)가 각각 설치되어 각 배관에 공급되는 비활성기체의 흐름을 개폐하고, 제 1유체공급배관(11)은 수소입구밸브(51)와 스택(50) 사이에 연결되어 차량충돌시 수소입구밸브(51)가 막히더라도 비활성기체를 스택(50)의 수소입구(52)에 공급하고, 제2유체공급배관(12)은 공기입구밸브(57)가 막히더라도 비활성기체를 공기입구(55)에 공급할 수 있도록 되어 있다.
차량 충돌 등과 같은 비정상 종료시 수소출구밸브(54) 및 공기출구밸브(58)가 작동되지 않을 경우를 대비하여, 상기 안전밸브(40)와 바이패스 배관(41)이 스택(50)과 수소출구밸브(54) 사이에 그리고 스택(50)과 공기출구밸브(58) 사이에 각각 설치되어, 안전밸브(40)와 바이패스 배관(41)을 통해 수소출구밸브(54)가 막히더라도 수소출구(53) 및 공기출구(56)의 배기가스를 바이패스시켜 배기시킬 수 있다.
상기 제어유닛(30)은 에어백 ECU와 같은 원리로 차량의 충돌을 감지하여 상기 제1 및 제2개폐밸브(20,22)를 제어하여 유체저장유닛(10)의 비활성유체를 스택(50) 내부로 방출시켜 스택(50) 및 배관의 잔류 연료가스를 희석 및 배기시키고, 연료전지의 전위를 저감하여 차량 충돌과 같은 시스템의 비정상 종료시의 안전성을 확보할 수 있다.
이와 같은 구성에 의한 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 방법의 순서도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 방법의 순서도이다.
차량충돌감지센서에 의해 차량 충돌이 감지되면 제어유닛(30)은 제1 및 제2개폐밸브(20,22)를 개방하여 유체저장유닛(10)의 비활성유체를 수소입구(52) 및 공기입구(55)에 분사한다.
상기 수소입구(52) 및 공기입구(55)를 통해 분사된 비활성유체는 스택(50) 내부에 유입되면서 잔류수소 및 산소를 희석시켜 수소 및 산소농도를 낮춤으로써, 연료전지의 고전압을 저감할 수 있다.
또한, 상기 수소입구(52) 및 공기입구(55)를 통해 분사된 비활성유체는 차량 충돌 등과 같은 시스템의 비정상 종료 발생시 수소입구밸브(51) 및 공기입구밸브(57)가 고장나서 수소 및 산소가 지속적으로 공급될 경우 수소 및 산소의 공급을 차단할 수 있다.
계속해서, 제어유닛(30)은 차량 충돌 등과 같은 시스템의 비정상 종료 발생시 상기 수소출구밸브(54)가 작동하는지 여부를 판단하여 수소출구밸브(54)가 정상작동되면 수소출구밸브(54)를 개방하여 연료전지시스템의 전원을 차단하고 수소출구밸브(54)를 통해 연료극 및 공기극 내의 희석가스를 배기시킴으로써, 잔류가스로 인한 화재 등의 위험으로부터 안전성을 확보할 수 있다.
이때, 상기 수소출구밸브(54)가 고장나게 되면 안전밸브(40)를 개방하여 바이패스 배관(41)을 통해 연료극 및 공기극 내의 희석가스를 배기시킬 수 있다.
상기와 같은 방법은 수소의 입출구에만 수소입출구밸브가 설치된 경우에도 동일하게 적용되고, 다만 제2개폐밸브(22)와 공기출구밸브(58) 및 공기출구(56)에 설치된 안전밸브(40)의 작동이 제외될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도
도 2는 도 1에서 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도
도 3은 도 1에서 수소출구밸브가 작동되지 않는 경우 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도
도 5는 도 4에서 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도
도 6은 도 4에서 수소출구밸브 및 공기출구밸브가 작동되지 않는 경우 비활성유체의 흐름상태를 나타내는 개략도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 방법의 순서도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지차량용 스택 안전 제어 방법의 순서도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유체저장유닛 11 : 제1유체공급배관
12 : 제2유체공급배관 20 : 제1개폐밸브
22 : 제2개폐밸브 30 : 제어유닛
40 : 안전밸브 41 : 바이패스 배관
50 : 스택 51 : 수소입구밸브
52 : 수소입구 53 : 수소출구
54 : 수소출구밸브 55 : 공기입구
56 : 공기출구 57 : 공기입구밸브
58 : 공기출구밸브

Claims (7)

  1. 비활성 유체가 충진되어 스택(50)에 비활성 유체를 공급하는 유체저장유닛(10);
    상기 유체저장유닛(10)과 스택(50)의 수소입구(52)를 연결하는 제1유체공급배관(11)에 설치되어 비활성유체의 흐름을 개폐하는 제1개폐밸브(20);
    차량 충돌시 제1개폐밸브(20)를 개방하여 비활성유체를 스택(50)에 유입시켜 잔류연료를 희석시킨 후, 희석된 가스를 배출시키는 제어유닛(30);
    을 포함하고,
    상기 스택(50)의 수소출구(53)에 설치된 안전밸브(40) 및 바이패스 배관(41)을 더 포함하고, 연료전지시스템의 비정상 종료시 수소출구밸브(54)가 닫혀 있더라도 상기 안전밸브(40)가 개방되어 바이패스 배관(41)을 통해 희석가스가 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1유체공급배관(11)은 스택(50)의 수소입구(52)에 설치된 수소입구밸브(51)와 스택(50) 사이에 연결되고, 연료전지시스템의 비정상 종료시 수소입구밸브(51)가 개방되더라도 제1유체공급배관(11)을 통해 유입된 비활성기체가 수소입구밸브(51)를 통해 유입되는 수소의 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 유체저장유닛(10)과 스택(50)의 공기입구(55)를 연결하는 제2유체공급배관(12)에 설치되어 비활성유체의 흐름을 개폐하는 제2개폐밸브(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 스택(50)의 공기출구(56)에 설치된 안전밸브(40) 및 바이패스 배관(41)을 더 포함하고, 연료전지시스템의 비정상 종료시 공기출구밸브(58)가 닫혀 있더라도 상기 안전밸브(40)가 개방되어 바이패스 배관(41)을 통해 희석가스가 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치.
  6. 차량의 충돌시 제어유닛(30)이 제1개폐밸브(20)를 개방하여 유체저장유닛(10)에 충진된 비활성유체를 스택(50) 내부에 유입시켜 잔류가스와 희석시키는 단계;
    연료전지시스템의 전원을 차단하고, 상기 스택(50)의 수소출구(53)에 설치된 수소출구밸브(54)를 통해 비활성유체에 의해 희석된 잔류가스를 배출시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 희석된 잔류가스를 배출시키는 단계에서 연료전지시스템의 비정상 종료시 수소출구밸브(54)가 닫힘상태되어 작동하지 않는 경우 안전밸브(40)를 개방하여 바이패스 배관(41)을 통해 희석된 잔류가스를 배출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 스택 안전 제어 방법.
  7. 삭제
KR1020090115450A 2009-11-26 2009-11-26 연료전지차량용 스택 안전 제어 장치 및 방법 KR101575362B1 (ko)

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