KR101575421B1 - 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 능동제어하여 종래 수소압력 감압불량으로 인한 시동불가를 개선하기 위한 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 제어하기 위한 것으로, 상기 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하는 수소압력센서; 상기 수소압력센서에서 입력받는 수소압력 정보를 통해 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 인지하고, 인지한 수소압력이 임계치 이상이면 하기 전자식 릴리프 밸브를 작동시키는 제어유닛; 상기 제어유닛의 신호에 따라 작동하여 스택 입구로 공급되는 수소의 일부를 방출하는 전자식 릴리프 밸브;로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템을 제공한다.

Description

연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법 {System and method for controlling hydrogen pressure of fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 능동제어하여 종래 수소압력 감압불량으로 인한 시동불가를 개선하기 위한 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수소연료전지차량은 연료인 수소를 산소와 반응시켜 발생하는 전기를 이용하여 모터를 구동시켜 추진력을 발생시키는 차량으로, 필수적으로 수소저장시스템이 탑재되어 있다.

연료전지 스택에 연결되는 수소저장시스템의 구성을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면, 수소저장탱크(10)에 연결되는 수소공급라인(12)과, 연료전지 스택(30)에서 미반응된 수소가 재순환되는 수소재순환라인(14)과, 스택 입구(13) 측에 장착되어 수소압력을 측정하는 수소압력센서(18)와, 상기 수소압력센서(18)의 검출신호를 기반으로 수소공급라인(12)에 장착된 레귤레이터(20)의 유량 제어 동작을 제어하는 제어유닛(22)을 포함하여 구성된다.

최근 수소연료전지차량에서 사용되는 수소저장시스템으로는 상용화 성능이 가장 높은 700bar의 고압 수소저장시스템이 사용되는 추세이다.

이러한 고압 수소저장시스템은 고압수소저장탱크에서 공급되는 700bar의 수소압력을 고압레귤레이터를 통해서 10bar로 감압하여 공급한 후, 스택 전단의 저압레귤레이터에서 10bar를 0.3bar로 감압하여 스택에 공급한다.

이때, 고압(700bar)을 저압(10bar)으로 감압시켜 공급하는 레귤레이터의 수소압력 감압성능불량으로 인해 수소압력이 상승하게 되면 릴리프 밸브(PRV, Pressure relief valve)가 작동하여 16bar 이상의 압력은 대기 방출하게 되며, 이로 인해 시스템은 과압으로부터 보호되게 된다.

상기 릴리프 밸브(PRV)는 수소저장시스템에서 레귤레이터와 스택 입구 사이에 설치되어 구성되며, 도 1에서 도면부호 16으로 표시되어 있다.

수소저장시스템의 릴리프 밸브(PRV)는 기계식 스프링 타입으로 마련되는데, 작동압력에 대한 편차가 다소 존재하여 작동압력에 대한 정밀제어가 어렵고, 밸브 작동시 방출되는 수소량을 제어하지 못하고 과량의 수소를 방출하게 되어서 차량의 셧다운(Shut Down)을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 전자식 릴리프 밸브를 이용하여 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 능동적으로 제어할 수 있도록 함으로써 종래 수소압력 감압불량으로 인한 시동불가 문제를 개선가능한 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 제어하기 위한 것으로, 상기 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하는 수소압력센서; 상기 수소압력센서에서 입력받는 수소압력 정보를 통해 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 인지하고, 인지한 수소압력이 임계치 이상이면 하기 전자식 릴리프 밸브를 작동시키는 제어유닛; 상기 제어유닛의 신호에 따라 작동하여 스택 입구로 공급되는 수소의 일부를 방출하는 전자식 릴리프 밸브;로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 제어유닛은 수소압력이 임계치 이상일 때마다 그 횟수를 누적하여 과압횟수를 카운트하며, 상기 과압횟수가 일정 횟수 이상이면 운전자에게 알리도록 한다.

또한 본 발명에서는, 연료전지차량의 주행 중 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하는 과정; 상기 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 임계치와 비교하는 과정; 상기 수소압력이 임계치 이상이면 전자식 릴리프 밸브를 작동시켜 스택의 입구 측으로 공급되는 수소의 일부를 방출하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 연료전지 스택의 입구 측 수소압력이 임계치 이상일 때마다 그 횟수를 누적하여 과압횟수를 카운트하고, 상기 과압횟수가 일정 횟수 이상이면 운전자에게 알리도록 한다.

본 발명에 따른 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템 및 방법은, 릴리프 밸브를 기존의 기계식이 아닌 전자식을 사용함으로써 릴리프 밸브가 제어유닛의 판단에 의한 신호에 의해 능동형으로 작동하게 되어 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 정상수준으로 제어하고 종래 수소압력 감압불량으로 인한 차량 시동불가 문제를 개선할 수 있으며, 이에 차량 시동 안전성 및 운전 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 수소연료전지차량의 수소저장시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 따라 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력의 과압 방지를 위한 제어과정을 나타낸 순서도
도 4는 차량을 장기간 외부에 주차 후 키 온(Key On) 시 연료전지 스택의 입구 측에 연결되는 수소라인의 수소압력 변화를 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지차량에 탑재된 수소저장시스템에서 연료전지 스택으로 공급하는 수소압력을 능동적으로 제어하여 과압을 방지하기 위한 시스템에 관한 것으로, 종래 수소압력 감압불량으로 인해 발생하는 과압의 수소압력을 전자식으로 감지하고 수소 방출시 수소압력을 능동적으로 제어하여 차량의 셧다운(Shut Down)을 방지하도록 한다.

이에 본 발명에 따른 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이, 수소압력센서(1)와 제어유닛(2) 및 전자식 릴리프 밸브(PRV, Pressure relief valve)(3)로 구성된다.

상기 수소압력센서(1)는 연료전지 스택(미도시)의 입구 측과 제어유닛(2) 사이에 설치된 것으로, 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하여 제어유닛(2)에 제공한다.

상기 제어유닛(2)은 수소압력센서(1)로부터 입력받은 검출신호(수소압력)를 통해 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 인지하게 되며, 인지한 수소압력이 임계치(예를 들면, 16bar) 이상이면 전자식 릴리프 밸브(3)를 작동시킨다.

상기 전자식 릴리프 밸브(3)는 수소저장탱크의 배출구 측에 연결된 레귤레이터와 스택 입구 사이에 설치된 것으로, 제어유닛(2)의 제어신호에 따라 작동하여 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소의 일부를 대기로 방출하게 된다.

도 3을 참조로 하여 상기 제어유닛(2)이 전자식 릴리프 밸브(3)를 작동시켜 수소압력을 정상수준으로 제어하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

차량이 시동을 걸어 주행중인 상태에서, 수소압력센서(1)는 설정된 바에 따라(예를 들면, 연속적으로 또는 일정 시간 간격으로) 연료전지 스택의 입구 측의 수소압력을 검출하여 제어유닛(2)에 제공한다.

상기 제어유닛(2)은 수소압력센서(1)로부터 연료전지 스택의 입구 측 수소압력 정보를 입력받아 파악하게 되며, 입력받은 수소압력 값을 미리 설정되어 있는 임계치와 비교한다.

또한 제어유닛(2)은 수소압력 값이 임계치 이상이 될 때마다 그 횟수를 누적하여 과압횟수(수소압력 값이 임계치 이상인 경우를 누적하여 카운트한 횟수)를 카운트하며, 수소압력 값이 임계치 이상이면 과압횟수를 카운트함과 동시에 미리 설정한 일정 횟수와 비교한다.

따라서 수소압력 값이 임계치 이상이고 과압횟수가 일정 횟수 이하이면 전자식 릴리프 밸브(3)를 작동시켜 연료전지 스택의 입구 측 수소의 일부를 방출하여 수소압력을 감압시킨다.

이때 상기 수소압력센서(1)는 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 반복적으로 검출하여 제어유닛(2)에 제공하며, 제어유닛(2)은 수소압력 값이 감소하여 임계치 이하에 도달하게 되면 전자식 릴리프 밸브(3)의 작동을 중지시킨다.

제어유닛(2)은 연료전지 스택의 입구 측 수소압력이 임계치 이하의 정상값을 가지게 되면 수소압력센서(1)의 검출신호를 통해 다시 스택 입구 측 수소압력이 임계치 이상을 형성하게 되는지 반복적으로 확인하고, 수소압력이 다시 임계치 이상의 값을 갖게 되면 상기의 과정을 반복하여 수소압력을 임계치 이하로 제어하며, 이에 차량은 시동 및 주행 가능 상태가 된다.

알려진 바와 같이, 연료전지차량의 수소압력의 특성상 수소압력을 임계치 이하로 형성되게 한 후 시동을 걸면 스택에서의 수소 소모로 인해 주행 동안에는 임계치 이상으로 수소압력이 상승하지 않게 된다.

그리고, 수소압력을 임계치 이하로 제어하는 과정을 반복함에 따라 과압횟수가 일정 횟수 이상이 되면 전자식 릴리프 밸브(3)를 작동시키는 대신 DTC(Dynamic Traction Control) 경고 등을 통해 운전자에게 알림으로써 운전자가 차량 정비를 받게 할 수 있다. 이때 차량은 주행가능상태를 유지하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 파악하여 과압시 전자식 릴리프 밸브를 작동시켜서 수소 과압을 방지하고 수소압력을 정상수준으로 제어함으로써 시동불가를 방지하여 주행을 가능하게 한다.

즉, 본 발명에 의하면 수소 과압시 전자식 릴리프 밸브의 작동압력을 정밀하게 제어하여 밸브 작동시 방출되는 수소의 양을 제어할 수 있게 됨으로써 수소압력 감압불량으로 인한 시동불가 및 주행불가를 원천적으로 해결할 수 있게 되며, 아울러 차량을 장기간 방치시 수소압력의 미세 상승에 의한 시동불가의 문제를 개선할 수 있게 된다.

도 4는 차량을 장기간 외부에 주차 후 키 온(Key On) 시 연료전지 스택의 입구 측에 연결되는 수소라인의 수소압력 변화를 나타낸 것이다.

도 4에 보이듯이, 장기간 외부 주차로 인해 수소라인의 수소압력이 임계치를 초과한 과압을 형성하게 되어 시동이 불가한 상태에서 전자식 릴리프 밸브를 오픈으로 작동시킴에 의해 상기 수소라인의 수소압력이 임계치 이하로 감소하여 정상 시동 및 주행이 가능하게 됨을 확인할 수 있다.

1 : 수소압력센서
2 : 제어유닛
3 : 전자식 릴리프 밸브

Claims (4)

1. 연료전지 스택에 공급되는 수소압력을 제어하기 위하여, 상기 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하는 수소압력센서와, 상기 수소압력센서에서 입력받는 수소압력 정보를 통해 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 인지하고, 인지한 수소압력이 임계치 이상이면 하기 전자식 릴리프 밸브를 작동시키는 제어유닛; 상기 제어유닛의 신호에 따라 작동하여 스택 입구로 공급되는 수소의 일부를 방출하는 전자식 릴리프 밸브;를 구비하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템에 있어서,
   상기 제어유닛은
   수소압력센서를 통해 인지한 수소압력이 임계치 이상이면 시동 및 주행이 가능하도록 하기 위하여 전자식 릴리프 밸브를 제어하여 수소압력을 임계치 이하로 감압시키며,
   수소압력이 임계치 이상일 때마다 그 횟수를 누적하여 과압횟수를 카운트하고 상기 과압횟수가 일정 횟수 이상이면 운전자에게 알리도록 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 시스템.
   
2. 삭제
3. 연료전지차량의 주행 중 연료전지 스택의 입구 측으로 공급되는 수소압력을 감지하는 과정;
   상기 연료전지 스택의 입구 측 수소압력을 임계치와 비교하는 과정;
   상기 수소압력이 임계치 이상이면 전자식 릴리프 밸브를 작동시켜 스택의 입구 측으로 공급되는 수소의 일부를 방출하는 과정;을 포함하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 방법에 있어서,
   상기 릴리프 밸브에 의해 수소를 방출하는 과정은 시동 및 주행이 가능하게 임계치 이하로 감압시키도록 수행되며,
   상기 연료전지 스택의 입구 측 수소압력이 임계치 이상일 때마다 그 횟수를 누적하여 과압횟수를 카운트하고, 상기 과압횟수가 일정 횟수 이상이면 운전자에게 알리는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 능동형 과압 방지 제어 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
4. 삭제

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