KR101704130B1 - 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 잔류에너지 방전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전 직후, 운전 정지후 또는 충돌 감지시 연료전지의 전류 전기에너지를 안전을 위하여 보다 신속하게 제거할 수 있도록 한 연료전지의 잔류에너지 방전 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지와 연결되어 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 온 되는 방전용 릴레이와; 연료전지로부터의 잔류 전기에너지를 방전시키기 위하여 방전용 릴레이와 연결되는 비선형 보호소자; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법을 제공한다.

Description

연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING RESIDUAL CURRENT OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전후 또는 충돌 감지시 연료전지의 전류 전기에너지를 안전을 위하여 보다 신속하게 방전시켜 제거할 수 있도록 한 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법에 관한 것이다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 스택은 시동 전후에도 연료전지 스택을 구성하는 분리판의 채널 내부에 잔류 반응기체가 존재하므로, 장시간 잔류전압이 형성된다.
이러한 잔류전압은 연료전지 운전 직후 연료전지 셀의 과전압을 형성함으로써, 캐소드 촉매층의 카본부식을 일으키므로 연료전지의 수명을 저하시킬 수 있고, 운전이 정지된 후에도 연료전지 스택에 잔류전압으로 인한 고전압이 남아 있으므로 충전부에 직접 접촉 시 감전 사고가 발생할 우려가 있다.
이에, 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 연료전지 차량에는 시동 전후에 연료전지 스택의 잔류 전기에너지를 소모하기 위한 방전장치가 적용되고 있다.
첨부한 도 1은 연료전지 스택의 기본적인 방전 프로세스를 나타낸다.
도 1에서 보듯이, 일반적인 스택의 방전 프로세스는 정상 운행 중 차량의 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌 시 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 방전장치의 릴레이를 동작하여 연료전지 스택에 잔류하고 있는 전기에너지를 방전저항을 통해 소모하는 과정으로 이루어진다.
첨부한 도 2는 종래의 연료전지 스택 방전장치를 나타낸 회로 구성도이다.
도 2에서 보듯이, 종래의 방전장치는 전기저항 소자를 이용한 방식으로서, 차량의 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌 시 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 온 되는 방전용 릴레이(10)와, 연료전지 셀로부터의 잔류 전기에너지(전류)를 방전시키기 위한 전기저항 소자(12)를 포함하고, 이 전기저항 소자(12)는 냉각을 위하여 연료전지 시스템의 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)의 냉각수 관로(14)에 배치된다.
따라서, 고전압 부하(16)와 연료전지(20) 간의 연료전지용 릴레이(18)가 오프되고, 고전압 배터리(22)와 고전압 부하(16) 간의 고전압 배터리용 릴레이(24)가 오프된 상태에서 연료전지의 전류 전기에너지가 온 상태의 방전용 릴레이(10)를 거쳐 전지기저항 소자(12)를 통해 방전된다.
그러나, 상기 전기저항 소자는 방전전류로 발생하는 줄(joule) 열에 의해 그 온도가 급격히 상승하므로, 냉각수 관로와 같은 별도의 냉각장치가 필요하며, 이로 인해 방전장치의 구성이 복잡하고 부피가 커지는 단점이 있다.
또한, 전기저항 소자에 의한 방전시간은 수 초 이상 소요되는 단점이 있으므로, 충돌 사고 직후에도 연료전지 스택은 일정 시간 동안 잔류전압이 존재한 상태로 유지될 수 있다.
이에, 연료전지 스택에 잔류전압이 인체에 안전한 수준으로 방전되기 이전엔 고전압 충전부가 활성화된 상태를 유지할 수 밖에 없으므로, 인체가 닿을 경우 감전 사고의 우려가 있다.
또한, 충돌에 의해 연료전지가 심각한 변형을 일으킬 경우, 스택의 잔류 전기 에너지로 인해 전기적 단락에 의한 아크 발생으로 전기화재 등의 2차 피해가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 과도한 과전압으로부터 부하장치 등을 보호하기 위해 사용하는 비선형 보호소자를 이용하여 연료전지 스택의 잔류 전기에너지를 보다 신속하게 제거할 수 있도록 한 연료전지 스택의 잔류 전기에너지 방전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지와 연결되어 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 차량 주행 중 충돌, 침수, 고전압 부품의 절연열화 및 절연파괴를 포함하는 임의의 상황에서 절연저항이 기준치 이하로 저하된 경우, 온 되는 방전용 릴레이와; 연료전지로부터의 잔류 전기에너지를 방전시키기 위하여 방전용 릴레이와 연결되는 비선형 보호소자; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 비선형 보호소자는 기체방전관(GDT), 금속산화물 바리스터(MOV), TVS 다이오드 중 선택된 하나, 혹은 2개 이상이 조합된 것임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 방전 장치는 비선형 보호소자에 대하여 펄스형태의 고전압 트리거 전원을 발생시켜 인가하는 고전압 트리거를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계와; 상기 방전 조건이 충족되면, 연료전지와 방전용 릴레이를 온시키는 동시에 연료전지와 비선형 보호소자를 폐회로로 구성하는 제어 단계와; 연료전지의 전류 전기에너지가 방전용 릴레이를 거쳐 비선형 보호소자를 통하여 방전되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 방전 방법은 상기 비선형 보호소자에 대하여 펄스형태의 고전압 트리거 전압을 발생시켜 인가하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 비선형 보호소자의 방전개시 전압은 연료전지 스택의 최대 부하시 전압 보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 연료전지 차량의 운전 정지 후 또는 충돌 사고을 감지하는 순간, 연료전지 스택의 잔류 전기에너지를 보다 신속하게 제거하여, 운전자 및 구조자의 감전사고 또는 절연파괴로 인한 전기화재 등과 같은 2차 피해 위험성을 대폭 감소시킬 수 있다.
둘째, 기체 방전관과 같은 작은 부피의 비선형 보호소자를 이용하여 큰 방전전류를 소화할 수 있으므로, 빠른 방전 효과는 물론 방전장치의 소형화를 실현할 수 있다.
셋째, 기존의 방전장치는 전기 저항소자의 발열로 인하여 별도의 냉각수단(열관리 시스템의 냉각수 관로 등)이 필요하였지만, 본 발명의 방전 장치는 비선형 보호소자를 이용함에 따라 별도의 냉각수단이 필요없어, 방전 장치의 구성을 단순화시킬 수 있다.
넷째, 방전장치의 소형화 및 단순화에 따라, 연료전지 시스템의 패키지 및 레이아웃을 효율적으로 구축할 수 있다.
도 1은 연료전지 스택의 기본적인 방전 프로세스를 나타낸 도면,
도 2는 종래의 연료전지 스택 방전장치를 나타낸 회로 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 급속 방전 프로세스를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 잔류에너지 방전 장치를 나타낸 회로 구성도,
도 5는 본 발명의 방전 장치에 사용되는 비선형 소자 종류를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 방전 장치에 사용되는 기체 방전관 구조를 나타낸 구조도,
도 7은 본 발명의 방전 장치에 사용되는 기체 방전관의 방전 특성을 나타낸 그래프,
도 8은 연료전지의 방전 등가회로를 도시한 회로도,
도 9는 연료전지의 방전 등가회로의 과도 특성을 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 연료전지 스택의 잔류 전기에너지를 방전시키기 위한 기본적인 회로 및 그 동작을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 8은 연료전지의 방전 등가회로를 나타낸다.
도 8에서 보듯이, 연료전지의 방전회로는 RC 직렬회로로 등가할 수 있고, 충전된 커패시터(C)가 저항(R)을 통해 방전되는 상태와 같으므로, t=0 에서 릴레이가 스위칭할 경우 커패시터 전압은 아래의 수학식 1을 통해 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112014113062822-pat00001
Figure 112014113062822-pat00002
위의 수학식 1 및 2에서, VFC: 연료전지의 작동전압, vc(t): 연료전지 등가 커패시터의 과도전압, R: 방전장치의 전기저항, t=0: 방전장치용 릴레이 동작시점, τ: 시정수를 각각 나타낸다.
이때, 첨부한 도 9에서 보듯이 연료전지의 잔류전압(VFC)은 지수적으로 감소하게 되는데, 그 감소비율은 시정수(τ=RC)에 좌우되고, 그러므로 방전소자 저항 R이 작을수록 더 빠른 방전 시간을 가지게 된다.
따라서, 본 발명은 방전소자 저항이 작은 특성을 갖는 비선형 보호소자를 이용하여, 연료전지 스택내의 잔류전압을 신속하게 방전시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
즉, 본 발명은 전력 또는 통신회로에서 선로에 유입된 과도 과전압으로부터 부하장치 등을 보호하기 위해 사용하는 대표적인 비선형 보호소자인 기체방전관(GDT, Gas Discharging Tube), 금속산화물 바리스터(MOV, Metal Oxide Varistor), TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드, 혹은 이들의 조합을 이용하여 연료전지용 방전장치를 구성하여, 연료전지 스택내의 잔류전압을 신속하게 방전시킬 수 있도록 한 연료전지 스택의 잔류에너지 방전 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.
상기 비선형 보호소자들은 대표적인 피뢰기(arrester) 소자로서, 동작개시 전압 이상의 과전압이 인가되면 전기저항이 순간적으로 급격히 감소하여 전기적 단락 상태가 되므로 전기 에너지를 신속히 방전시킬 수 있고, 방전이 완료되면 초기 상태로 회복하여 원래의 절연 특성을 유지하는 특징이 있다.
또한, 상기 비선형 보호소자들은 작은 부피로도 방전 전류 용량이 수~수십 kA 정도로 매우 크며, 방전을 위한 동작속도는 수 ns~수 ms로 매우 빠른 응답 특성을 가진다.
따라서, 본 발명은 연료전지 스택의 잔류 전기에너지를 신속하게 방전시킴은 물론, 종래 대비 큰 에너지 흡수량을 가지므로 별도의 액체 냉각이 필요 없고, 작은 부피로 인해 방전장치의 부피를 대폭 감소시킬 수 있도록 상기와 같은 특성을 갖는 비선형 보호소자를 이용하여 방전장치를 구축한 점에 특징이 있다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 급속 방전 프로세스를 나타내고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 잔류에너지 방전 장치를 나타낸 회로 구성도이다.
도 4에서 보듯이, 본 발명의 방전 장치는 차량의 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌 시 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 온 되는 방전용 릴레이(10)와, 연료전지 로부터의 잔류 전기에너지(전류)를 방전시키기 위하여 방전용 릴레이(10)와 연결되는 비선형 보호소자(30)를 포함하여 구성된다.
따라서, 고전압 부하(16)와 연료전지(20) 간의 연료전지용 릴레이(18)가 오프되고, 고전압 배터리(22)와 고전압 부하(16) 간의 고전압 배터리용 릴레이(24)가 오프된 상태에서 연료전지의 전류 전기에너지가 온 상태의 방전용 릴레이(10)를 거쳐 비선형 보호소자(30)를 통하여 방전된다.
이때, 비선형 보호소자의 종류를 나타낸 도 5를 참조하면, 상기 비선형 보호소자(30)는 기체방전관(GDT, Gas Discharging Tube), 금속산화물 바리스터(MOV, Metal Oxide Varistor), TVS(Transient Voltage Suppressor) 다이오드 중 선택된 하나, 혹은 2개 이상의 조합을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비선형 보호소자(30)로서 기체방전관을 사용하는 것이 좋으며, 그 이유는 기체방전관의 방전량이 다른 반도체형 보호소자에 비해 우수하며, 고체상태의 보호기구에 비하여 절연 성능의 회복이 가능하여 변형 또는 파손 없이 여러 차례 사용이 가능한 장점이 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 방전 장치는 보다 빠른 기체방전 특성을 얻기 위해 기체방전관 내부의 중간에 위치한 전극에 대하여 직류 전원으로부터 펄스형태의 고전압 트리거(Trigger) 전원을 발생시켜 인가하는 고전압 트리거(32)를 더 포함한다.
이에, 상기 기체 방전관은 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 세라믹 케이스의 양측에 전극부가 배치되고, 내부에는 밀봉 기체가 채워지며, 세라믹 케이스의 일측부에는 고전압 트리거(32)가 장착된 구조로 구비된다.
여기서, 본 발명의 이해를 돕고자, 기체 방전관의 특성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 기체 방전관은 동작개시 전압 이하의 전압이 인가되었을 때는 절연 저항이 무한대이므로 누설전류가 없는 상태로 유지되는데 이 영역을 비동작 영역이라 한다.
또한, 상기 기체 방전관의 전극 양단에 동작개시 전압의 전압이 인가되면 양전극 사이의 중성기체 분자가 전리를 일으키기에 충분한 에너지를 얻어 전자가 방출되고, 전자사태에 의해 전극간 도전 경로가 형성되어 전극 간 절연파괴가 일어나 방전관의 내부저항은 급격히 감소하여 매우 큰 전류가 흐르게 된다.
이때, 전극 간의 단자 전압은 수십~수백 V로 유지되는데, 이때의 전압을 글로우(Glow) 전압이라 하고, 이때의 동작 영역을 글로우(Glow) 영역이라 한다(도 7 그래프 참조).
상기 글로우 영역이 보다 진전되면 단자 전압은 수~수십 V, 방전 전류는 수~수십 kA인 아크(Arc) 영역으로 보호동작을 하는 영역이 되며, 방전 전류가 모두 방출되면 방전관의 단자 전압은 글로우 전압에 가깝게 증가되면서 동작을 멈추고 전리되었던 기체분자들이 재결합하게 되면서 초기의 절연 성능을 회복하게 된다.
이러한 기체 방전관의 방전량은 다른 반도체형 보호소자에 비해 우수하며, 고체상태의 보호기구와 비교하여 절연 성능의 회복이 가능하기에 변형 또는 파손 없이 여러 차례 사용이 가능한 장점이 있고, 또한 비선형 보호소자 중 수 pF의 가장 작은 커패시턴스를 가지므로 응답특성이 매우 빠르며, 밀봉 구조로 이루어져 있어 사용 환경(온도 및 습도)에 따른 동작특성 변화가 극히 적은 장점을 가진다.
따라서, 상기 비선형 보호소자(30)로서 기체방전관을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 연료전지 잔류에너지 방전 방법을 설명하면 다음과 같다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 방전장치는 고전압 트리거를 위한 3극 기체방전관으로 구성하되, 방전특성을 개선하기 위해 금속산화물 바리스터, TVS 다이오드 등의 비선형 소자를 추가로 조합하여 사용할 수 있다.
먼저, 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 조건을 만족하는지 여부를 판단한 후, 방전 조건이 충족되면 연료전지와 방전용 릴레이를 온시키는 동시에 연료전지와 비선형 보호소자를 폐회로로 구성하는 제어 단계가 진행된다.
이때, 연료전지의 잔류 전기에너지 방전을 위한 상황별 동작조건은 다음과 같다.
1) 차량 시동 직후, 연료전지 제어 유니트의 판단 하에 연료전지 셀의 과전압 형성을 방지하기 위한 급속 방전이 필요할 경우,
2) 차량 시동 정지 후,
3) 차량 충돌 시 에어백 전개신호가 발생할 경우,
4) 차량 주행 중 임의의 상황(충돌, 침수, 고전압 부품의 절연열화 또는 절연파괴 등)에서 차량의 절연저항이 기준치 이하로 저하되었을 경우
이러한 연료전지의 잔류 전기에너지 방전을 위한 상황별 동작조건이 충족되는 것을 연료전지 차량 제어기에서 감지하면, 고전압 부하(16)와 연료전지(20) 간의 연료전지용 릴레이(18)와, 고전압 배터리(22)와 고전압 부하(16) 간의 고전압 배터리용 릴레이(24)를 오프시키는 동시에 방전용 릴레이(10)를 온시킴으로써, 비선형 보호소자(30)와 연료전지(20)가 폐회로로 구성된다.
이에, 연료전지의 잔류 전기에너지가 방전용 릴레이(10)를 거쳐 비선형 보호소자(30)를 통하여 방전된다.
이때, 보다 빠른 기체방전 특성을 얻기 위하여, 고전압 트리거(32)가 작동함으로써, 비선형 보호소자(30)로 채택된 기체방전관 내부의 중간에 위치한 전극에 대하여 직류 전원으로부터 펄스형태의 고전압 트리거(Trigger) 전원이 인가되도록 함으로써, 연료전지의 잔류 전기에너지에 대한 급속 방전이 이루어질 수 있다.
한편, 연료전지 스택의 동작전압은 아이들(idle) 상태에서 최대 부하 상태로 갈수록 감소하는 점을 감안하여, 기체방전관, 금속산화물 바리스터, TVS 다이오드 또는 이들을 조합한 방전장치의 방전개시 전압은 최소한 연료전지 스택의 최대 부하시 전압(동작전압의 최저치) 보다 낮게 설정한다.
이와 같이, 수~수십 kA 정도의 큰 방전 전류 용량 및 수 ns~수 ms의 빠른 방전 동작속도를 갖는 비선형 보호소자를 이용하여 연료전지의 잔류 전기에너지를 급속히 제거할 수 있고, 특히 연료전지의 잔류 전기에너지를 빠르게 방전시켜 제거함에 따라, 충돌사고로 인해 연료전지 스택이 심각한 변형을 일으켜서 고전압 충전부와 전기적 샤시 간의 직접 접촉에 의한 단락 및 아크 발생 위험성을 감소시킬 수 있다.
10 : 방전용 릴레이
12 : 전기저항 소자
14 : 냉각수 관로
16 : 고전압 부하
18 : 연료전지용 릴레이
20 : 연료전지
22 : 고전압 배터리
24 : 고전압 배터리용 릴레이
30 : 비선형 보호소자
32 : 고전압 트리거

Claims (9)

  1. 연료전지의 잔류 전기에너지 방전이 필요한 조건일 때 온 되는 방전용 릴레이;
    연료전지로부터의 잔류 전기에너지를 방전시키기 위하여 방전용 릴레이와 연결되는 기체방전관(GDT);
    상기 기체방전관(GDT)에 대하여 펄스형태의 고전압 트리거 전원을 발생시켜 인가하는 고전압 트리거;
    를 포함하며,
    상기 기체 방전관은 케이스의 양측에 전극부가 배치되고, 내부에는 밀봉 기체가 채워지며, 케이스의 일측부에 고전압 트리거가 장착된 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전용 릴레이는 연료전지와 연결되어 시동이 온/오프될 때, 또는 충돌감지센서의 감지가 이루어질 때, 또는 차량 주행 중 충돌, 침수, 고전압 부품의 절연열화 및 절연파괴를 포함하는 임의의 상황에서 절연저항이 기준치 이하로 저하된 경우에 온되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 장치.
  5. 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 방전 조건이 충족되면, 연료전지와 방전용 릴레이를 온시키는 동시에 연료전지와 기체방전관(GDT)을 폐회로로 구성하는 제어 단계;
    연료전지의 잔류 전기에너지가 방전용 릴레이를 거쳐 기체방전관(GDT)을 통하여 방전되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 기체 방전관은 케이스의 양측에 전극부가 배치되고, 내부에는 밀봉 기체가 채워지며, 케이스의 일측부에 펄스형태의 고전압 트리거 전원을 발생시켜 인가하는 고전압 트리거가 장착된 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 방전 조건은:
    1) 차량 시동 직후, 연료전지 제어 유니트의 판단 하에 연료전지 셀의 과전압 형성을 방지하기 위한 급속 방전이 필요할 경우,
    2) 차량 시동 정지 후,
    3) 차량 충돌 시 에어백 전개신호가 발생할 경우,
    4) 차량 주행 중 충돌, 침수, 고전압 부품의 절연열화 또는 절연파괴로 인한 차량의 절연저항이 기준치 이하로 저하되었을 경우,
    인 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 기체방전관의 방전개시 전압은 연료전지 스택의 최대 부하시 전압 보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 잔류 전기에너지 방전 방법.
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