KR101855272B1 - 연료 전지 시스템 진단 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 시스템 진단 방법 및 장치가 개시된다. 연료 전지 시스템에 대한 진단 방법은 연료 전지 시스템의 전류 센서가 진단 대상부에 포함되는 복수의 구성부 각각의 동작에 따라 복수의 구성부 각각에 흐르는 전류를 순차적으로 센싱하여 복수의 센싱 정보 각각을 생성하는 단계, 전류 센서가 복수의 센싱 정보를 연료 전지 시스템의 제어기로 전송하는 단계, 제어기가 복수의 구성부 각각에 대한 복수의 정상 전류 범위 정보 각각과 복수의 센싱 정보 각각을 비교하여 복수의 구성부 각각의 동작 오류 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 진단 방법 및 장치{Method and apparatus for identifying system of fuel cell}
본 발명은 시스템 진단 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로서 연료전지 스택(Stack), 연료변환장치, 주변보조기기(Balance of Plant) 및 제어기술을 포함하는 통합기술이다. 즉, 수소와 산소가 발생하는 물 전기분해원리와 반대로 연료가스인 수소와 공기 중의 산소를 각각 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.
연료전지에서는 전기와 열이 동시에 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질층/공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있다.
일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.
이러한 작동원리를 토대로 연료전지 시스템은 연료개질장치, 연료전지 본체, 전력변환 장치, 열 회수시스템으로 구성되었다. 연료개질장치는 수소를 함유한 탄화수소계 연료를 수소가 농후한 가스로 변환하여 연료전지에 적합하도록 만들고 연료전지 본체는 수소와 산소 반응을 통해 직류전기, 물 및 열을 발생시킨다. 전력변환장치는 직류를 교류로 변화하며 열회수시스템은 본체에서 나오는 폐열을 회수하여 연료개질장치를 예열하거나 열병합발전 시스템에 열을 공급한다.
현재는 연료 전지 시스템을 구성하고 있는 복수개의 구성부(예를 들어, BOP(balance of plant) 및 각종 부품)들 각각에 대한 이상 유무의 확인이 어려워 연료 전지 시스템의 내구성 저하 및 유지 보수 비용의 증가가 예상된다.
KR 10-2009-0133277
본 발명의 일 측면은 연료 전지 시스템 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 연료 전지 시스템 진단 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지 시스템에 대한 진단 방법은 상기 연료 전지 시스템의 전류 센서가 진단 대상부에 포함되는 복수의 구성부 각각의 동작에 따라 상기 복수의 구성부 각각에 흐르는 전류를 순차적으로 센싱하여 복수의 센싱 정보 각각을 생성하는 단계, 상기 전류 센서가 상기 복수의 센싱 정보를 상기 연료 전지 시스템의 제어기로 전송하는 단계, 상기 제어기가 상기 복수의 구성부 각각에 대한 복수의 정상 전류 범위 정보 각각과 상기 복수의 센싱 정보 각각을 비교하여 상기 복수의 구성부 각각의 동작 오류 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 복수의 구성부는 적어도 하나의 전장 및 제어 보드, 적어도 하나의 펌프류, 적어도 하나의 블로워류 및 적어도 하나의 동력 밸브류를 포함할 수 있다.
한편, 상기 복수의 구성부 각각에 흐르는 전류를 순차적으로 센싱하여 상기 복수의 센싱 정보 각각을 생성하는 단계는 상기 전류 센서 및 상기 복수의 구성부 사이에 위치한 상기 연료 전지 시스템의 릴레이 보드가 상기 복수의 구성부 각각으로 개별적으로 전류를 공급하기 위한 스위칭 동작을 수행하는 단계, 상기 전류 센서가 상기 스위칭 동작을 기반으로 상기 복수의 구성부 각각으로 흐르는 전류를 센싱하여 상기 복수의 센싱 정보 각각을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템에 대한 진단 방법은 상기 연료 전지 시스템의 압력계가 연료 및 개질 가스의 유출 여부를 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 압력계는 개질기 이전 단에 위치하여 상기 개질기에서 상기 연료의 유출 여부에 대한 판단을 위한 1차 압력 측정 및 연료 전지 스택에서 상기 개질 가스의 유출 여부에 대한 판단을 위한 2차 압력 측정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 1차 압력 측정은 상기 개질기로의 상기 연료의 유입을 위해 상기 개질기 이전 단에 위치한 밸브A를 개방하고, 상기 개질기의 이후 단에 위치한 밸브B를 폐쇄한 후 블로워A를 동작시키는 단계, 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기에서 상기 연료로 인한 압력이 제1 압력 설정값 이상인 경우, 상기 밸브A를 폐쇄하는 단계와 상기 제어기가 일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 제1 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하여 상기 개질기의 연료 유출 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2차 압력 측정은 상기 연료 전지 스택의 상기 개질기로부터 전달된 상기 개질 가스의 보관을 위해 상기 연료 전지 스택 이전 단에 위치한 상기 밸브B를 개방하고, 상기 연료 전지 스택 이후 단에 위치한 밸브C를 폐쇄하는 단계, 상기 압력계에 의해 측정된 상기 연료 전지 스택에 상기 개질 가스로 인한 압력이 제2 압력 설정값 이상인 경우, 상기 밸브B를 폐쇄하는 단계와 상기 제어기가 일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 연료 전지 스택의 압력 감소율이 제2 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하여 상기 연료 전지 스택의 개질 가스 유출 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 동작 오류에 대한 판단을 수행하는 연료 전지 시스템은 진단 대상부에 포함되는 복수의 구성부 각각의 동작에 따라 상기 복수의 구성부 각각에 흐르는 전류를 순차적으로 센싱하여 복수의 센싱 정보 각각을 생성하고, 상기 복수의 센싱 정보를 상기 연료 전지 시스템의 제어기로 전송하도록 구현되는 전류 센서와 상기 복수의 구성부 각각에 대한 복수의 정상 전류 범위 정보 각각과 상기 복수의 센싱 정보 각각을 비교하여 상기 복수의 구성부 각각의 동작 오류 여부를 판단하도록 구현되는 제어기를 포함할 수 있되, 상기 복수의 구성부는 적어도 하나의 전장 및 제어 보드, 적어도 하나의 펌프류, 적어도 하나의 블로워류 및 적어도 하나의 동력 밸브류를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어기는 상기 전류 센서 및 상기 복수의 구성부 사이에 위치한 상기 연료 전지 시스템의 릴레이 보드가 상기 복수의 구성부 각각으로 개별적으로 전류를 공급하기 위한 스위칭 동작을 수행하고, 상기 전류 센서가 상기 스위칭 동작을 기반으로 상기 복수의 구성부 각각으로 흐르는 전류를 센싱하여 상기 복수의 센싱 정보 각각을 생성하도록 구현될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 시스템은 연료 및 개질 가스의 유출 여부를 판단하도록 구현되는 압력계를 더 포함할 수 있되, 상기 압력계는 개질기 이전 단에 위치하여 상기 개질기에서 상기 연료의 유출 여부에 대한 판단을 위한 1차 압력 측정 및 연료 전지 스택에서 상기 개질 가스의 유출 여부에 대한 판단을 위한 2차 압력 측정을 수행하도록 구현될 수 있다.
또한, 상기 1차 압력 측정은상기 개질기로의 상기 연료의 유입을 위해 상기 개질기 이전 단에 위치한 밸브A를 개방하고, 상기 개질기의 이후 단에 위치한 밸브B를 폐쇄한 후 블로워A를 동작시키고, 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기에서 상기 연료로 인한 압력이 제1 압력 설정값 이상인 경우, 상기 밸브A를 폐쇄하고, 상기 제어기가 일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 제1 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하여 상기 개질기의 연료 유출 여부를 판단하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 2차 압력 측정은 상기 연료 전지 스택의 상기 개질기로부터 전달된 상기 개질 가스의 보관을 위해 상기 연료 전지 스택 이전 단에 위치한 상기 밸브B를 개방하고, 상기 연료 전지 스택 이후 단에 위치한 밸브C를 폐쇄하고, 상기 압력계에 의해 측정된 상기 연료 전지 스택에 상기 개질 가스로 인한 압력이 제2 압력 설정값 이상인 경우, 상기 밸브B를 폐쇄하고, 상기 제어기가 일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 연료 전지 스택의 압력 감소율이 제2 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하여 상기 연료 전지 스택의 개질 가스 유출 여부를 판단하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 진단 방법 및 장치를 사용함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 연료 전지 시스템을 구성하는 각 구성부에 발생할 수 있는 오류를 진단하고 미리 각 구성부에 대한 수리 교체를 진행함으로써 더 큰 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성부에 대한 진단이 가능한 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 동작 오류를 판단하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전장 및 제어 보드에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 밸브류에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 펌프 및 블로워에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 기반으로 연료/가스 누출에 대한 진단을 수행하는 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 유출 여부를 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치의 동작 오류를 판단하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구성부에 대한 특정 조합을 설정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템의 운전 및 제어에 있어 연료 전지 시스템에 대한 자체 진단 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 한 개의 전류 센서를 통해 시스템의 내부의 이상 진단이 수행되고, 운전시 발생할 수 있는 고장 요소가 사전에 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템 진단 및 운전 방법에서는 연료 전지 시스템을 구성하는 복수개의 구성부(예를 들어, BOP 및 전장류)의 가동 유무 및 연료 전지 시스템의 내부 연료 누설(leak) 등이 사전에 확인될 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템의 운전시 각 부품/구성부의 구동 불안전 및 미가동으로 인한 연료 전지 시스템의 손상 및 내구성 저하 요소가 사전에 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성부에 대한 진단이 가능한 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템은 전원 공급 장치(100), 전류 센서(110), 릴레이보드(120), 제어기(130) 및 진단 대상부(BOP 및 전장부 등)(140)을 포함할 수 있다.
전원 공급 장치(100)는 연료 전지 시스템을 구성하는 각종 구성부에 전원을 제공하기 위해 구현될 수 있다. 전원 공급 장치(100)는 연료 전지 시스템에 포함되는 진단 대상부(140)에 순차적/선택적으로 전류를 공급하여 진단 대상부(140)에 포함되는 구성부에 발생하는 이상에 대해 체크할 수 있다.
전류 센서(110)는 연료 전지 시스템을 구성하는 각종 구성부로 공급되는 전류를 센싱하기 위해 구현될 수 있다. 전류 센서(110)는 연료 전지 시스템에 포함되는 진단 대상부(140)에 순차적/선택적으로 전류를 공급하여 진단 대상부(140)에 포함되는 구성부로 공급되는 전류를 센싱하기 위해 구현될 수 있다. 전류 센서(110)에 의해 센싱된 전류 값에 대한 정보는 진단 대상부(140)에 포함되는 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등과 같은 구성부 각각에 발생한 이상(또는 동작 오류)에 대한 체크를 위해 제어기(130)로 전달될 수 있다.
릴레이보드(120)는 진단 대상부(140)에 포함되는 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등 각각으로 전류를 공급하기 위해 구현될 수 있다. 릴레이보드(120)의 릴레이 동작을 기반으로 진단 대상부(140)에 포함되는 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등 각각으로 전류가 선택적으로 공급될 수 있다.
제어기(130)는 전류 센서(110)에 의해 센싱된 진단 대상부(140)에 포함되는 전장 및 제어보드, 펌프류, 블로워류, 동력 밸브류 등 각각으로 공급되는 전류 값에 대한 정보를 수신할 수 있다. 제어기(130)는 전류 센서(110)에 의해 센싱된 진단 대상부(140)에 포함되는 각 구성부로 공급된 전류 값을 기반으로 각 구성부에 발생한 오류 여부에 대한 판단을 수행할 수 있다.
또한, 제어기(130)는 연료 전지 시스템에 포함되는 전원 공급 장치(100), 전류 센서(110), 릴레이보드(120), 제어기(130) 및 진단 대상부(140)에 포함되는 구성부(BOP 및 전장부 등)의 동작을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
또한, 제어기(130)는 전원 공급 장치(100) 및 전류 센서(110) 사이에 위치한 메인 DC(direct current) 스위치를 통해 전원 공급 장치(100)에 의한 연료 전지 시스템을 구성하고 있는 다른 구성부(전류 센서(110), 릴레이보드(120), 제어기(130) 및 진단 대상부(140))로의 전원의 공급을 제어할 수 있다.
진단 대상부(140)는 적어도 하나의 전장 및 제어보드, 적어도 하나의 펌프류, 적어도 하나의 블로워류, 적어도 하나의 동력 밸브류 등을 포함할 수 있다. 전원 공급 장치(100) 및 릴레이보드(120)를 통해 진단 대상부(140)에 포함되는 각 구성부로 전류가 공급될 수 있다. 전술한 바와 같이 진단 대상부(140)에 포함되는 각 구성부로 공급되는 전류는 제어기(130)에 의해 센싱될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 구체적인 오류 진단 절차가 개시된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)의 동작 오류를 판단하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 2에서는 가능한 연료 전지 시스템에서 전원 공급 장치(100)의 동작 오류를 판단하는 방법이 개시된다.
도 2를 참조하면, 연료 전지 시스템의 자가 진단 시스템이 구동되는 경우, 메인 DC 스위치가 on 상태로 전환될 수 있다(단계 S200).
메인 DC 스위치가 on 상태로 전환된 이후, 입력 전류가 설정 값(또는 설정 범위)과 동일한지 여부에 대한 판단이 수행될 수 있다(단계 S210).
설정 값(또는 설정 범위)은 전원 공급 장치(100)(또는 메인 전원)가 정상 동작할 경우, 측정될 수 있는 정상 전류 값(또는 정상 전류 범위)일 수 있다.
메인 DC 스위치가 on 상태로 전환된 이후, 전류 센서(110)는 전원 공급 장치(100)로부터 전달되는 전류를 센싱할 수 있다.
전류 센서(110)에 의해 센싱된 전류 값은 제어기(130)로 전달될 수 있고, 제어기(130)는 전원 공급 장치(100)의 오류 여부에 대해 판단할 수 있다.
전류 센서(110)에 의해 센싱된 입력 전류가 설정 값과 동일한 경우(또는 설정 범위에 포함되는 경우), 제어기(130)는 전원 공급 장치(100)가 정상 동작을 수행하는 것으로 판단하고 연료 전지 시스템을 구성하는 다른 구성부의 오류 여부에 대한 판단 절차를 수행할 수 있다.
전류 센서(110)에 의해 센싱된 입력 전류가 설정 값과 다르거나(또는 설정 범위를 벋어나는 경우), 제어기(130)는 전원 공급 장치(100)에 동작 오류가 발생한 것으로 판단할 수 있다(단계 S220).
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전장 및 제어 보드에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3에서는 진단 대상부(140)에 포함되는 복수개의 전장 및 제어 보드에 대한 동작 오류 판단 방법이 개시된다.
도 3을 참조하면, 복수개의 전장 및 제어 보드의 개수가 N개인 경우, N개의 전장 및 제어 보드 각각에 대하여 0에서 N-1의 인덱스가 할당될 수 있다.
연료 전지 시스템은 N개의 전장 및 제어 보드 각각에 대한 오류 진단을 순차적으로 진행할 수 있다.
릴레이보드(120)를 통해 복수의 전장 및 제어 보드 중 인덱스 N에 대응되는 전장 및 제어 보드로 전류가 공급될 수 있다(단계 S300).
이후, 복수의 전장 및 제어보드 중 인덱스 N에 대응되는 전장 및 제어 보드에 대한 입력 전류가 측정될 수 있다(단계 S310).
전류 센서(110)에 의해 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 대한 입력 전류가 측정된 이후, 제어기(130)에 의해 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 정상 전류가 흐르는지 여부가 판단될 수 있다(단계 S320).
인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 정상 전류가 흐르는지 여부에 대한 판단을 위해 제어기(130)는 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 흐르는 전류가 정상 동작 범위인지 여부를 판단할 수 있다. 인덱스 N의 전장 및 제어 보드가 정상 동작을 수행할 경우, 제어기(130)는 흐르는 전류 값의 범위(또는 정상 전류 범위)에 대한 정보를 기반으로 인덱스 N의 전장 및 제어 보드가 정상 동작을 수행하는지 여부를 결정할 수 있다.
만약, 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어난 경우, 제어기(130)는 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 동작 오류가 발생하였다고 결정할 수 있다(단계 S330).
반대로, 인덱스 N의 전장 및 제어 보드에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어나지 않은 경우, 제어기(130)는 인덱스 N의 전장 및 제어 보드를 정상이라고 결정하고, 다음으로 인덱스 N+1의 전장 및 제어 보드에 동작 오류가 발생하였는지 여부에 대한 판단 절차가 수행될 수 있다.
모든 전장 및 제어 보드에 대한 오류 판단 절차가 종료되었는지 여부를 판단할 수 있다(단계 S340).
위와 같은 순차적인 오류 판단 절차에 의해 N개의 전장 및 제어 보드에 대한 오류 판단이 완료된 경우, 전장 및 제어 보드에 대한 오류 판단 절차를 종료하고 진단 대상부(140)의 다른 구성부에 대한 오류 판단 절차가 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 밸브류에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4에서는 진단 대상부(140)에 포함되는 복수개의 밸브류(또는 동력 밸브류)에 대한 동작 오류 판단 방법이 개시된다.
도 4를 참조하면, 복수개의 밸브류의 개수가 N개인 경우, N개의 밸브류 각각에 대하여 0에서 N-1의 인덱스가 할당될 수 있다.
연료 전지 시스템은 N개의 밸브류 각각에 대한 오류 진단을 진행할 수 있다.
릴레이보드(120)를 통해 복수의 밸브류 중 인덱스 N에 대응되는 밸브류로 전류가 공급될 수 있다(단계 S400).
이후, 복수의 밸브류 중 인덱스 N에 대응되는 밸브류에 대한 입력 전류가 측정될 수 있다(단계 S410).
전류 센서(110)에 의해 인덱스 N의 밸브류에 대한 입력 전류가 측정된 이후, 제어기(130)에 의해 인덱스 N의 밸브류에 정상 전류가 흐르는지 여부가 판단될 수 있다(단계 S420).
인덱스 N의 밸브류에 정상 전류가 흐르는지 여부에 대한 판단을 위해 제어기(130)는 인덱스 N의 밸브류에 흐르는 전류가 정상 전류 범위인지 여부를 판단할 수 있다. 제어기(130)는 인덱스 N의 밸브류가 정상 동작을 수행할 경우 흐르는 전류 값의 범위(또는 정상 전류 범위)에 대한 정보를 기반으로 인덱스 N의 밸브류가 정상 동작을 수행하는지 여부를 결정할 수 있다.
만약, 인덱스 N의 밸브류에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어난 경우, 제어기(130)는 인덱스 N의 밸브류에 오류가 발생하였다고 결정할 수 있다(단계 S430).
반대로, 인덱스 N의 밸브류에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어난 경우, 제어기(130)는 인덱스 N의 밸브류가 정상이라고 결정하고, 다음 인덱스 N+1의 밸브류에 동작 오류가 발생하였는지 여부에 대한 판단 절차를 수행할 수 있다.
모든 밸브류에 대한 오류 판단 절차가 종료되었는지 여부가 판단될 수 있다(단계 S440).
위와 같은 순차적인 동작 오류 판단 절차에 의해 N개의 밸브류에 대한 오류 판단이 완료된 경우, 밸브류의 동작 오류에 대한 판단 절차가 종료되고 진단 대상부(140)의 다른 구성부에 대한 오류 판단 절차가 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 펌프 및 블로워에 대한 동작 오류 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5에서는 진단 대상부(140)에 포함되는 복수개의 펌프 및 블로워에 대한 동작 오류 판단 방법이 개시된다.
도 5를 참조하면, 복수개의 펌프 및 블로워의 개수가 N개인 경우, N개의 펌프 및 블로워 각각에 대하여 0에서 N-1의 인덱스가 할당될 수 있다.
연료 전지 시스템은 N개의 펌프 및 블로워 각각에 대한 동작 오류 판단을 수행할 수 있다.
릴레이보드(120)를 통해 복수의 펌프 및 블로워 중 인덱스 N에 대응되는 펌프 및 블로워로 전류가 공급될 수 있다(단계 S500).
이후, 복수의 펌프 및 블로워 중 인덱스 N에 대응되는 펌프 및 블로워에 대한 입력 전류가 측정될 수 있다(단계 S510).
인덱스 N의 펌프 및 블로워에 대한 입력 전류가 측정된 이후, 인덱스 N의 펌프 및 블로워에 정상 전류가 흐르는지 여부가 판단될 수 있다(단계 S520).
인덱스 N의 펌프 및 블로워에 정상 전류가 흐르는지 여부에 대한 판단을 위해 제어기(130)는 인덱스 N의 펌프 및 블로워에 흐르는 전류가 정상 동작 범위인지 여부에 대해 판단할 수 있다. 제어기(130)는 인덱스 N의 펌프 및 블로워가 정상 동작을 수행할 경우 흐르는 전류 값의 범위(또는 정상 전류 범위)에 대한 정보를 기반으로 인덱스 N의 펌프 및 블로워가 정상 동작을 수행하는지 여부를 결정할 수 있다.
만약, 인덱스 N의 펌프 및 블로워에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어난 경우, 펌프 및 블로워는 인덱스 N의 펌프 및 블로워에 오류가 발생하였다고 결정할 수 있다(단계 S530).
반대로, 인덱스 N의 펌프 및 블로워에 흐르는 전류가 정상 전류 범위를 벋어난 경우, 제어기(130)는 인덱스 N의 펌프 및 블로워가 정상이라고 결정하고, 다음 인덱스 N+1의 펌프 및 블로워에 동작 오류가 발생하였는지 여부에 대한 판단 절차를 수행할 수 있다.
모든 펌프 및 블로워에 대한 동작 오류 판단 절차가 종료되었는지 여부가 판단될 수 있다(단계 S540).
위와 같은 순차적인 동작 오류 판단 절차에 의해 N개의 펌프 및 블로워에 대한 동작 오류 판단이 완료된 경우, 펌프 및 블로워에 대한 오류 판단 절차가 종료되고 진단 대상부(140)의 다른 구성부에 대한 오류 판단 절차가 수행될 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제어기(130)는 전류 센서(110)와 릴레이보드(120)를 통해 진단 대상부(140)에 포함되는 각 구성부에 전력을 공급 및 제어하여 각 구성부에 공급되는 전류 값을 기반으로 각 구성부의 상태를 판단할 수 있다. 또한, 제어기(130)는 진단 대상부(140)에 포함되는 각 구성부에서 전류 값의 변화 및 예상되는 전류 값(또는 정상 전류 범위)에 대비한 차이 값에 대한 정보를 기반으로 고장이 예상되는 구성부를 결정하고 사전에 조치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 기반으로 연료/가스 누출에 대한 진단을 수행하는 연료 전지 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 6에서는 연료/가스에 대한 누출을 탐지하기 위한 연료 전지 시스템이 개시된다.
도 6을 참조하면, 연료 전지 시스템은 밸브A(600), 블로워A(610), 압력계(620), 개질기(630), 밸브B(640), 연료 전지 스택(650), 밸브C(670), 블로워B(660)를 포함할 수 있다.
밸브A(600)는 연료(LNG(liquid natural gas), LPG(liquefied petroleum gas), 휘발류, 디젤 등)의 블로워A(610)로의 유입을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
블로워A(610)는 밸브A(600)로부터 개질기(630)로의 연료의 유입을 위해 구현될 수 있다.
압력계(620)는 밸브A(600)로부터 개질기(630)로 입력되는 연료의 유입 압력을 측정하기 위해 구현될 수 있다.
개질기(630)는 입력되는 연료를 다른 성질의 성분으로 변환시키기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 개질기(630)는 입력되는 수소를 함유한 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)를 일반 전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하기 위해 구현될 수 있다. 개질기(630)는 탄화수소와 수증기의 반응을 기반으로 수소가 풍부한 합성 가스(또는 개질 가스)를 생산하기 위한 수소 생산 핵심 공정을 수행할 수 있다.
밸브B(640)는 개질 가스의 개질기(630)로부터 연료 전지 스택(650)으로의 유입을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
연료 전지 스택(650)은 전기 화학 반응이 일어나는 단위 전지(single cell)를 수십 또는 수백개 적층한 구조로 구현될 수 있다. 연료극, 공기극, 고분자 전해질 막, 전해질막/전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA), 바이폴라판으로 단위 전지가 구성될 수 있다. 단위 전지가 적층된 스택은 구성요소 간의 접촉 저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝의 조임판을 조임쇠나 공기압으로 압착할 수 있다. 양쪽 끝의 조임판에는 반응 기체의 출구 및 입구, 냉각구 순환구, 전기출력용 소켓이 설치될 수 있다.
밸브B(640)를 통해 전달된 개질 가스는 연료 전지 스택(650)으로 전달되어 전기 화학 반응을 유도할 수 있다.
블로워B(660)는 연료 전지 스택(650)에 위치한 개질 가스를 밸브C(670)를 통해 개질기에 위치한 별도의 유출구로 유출시키기 위해 구현될 수 있다.
밸브C(670)는 개질 가스를 연료 전지 스택(650)으로부터 유출구로 유출시키기 위해 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 연료 전지 시스템에서 연료 유출 여부를 판단하는 방법이 개시된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 유출 여부를 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 연료 전지 시스템은 밸브A를 개방(open)하고, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄(close)하고 블로워A를 가동할 수 있다(단계 S700).
연료 전지 시스템이 밸브A를 개방하고, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄하고 블로워A를 가동시키는 경우, 연료가 개질기로만 유입될 수 있고, 개질기 이후에 위치한 다른 구성부로는 유입되지 않을 수 있다.
연료 전지 시스템은 압력계에 의해 센싱된 압력이 설정된 압력보다 크거나 같은지 여부를 판단할 수 있다(단계 S710).
연료 전지 시스템은 압력계에 의해 센싱된 압력이 설정된 압력보다 작은 경우, 압력계에 의해 센싱된 압력이 설정된 압력보다 크거나 같을 때까지 지속적으로 블로워A를 동작시킬 수 있다.
연료 전지 시스템은 압력계에 의해 센싱된 압력이 설정된 압력보다 크거나 같은 경우, 밸브A, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄하고 블로워A를 정지시킬 수 있다(단계S720).
밸브A, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄하고 블로워A를 정지시키는 경우, 입력된 연료가 개질기에만 머무를 수 있다.
일정 시간의 지연 후(단계 S725), 압력계의 압력의 감소율이 1차 압력 감소율 이하인지 여부에 대해 판단할 수 있다(단계 S730).
일정 시간의 지연 후, 압력계의 압력의 감소율이 1차 압력 감소율보다 큰 경우, 개질기에서 연료의 유출이 발생하는 것으로 판단할 수 있다(단계 S740).
개질기에서 연료의 유출이 발생하는 경우, 밸브B 및 밸브C를 열고(단계S750), 압력계의 압력이 0인지 여부에 대해 판단할 수 있다(단계 S755).
압력계의 압력이 0인 경우, 밸브A, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄할 수 있다(단계S760).
일정 시간의 지연 후, 압력계의 압력의 감소율이 1차 압력 감소율 이하인 경우, 개질기에서 연료의 유출이 발생하지 않는 것으로 판단할 수 있다(단계 S740).
개질기에서 연료의 유출이 발생하지 않는 경우, 밸브B를 열고, 밸브A 및 밸브C를 폐쇄하고, 블로워A의 동작을 정지시킬 수 있다(단계 S770).
밸브B를 열고, 밸브A 및 밸브C를 폐쇄하는 경우, 연료 전지 스택에 개질 가스가 머무를 수 있다.
일정한 시간 지연 이후(단계 S775), 압력계의 압력 감소율이 2차 압력 감소율 이하로 감소하였는지 여부를 판단할 수 있다(단계S780).
압력계의 압력 감소율이 2차 압력 감소율을 초과하여 감소한 경우, 연료 전지 스택에 연료의 유출이 발생하는 것으로 판단될 수 있다(단계 S790).
압력계의 압력 감소율이 2차 압력 감소율 이하인 경우, 연료 전지 스택에서 연료의 유출이 발생하지 않는 것으로 판단될 수 있다.
이후, 밸브B 및 밸브C를 열고, 압력계의 압력이 0인지 여부에 대해 판단할 수 있다(단계 S750).
압력계의 압력이 0인 경우, 밸브A, 밸브B 및 밸브C를 폐쇄할 수 있다(단계S760).
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)의 동작 오류를 판단하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 8에서는 연료 전지 시스템의 빠른 동작 오류의 판단을 위한 방법이 개시된다.
도 8을 참조하면, 연료 전지 시스템은 동작 오류 판단을 위한 속도를 결정할 수 있다.
연료 전지 시스템이 일반 속도의 동작 오류 판단을 수행하는 경우, 도 2 내지 도 5에서 개시된 동작 오류 판단 방법이 수행될 수 있다.
연료 전지 시스템이 빠른 속도의 동작 오류 판단을 수행하는 경우, 연료 전지 시스템은 동작 오류 판단을 위한 조합을 결정하고(단계S800), 진단 대상부(140)에 포함되는 복수의 구성부(적어도 하나의 전장 및 제어보드, 적어도 하나의 펌프류, 적어도 하나의 블로워류, 적어도 하나의 동력 밸브류 등)의 조합에 대한 동작 오류 판단이 수행될 수 있다(단계 S810).
예를 들어, 전원 공급 장치(100)는 인덱스1의 전장 및 제어 보드, 인덱스1의 펌프류로 전원을 공급하고, 전류 센서(110)에 의해 센싱된 값을 기반으로 인덱스1의 전장 및 제어 보드, 인덱스1의 펌프류에 발생한 동작 오류를 판단할 수 있다.
전류 센서(110)는 인덱스1의 전장 및 제어 보드, 인덱스1의 펌프류가 정상일 경우, 동시 동작시 흐르는 전류의 범위(정상 동작 범위)와 센싱된 인덱스1의 전장 및 제어 보드, 인덱스1의 펌프류가 실제 동시 동작시 흐르는 동작 전류의 크기를 비교하여 인덱스1의 전장 및 제어 보드, 인덱스1의 펌프류에 발생한 동작 오류를 판단할 수 있다.
만약, 인덱스1의 전장 및 제어보드, 인덱스1의 펌프류에 동작 오류가 발생한 것으로 판단되는 경우, 다시 인덱스1의 전장 및 제어보드, 인덱스1의 펌프류 각각에 대한 동작 오류 판단을 통해 어떠한 구성부에 동작 오류가 발생하였는지 여부를 다시 체크할 수 있다.
위와 같이 복수의 구성부(적어도 하나의 전장 및 제어 보드, 적어도 하나의 펌프류, 적어도 하나의 블로워류, 적어도 하나의 동력 밸브류 등)의 조합의 단위로 동작 오류에 대한 판단이 수행될 수 있고, 특정 조합에 동작 오류가 발생한 것으로 판단되는 경우, 특정 조합을 구성하는 복수의 구성부 각각에 대한 동작 오류 판단이 개별적으로 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구성부에 대한 특정 조합을 설정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 9에서는 동작 오류에 대한 판단을 수행하기 위한 조합을 설정하는 방법이 개시된다.
도 9를 참조하면, 각각의 구성부에 대한 동작 연한(900), 교체 시기(910) 또는 작동 빈도(920) 등을 고려하여 동작 오류에 대한 판단을 수행하기 위한 조합이 결정될 수 있다.
예를 들어, 전장 및 제어보드의 동작 연한이 5년, 펌프류의 동작 연한이 3년, 블로워류의 동작 연한이 3년, 동력 밸브류의 동작 연한이 2년이라고 가정할 수 있다. 이때, 인덱스1의 전장 및 제어보드가 3년전에 교체되고, 인덱스 1의 펌프류는 1년 전에 교체, 인덱스 2의 펌프류는 2년전에 교체, 인덱스1의 동력 밸브류는 1달 전에 교체하고, 인덱스2의 동력 밸브류는 1년 전에 교체된 경우가 가정된다.
위와 같은 경우, 구성부의 동작 연한 및 교체 시기를 기반으로 잔여 연한이 결정되고, 잔여 연한에 따라 조합이 설정될 수 있다.
예를 들어, 인덱스1의 전장 및 제어 보드의 잔여 연한은 2년(동작 연한 5년과 교체 시기(3년전)의 차), 인덱스 1의 펌프류의 잔여 연한은 2년, 인덱스 2의 펌프류의 잔여 연한은 1년, 인덱스1의 동력 밸브류의 잔여 연한은 2년, 인덱스2의 동력 밸브류의 잔여 연한은 1년일 수 있다.
위와 같은 경우, 잔여 연한 2년이 남은 인덱스1의 전장 및 제어보드, 인덱스 1의 펌프류, 인덱스1의 동력 밸브류가 제1 조합, 인덱스 2의 펌프류, 인덱스2의 동력 밸브류가 제2 조합으로 설정될 수 있다.
위와 같은 제1 조합에 대해 별도의 동작 오류에 대한 판단이 수행되고, 제2 조합에 대해 별도의 동작 오류에 대한 판단이 수행될 수 있다.
위와 같은 조합의 그룹핑을 통해 동작 오류가 발생할 가능성 별로 조합이 생성될 수 있고, 개별 구성부에 대한 동작 오류 판단을 수행하는 횟수를 줄여서 보다 빠르게 동작 오류에 대한 판단이 수행될 수 있다.
이뿐만 아니라 본 발명의 실시예에 따르면, 개별 조합에 대한 동작 오류 판단 수행 횟수가 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 조합은 제2 조합보다 동작 오류가 발생할 가능성이 크므로, 제1 조합의 동작 오류에 대한 판단 빈도가 제2 조합의 동작 오류에 대한 판단 빈도보다 높도록 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 각 구성부 별 작동 빈도를 추가로 고려하여 조합에 대한 설정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 인덱스1의 펌프류의 작동 빈도가 인덱스2의 펌프류의 작동 빈도가 상대적으로 높은 경우, 인덱스1의 펌프류의 잔여 연한이 인덱스2의 펌프류의 잔여 연한과 동일한 경우에도 서로 다른 조합으로 설정될 수도 있다.
연료 전지 시스템은 작동 빈도가 임계 빈도를 넘어선 구성부의 경우, 해당 구성부의 잔여 연한을 작동 빈도를 고려하여 추가로 감소시켜 해당 구성부가 포함될 조합이 결정될 수 있다.
이와 같은 연료 전지 시스템 진단 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 연료가 유입되는 밸브A,
    상기 밸브A에 연결되어 상기 밸브A로부터 인가되는 연료를 인가받는 블로워A,
    상기 블로워A에 제1 유입구가 연결되어 상기 블로워A를 통해 공급되는 연료를 공급받아 개질 가스를 배출하는 개질기,
    상기 블로워A와 상기 개질기 사이에 위치하여 상기 밸브A에서 상기 개질기로 입력되는 연료의 유입 압력을 측정하는 압력계,
    상기 개질기의 배출구에 일측이 연결되어 있는 밸브B,
    상기 밸브B의 타측에 유압구가 연결되어 있고 상기 밸브B의 제어에 따라 상기 개질기의 배출구로부터 유입되는 개질 가스를 공급받는 연료 전지 스택,
    상기 연료 전지 스택의 배출구와 상기 개질기의 제2 유입구 사이에 위치하여 상기 연료 전지 스택에서 배출되는 개질 가스를 상기 개질기로 유입시키는 밸브C, 그리고
    제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 밸브A를 개방하고 상기 밸브B 및 상기 밸브C를 폐쇄한 후 블로워A를 동작시켜 연료가 상기 개질기로만 유입되도록 하고,
    상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기에서 상기 연료로 인한 압력이 제1 압력 설정값 이상인 경우, 상기 밸브A 내지 밸브C를 폐쇄하고 상기 블로워A의 동작을 중지시켜 상기 개질기 내에만 입력된 연료가 유지되도록 하고,
    일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 제1 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하고,
    측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 상기 제1 압력 감소율보다 크면 상기 개질기에서 연료의 유출한 발생한 상태로 판단하고,
    상기 개질기에서 연료의 유출이 발생하면 상기 밸브A는 폐쇄하고 상기 밸브B 및 밸브C를 개방한 후 상기 압력계의 압력이 0인지 판단하고,
    상기 압력계의 압력이 0이면 상기 밸브A 내지 밸브C를 폐쇄하고,
    측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 상기 제1 압력 감소율 이하이면, 상기 개질기에서 연료의 유출이 발생하지 않는 것으로 판단하여 상기 밸브B를 개방하고 밸브A 및 밸브C를 폐쇄하고 블로워A의 동작을 중지시켜 상기 연료 전지 스택 내에 개질 가스가 머무르도록 하고,
    측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 상기 제1 압력 감소율 이하인 경우 상기 밸브B를 개방하고 밸브A 및 밸브C를 폐쇄하고 블로워A의 동작을 중지시킨 후 일정 시간 동안 상기 압력계에 의해 측정된 상기 개질기의 압력 감소율이 제2 압력 감소율 이하인지 여부를 판단하고,
    상기 압력계의 압력 감소율이 2차 압력 감소율을 초과하면, 연료 전지 스택에 연료의 유출이 발생하는 것으로 판단하여 밸브B 및 밸브C를 연 후 압력계의 압력이 0인지 판단하고,
    상기 압력계의 압력이 0이면 상기 밸브A 내지 밸브C를 폐쇄하는
    연료 전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR200168065Y1 (ko) * 1995-11-30 2000-02-01 정몽규 전장품의 이상 검출장치
JP2012185109A (ja) * 2011-03-08 2012-09-27 Panasonic Corp 燃料電池システム用ガス漏れ検知システム

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