KR101887687B1 - 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 차량의 시동의 감지되면 소킹 시간(soaking time)이 설정된 임계 소킹 시간 이상인지 판단하는 단계, 소킹 시간이 설정된 임계시간 이상인 경우, 차량의 시동 후 공회전(idle) 시간이 설정된 임계 공회전 시간 이상인지 판단하는 단계, 공회전 시간이 임계 공회전 시간 이상인 경우, 산소 출구 밸브 및 수소 출구 밸브를 폐쇄하는 단계, 에어 블로우(Air Blower)와 수소 입구 밸브에서 진단 시간 동안 각각 기준 압력이 되도록 산소 및 수소를 공급하는 단계, 및 상기 진단 시간 동안 수소 출구의 압력과 산소 출구의 압력을 측정하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법{METHOD FOR DETECTING LEAKAGE OF OXYGEN AND HYDROGEN IN FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템에서 고압으로 승압된 수소와 공기를 이용하여 산소 및 수소의 누설을 검출하는 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 이러한 연료 전지 시스템에서 연료 전지 스택에 공급되는 수소와 산소 등의 반응 기체가 누설되는 경우, 연료 전지 스택에서 요구 출력(Desired net power)가 발생할 수 없으며, 아울러 누설이 심각한 경우 연료 전지 스택의 제어가 불가능하게 되는 경우가 발생하기 때문에, 연료 전지 시스템 내의 FCU(Fuel Control Unit; 연료 제어 유닛)등의 제어기에서 반응 기체의 누설을 검출하는 수단이 반드시 필요한 실정이다.
본 발명은 연료 전지 시스템에서 수소, 산소 등의 반응 기체의 누설을 검출하는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한 본 발명은 대기압 보다 높은 압력으로 반응 기체를 승압시킴으로써 누설 검출의 정확도를 높이는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법은,
차량의 시동의 감지되면 소킹 시간(soaking time)이 설정된 임계 소킹 시간 이상인지 판단하는 단계;
소킹 시간이 설정된 임계시간 이상인 경우, 차량의 시동 후 공회전(idle) 시간이 설정된 임계 공회전 시간 이상인지 판단하는 단계;
공회전 시간이 임계 공회전 시간 이상인 경우, 산소 출구 밸브 및 수소 출구 밸브를 폐쇄하는 단계;
에어 블로우(Air Blower)와 수소 입구 밸브에서 진단 시간 동안 각각 기준 압력이 되도록 산소 및 수소를 공급하는 단계; 및
상기 진단 시간 동안 수소 출구의 압력과 산소 출구의 압력을 측정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
상기 측정된 수소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이와 상기 측정된 산소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이를 판단하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
상기 수소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이하이고, 상기 산소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이하인 경우 정상으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
상기 수소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이거나, 또는 상기 산소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상인 경우 비정상 상태로 판단하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
상기 수소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이고 제 2 기준치 이하이거나, 또는 상기 산소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이고 제 2 기준치 이하인 경우 경미 비정상으로 판단하고,
상기 수소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 2 기준치 이상이거나, 또는 상기 산소 출구의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 2 기준치 이상인 경우 중대 비정상 상태로 판단하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면 연료 전지 시스템에서 수소, 산소 등의 반응 기체의 누설을 검출할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 대기압 보다 높은 압력으로 반응 기체를 승압시킴으로써 누설 검출의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 검출 진단 동작의 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 공기 입구(10), 공기 필터(20), 유량계(30), 블로워(40), 막가습기(50), 연료 전지 스택(60), 수소 입구 밸브(70), 수소 입구(80), 재순환 블로워(90), 산소 출구 압력 센서(100), 수소 출구 압력 센서(110), 산소 출구 밸브(120), 수소 출구 밸브(130), 산소 출구(140), 수소 출구(150), 누설 검출 제어기(200) 등으로 구성된다.
공기 입구(10)는 공기가 들어오는 입구이며, 공기 필터(20)는 공기를 필터링하는 역할을 한다. 유량계(30)는 공기의 양을 측량하기 위해 사용되고, 블로워(40)는 들어온 공기를 막가습기(50)로 불어서 공기가 수분을 포함하도록 한다. 막가습기(50)는 공기에 수분을 포함시키셔 이후 연료 전지 스택(60)에서의 전기 화학 반응을 돕는다. 연료 전지 스택(60)은 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기가 생산되는 곳이다. 수소 입구(80)는 수소가 들어오는 입구이며, 수소 입구 밸브(70)는 수소의 유입을 제어함으로써 수소의 유입 압력을 조절하는 역할을 한다. 재순환 블로워(90)는 연료 전지 스택(60)을 통과한 수소를 재순환 시키는 역할을 한다. 산소 출구 압력센서(100)는 산소 출구(140) 부근의 압력을 감지하며, 수소 출구 압력 센서(110)는 수소 출구(150) 부근의 압력을 감지한다. 산소 출구 밸브(120)는 산소 출구(140)에서의 산소의 유출을 제어하는 역할을 하며, 수소 출구 밸브(120)는 수소 출구(150)에서의 수소의 유출을 제어하는 역할을 한다.
본 발명에서 누설 검출 제어기(200)는 블로워(40), 수소 입구 밸브(70), 산소 출구 밸브(120), 수소 출구 밸브(130)와 연결되어 이들을 제어하는 역할을 하며, 산소 출구 압력센서(100)와 수소 출구 압력센서(110)로부터 압력 감지 값을 입력받는다.
한편, 누설 검출 제어기(200)의 역할에 대해서는 이하 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 누설 검출 진단 동작의 흐름도이다.
한편, 이하의 도 2에 따른 각 단계들은 누설 검출 제어기(200)에 의해 수행된다.
먼저, 차량의 운전자가 차량의 시동을 걸 수 있다. 이 경우 누설 검출 제어기(200)에 차량의 시동이 감지된다(S10).
이후에, 누설 검출 제어기(200)는 소킹 시간(Soaking time)이 설정된 임계 소킹 시간 이상인지 판단한다(S20). 여기서 소킹 시간(Soaking time)이란, 차량의 시동이 오프된 이후에 재시동이 감지되기까지의 경과 시간을 의미한다. 이처럼 본 발명에서는 소킹 시간이 일정 시간 이상인 경우에만 반응 기체의 누설 검출 진단을 수행함으로써 보다 정확한 검출 진단이 가능하게 한다. 일 실시예에서 설정된 임계 소킹 시간은 6시간일 수 있고, 이 경우 소킹 시간은 6시간 이상이 되어야 누설 검출 진단이 수행된다.
소킹 시간이 설정된 임계 소킹 시간 이상인 경우, 누설 검출 제어기(200)는 차량의 시동 후 공회전(idle) 시간이 설정된 임계 공회전 시간 이상인지 판단한다(S30). 이처럼 본 발명에서는 시동 후 공회전 시간이 일정 시간 이상인 경우에만 반응 기체의 누설 검출 진단을 수행함으로써 보다 객관적이고 정확한 검출 진단이 가능하게 한다. 일 실시예에서 설정된 임계 공회전 시간은 5초일 수 있고, 이 경우 공회전 시간은 5초 이상이 되어야 누설 검출 진단이 수행된다.
공회전 시간이 임계 공회전 시간 이상인 경우, 누설 검출 제어기(200)는 산소 출구 밸브(120)와 수소 출구 밸브(130)를 폐쇄한다(S40). 본 발명에서는 이처럼 산소와 수소의 출구 밸브를 폐쇄함으로써, 보다 정확한 누설 검출이 가능하게 한다.
이후에, 미리 설정된 진단 시간 동안 누설 검출 제어기(200)는 에어 블로워(40)를 조작하여 에어 블로워(40)에서의 압력이 기준 압력이 되게 하고, 수소 입구 밸브(70)를 조작하여 수소 입구 밸브(70)에서의 압력이 기준 압력이 되게 한다(S50). 여기서 진단 시간은 미리 설정된 값으로서, 일 실시예에서는 5초일 수 있고, 이 경우 에어 블로워(40) 및 수소 입구 밸브(70)에서는 5초간 기준 압력으로 유지된다. 한편 기준 압력은 미리 설정된 값으로서, 일 실시예에서 1.5bar 또는 2.0bar일 수 있다. 바람직하게는 기준 압력은 대기압보다 차이가 크게 함으로써 이후의 누설 검출이 보다 효과적으로 이루어지게 할 수 있다.
이후에, 상기 진단 시간 동안 산소 출구 압력과 수소 출구 압력이 각각 산소 출구 압력센서(100)와 수소출구 압력센서(110)에서 측정되고, 이 측정된 값은 누설 검출 제어기(200)로 전달된다(S60).
이후의 과정에 대해서는 산소와 수소에 대해 각각 나누어 설명하기로 한다.
단계 S60 이후에, 누설 검출 제어기(200)는 기준 압력과 산소 출구 압력의 차이를 판단한다(S70). 여기서 만일 상기 차이가 제 1 기준치보다 작으면 정상으로 판단되고, 진단은 종료한다(S150). 그러나 만일 상기 차이가 제 1 기준치 이상이면 비정상으로 판단되며, 보다 정확한 판단을 위해 이후의 단계 S90으로 이어진다. 여기서 제 1 기준치는 일 실시예에서 0.0001bar일 수 있다.
만일 기준 압력과 산소 출구 압력의 차이가 제 1 기준치 이상인 경우 반응 기체의 누설이 있다는 것을 의미하며 누설 검출 제어기(200)는 상기 차이가 제 2 기준치보다 작은지 판단하고, 만일 그렇다면 경미 비정상으로 진단을 내리며(S110), 이후에 진단을 종료한다(S150). 그러나 만일 상기 차이가 제 2 기준치 이상이면 중대 비정상으로 진단을 내리며(S130), 이후에 진단이 종료된다(S150). 일 실시예에서 제 2 기준치는 0.1bar일 수 있다.
한편 비록 본 발명에서는 명시적으로 표시되지 않았으나, 만일 경미 비정상이나 중대 비정상인 경우, 차량에서는 이에 이어서 후속 대책, 예컨대 림폼(limp-home) 모드로의 진입이나 경고등 점등 같은 대책을 시행하게 될 것이다.
단계 S60 이후에, 누설 검출 제어기(200)는 기준 압력과 수소 출구 압력의 차이를 판단한다(S80). 여기서 만일 상기 차이가 제 1 기준치보다 작으면 정상으로 판단되고, 진단은 종료한다(S150). 그러나 만일 상기 차이가 제 1 기준치 이상이면 비정상으로 판단되며, 보다 정확한 판단을 위해 이후의 단계 S100으로 이어진다. 여기서 제 1 기준치는 일 실시예에서 0.0001bar일 수 있다.
만일 기준 압력과 수소 출구 압력의 차이가 제 1 기준치 이상인 경우 반응 기체의 누설이 있다는 것을 의미하며 누설 검출 제어기(200)는 상기 차이가 제 2 기준치보다 작은지 판단하고, 만일 그렇다면 경미 비정상으로 진단을 내리며(S110), 이후에 진단을 종료한다(S150). 그러나 만일 상기 차이가 제 2 기준치 이상이면 중대 비정상으로 진단을 내리며(S130), 이후에 진단이 종료된다(S150). 일 실시예에서 제 2 기준치는 0.1bar일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (5)

  1. 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법에 있어서,
    차량의 시동의 감지되면 소킹 시간(soaking time)이 설정된 임계 소킹 시간 이상인지 판단하는 단계;
    소킹 시간이 설정된 임계시간 이상인 경우, 차량의 시동 후 공회전(idle) 시간이 설정된 임계 공회전 시간 이상인지 판단하는 단계;
    공회전 시간이 임계 공회전 시간 이상인 경우, 산소 출구 밸브(120) 및 수소 출구 밸브(130)를 폐쇄하는 단계;
    에어 블로워(Air Blower)(40)와 수소 입구 밸브(70)에서 진단 시간 동안 각각 대기압보다 높은 기준 압력으로 상승되도록 산소 및 수소를 공급하는 단계; 및
    상기 진단 시간 동안 산소 출구(140)의 압력과 수소 출구(150)의 압력을 측정하는 단계를 포함하는 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정된 산소 출구(140)의 압력과 상기 기준 압력의 차이와 상기 측정된 수소 출구(150)의 압력과 상기 기준 압력의 차이를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산소 출구(140)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이하이고, 상기 수소 출구(150)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이하인 경우 정상으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 산소 출구(140)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이거나, 또는 상기 수소 출구(150)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상인 경우 비정상 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 산소 출구(140)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이고 제 2 기준치 이하이거나, 또는 상기 수소 출구(150)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 1 기준치 이상이고 제 2 기준치 이하인 경우 경미 비정상으로 판단하고,
    상기 산소 출구(140)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 2 기준치 이상이거나, 또는 상기 수소 출구(150)의 압력과 상기 기준 압력의 차이가 제 2 기준치 이상인 경우 중대 비정상 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법.
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