KR102018116B1 - 연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택, 개질기, 열교환기, 냉각수를 포함하는 복수의 보조기기들, 전력변환장치, 및 제어장치로 구성된 연료전지 시스템; 상기 연료전지 시스템의 전류, 유량, 온도의 정보를 측정하여, 위험단계를 판단하고, 판단정보를 모니터링 시스템에 전송하는 비상차단 시스템; 및 통신부와 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하여 관리하는 모니터링 시스템;으로 구성되고, 상기 비상차단시스템은 연료전지에서 유량센서, 전류센서, 온도센서를 사용하여 취득한 데이터를 전달받는 연산, 제어 및 통신장치;를 포함하고, 상기 연산, 제어 및 통신장치는, 상기 데이터 처리 및 저장, 데이터 연산, 위험 판단을 하는 연산부; 모니터링 시스템과 통신하여 데이터 처리, 위험 판단 데이터를 포함하는 모니터링 데이터를 전달하는 통신부; 상기 연산부로부터 전달받은 위험 판단을 기반으로 차단기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법{Fuel cell emergency shutdown system and method}
본 발명은 연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택, 개질기, 열교환기, 냉각수를 포함하는 복수의 보조기기들, 전력변환장치, 및 제어장치로 구성된 연료전지 시스템; 상기 연료전지 시스템의 전류, 유량, 온도의 정보를 측정하여, 위험단계를 판단하고, 판단정보를 모니터링 시스템에 전송하는 비상차단 시스템; 및 통신부와 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하여 관리하는 모니터링 시스템;으로 구성되고, 상기 비상차단시스템은 연료전지에서 유량센서, 전류센서, 온도센서를 사용하여 취득한 데이터를 전달받는 연산, 제어 및 통신장치;를 포함하고, 상기 연산, 제어 및 통신장치는, 상기 데이터 처리 및 저장, 데이터 연산, 위험 판단을 하는 연산부; 모니터링 시스템과 통신하여 데이터 처리, 위험 판단 데이터를 포함하는 모니터링 데이터를 전달하는 통신부; 상기 연산부로부터 전달받은 위험 판단을 기반으로 차단기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 연료전지 비상 차단 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 스택의 연료극(음극)과 공기극(양극) 사이에 공급되는 수소와 산소가 전기화학 반응하여 전기와 열을 생산하는 시스템이다.
연료전지 시스템 내부에는 전기, 전자, 기계, 금속 및 화학 등의 다양한 분야 기술들이 서로 연계되어 물리적으로 복잡하게 구성되어 있다.
연료전지 시스템은 직류전력을 생산하는 연료전지스택, 탄화수소계열의 원료를 수소로 치환하는 개질기, 연료전지 스택에서 생산된 직류(DC)전력을 교류(AC)전력으로 변환하는 전력변환기, 연료 및 공기의 공급을 위한 펌프류, 솔레노이드 밸브류, 센서류, 열과 물을 관리하는 냉각수탱크, 열교환기 및 가습기 등으로 구성되며, 상기 구성 요소들을 제어하는 제어기 및 외부로부터의 충격이나 시스템에서 발생하는 소음을 줄이기 위한 외함으로 구성된다.
더 구체적으로, 연료전지스택 관련 BOP로는 공기 중의 산소를 공급하기 위한 공기펌프, 가습기, 연료전지스택의 폐열을 회수하기 위한 냉각수펌프 및 열교환기 등으로 구성된다.
개질기 관련 BOP로는 연료펌프, 개질기 버너 공기펌프, 스팀 리포밍 반응을 위한 정량수 펌프, 개질 가스의 일산화탄소를 제거하기 위한 Prox펌프, 폐열회수펌프, 솔레노이드 밸브류와 배관 등으로 구성된다.
각 구성요소들은 서로 연계되어 시스템의 성능에 직접적으로 관여하고 있다. 따라서 연료전지 시스템의 각 부품들의 위치 및 구조는 화학반응, 열해석, 노이즈 해석 및 기구적 안정성 등을 토대로 시스템의 최고의 성능을 보이기 위해 구성되었다.
연료전지 시스템에서 운전할 때 일어나는 전기화학적 반응에 따라 연료전지스택 온도, 연료 공급압력, 개질가스 온도, 일산화탄소, 전압 및 전류 등과 같은 정보를 보여준다. 이런 정보를 통해 연료전지 시스템을 진단하고, 문제 발생 시 원인분석 자료로 활용되고 있다.
또한, 연료전지 시스템은 일정시간을 운전 후에 정기적으로 진행하는 유지보수를 통하여 고장 및 사고를 예방하고 있다.
종래 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템(100), 외함(110),스택(120), 개질기(130), 개질기반응기(131), 개질기버너(132), 전력변환장치(140), 열교환기(150), 냉각수탱크(160), 압력센서(170), 온도센서(171), 솔레노이드밸브(172), 정량수펌프(173), 냉각수펌프(174), 연료부스팅펌프(175), 개질기버너펌프(176), 선택산화펌프(177), 스택공기펌프(178), 제어장치(180) 등으로 구성된다.
이러한 연료전지 시스템에서 기계적인 요소와 같은 외적인 요소뿐만 아니라 내적인 요소, 즉 제어 시스템이 오작동 또는 고장에 의하여 문제가 발생할 가능성도 있다.
상기 제어시스템이 오작동을 하거나 고장이 발생할 경우, 연료전지 시스템에 문제가 발생하여 재산 및 인명피해가 발생할 가능성이 높아진다.
따라서 연료전지 시스템의 신뢰성을 높이기 위하여 연료전지 자체의 제어시스템 및 안전장치와는 별도의 유량(연료투입량), 외함 내부 온도, 출력전류 등의 정보를 이용하여, 연료전지에 문제가 발생하기 전에 연료전지 시스템을 차단하는 장치 및 방법이 필요하다.
그러나 일반적인 연료 전지 시스템의 경우 하나의 제어장치를 통해 연료전지 시스템을 차단하기 때문에 제어 시스템이 오작동 또는 고장에 의하여 문제가 발생할 가능성이 생기게 된다.
따라서 이러한 문제점을 사전에 차단할 수 있는 장치를 새로 개발할 필요가 있다.
한국등록특허 제0798452호 한국등록특허 제1610063호 한국등록특허 제0748537호 한국등록특허 제1926704호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 하나의 연료 전지 시스템에 이중 제어를 통해 메인 제어 시스템이 오작동 또는 고장에 의하여 문제가 발생할 경우, 미리 차단하여 연료전지 시스템의 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지 비상 차단 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전류 판단 계수(I), 온도 판단 계수(T), 유량 판단 계수(F)를 적절히 조절하여 연산함으로서 연료전지 시스템의 오작동 또는 고장에 대한 알람 경고를 통해 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 연료전지 비상 차단 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 스택, 개질기, 열교환기, 냉각수를 포함하는 복수의 보조기기들, 전력변환장치, 및 제어장치로 구성된 연료전지 시스템; 상기 연료전지 시스템의 전류, 유량, 내부 온도의 정보를 측정하여, 위험단계를 판단하고, 판단정보를 모니터링 시스템에 전송하는 비상차단 시스템; 및 통신부와 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하여 관리하는 모니터링 시스템;으로 구성되고, 상기 비상차단시스템은 연료전지에서 유량센서, 전류센서, 온도센서를 사용하여 취득한 데이터를 전달받는 연산, 제어 및 통신장치;를 포함하고, 상기 연산, 제어 및 통신장치는, 상기 데이터 처리 및 저장, 데이터 연산, 위험 판단을 하는 연산부; 모니터링 시스템과 통신하여 데이터 처리, 위험 판단 데이터를 포함하는 모니터링 데이터를 전달하는 통신부; 상기 연산부로부터 전달받은 위험 판단을 기반으로 차단기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 비상차단 시스템은 상기 연료전지 시스템으로부터의 유량, 전류, 온도 정보를 획득하여 연료전지의 위험단계를 분석하여 예방조치를 실행하며, 관련 정보를 모니터링 시스템에 전송한다.
본 발명은 연료전지 시스템의 시스템을 가동시키는 단계(S10); 시스템의 상태를 유지하는 단계(S20); 연료전지 시스템이 동작하면 데이터 측정 및 위험단계를 산출하는 단계(S30); 연산부를 통해 위험단계가 1이 맞는지를 판단하는 단계(S40); 제어부의 상기 S40단계의 판단결과, 위험단계 1이 맞을 경우, 기기 알람과 모니터링 시스템에서 경고창을 띄어 경고하고, S20단계로 절차를 이행하는 단계(S50); 위험단계 1이 아닐 경우, 연산부를 통해 위험단계 2가 맞는지 판단하는 단계(S60); 제어부의 상기 S60단계의 판단결과, 위험단계 2가 맞을 경우, 기기 알람과 모니터링 시스템에서 경고창 및 경고음을 발생하고, S20단계로 절차를 이행하는 단계(S70); 위험단계 2가 아닐 경우, 연산부를 통해 위험단계 3이 맞는지 판단하는 단계(S80); 제어부의 상기 S80단계의 판단결과, 위험단계 3이 아닐 경우, 위험단계 0으로 인식하고, S20단계로 절차를 이행하는 단계(S90); 위험단계 3이 맞을 경우, 제어부를 통해 연료 및 전원을 차단하는 단계(S100); 시스템을 준비상태로 전환하는 단계(S110); 기기 알람과 모니터링 시스템을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하는 단계(S120); 제어부를 통해 유지보수가 완료됐는지를 판단하는 단계(S130); 제어부의 상기 S130단계의 판단결과, 유지보수가 완료되었을 경우, 제어부를 통해 시스템을 가동하는 S10단계로 절차를 이행하고, 유지보수가 완료되지 않았을 경우, 기기 알람과 모니터링 시스템을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하는 S120단계로 절차를 이행하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 제어시스템과 통신하는 단계(S301); 통신부(252)를 통한 통신유무를 판단하는 단계(S302); 상기 S302단계의 판단결과, 통신이 불가능할 경우, 위험단계 1(S319)로 절차를 이행하고, 통신이 가능한 경우, 위험단계 0(S318)으로 판단하며, 제어시스템에서 설정된 출력에 따라 유량(F0)을 설정하는 단계(S303); 연료 공급 유량(F1)을 측정하는 단계(S304); 설정 유량(F0)과 측정 유량(F1)과의 비를 이용하여, 유량 판단 계수(F)를 구하는 단계(S305); 제어부가 유량 판단 계수(F) 98이상인지 판단하는 단계(S306); 제어부의 상기 S306단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F) 98이상일 경우, S318단계로 절차를 이행하고, 유량 판단 계수(F)가 98미만일 경우, 유량 판단 계수(F)가 95이상이고, 98미만인지 판단하는 단계(S307); 제어부의 상기 S307단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F)가 95이상이고, 98미만인 경우, S319으로 절차를 이행하고, 유량 판단 계수(F)가 95미만인 경우, S320로 절차를 이행한다.
상기 유량 판단 계수(F)는 연료전지 스택으로 공급되는 LNG, 메탄 또는 수소의 측정된 유량(F1)과 제어시스템의 출력 설정에 따라 공급되어야 하는 설정 유량(F0)의 비율로 나타낸다.
본 발명은 연료전지 시스템의 경고온도(T0)를 설정하는 단계(S308); 연료전지 내부에 설치된 온도센서를 이용하여 내부온도(T1)를 측정하는 단계(S309); 경고온도(T0)와 내부온도(T1)의 차를 이용하여 온도 판단 계수(T)를 구하는 단계(S310); 온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만인지 판단하는 단계(S311); 제어부의 상기 S311단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만일 경우, S318단계로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상일 경우, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고, 5℃ 미만인지 판단하는 단계(S312); 제어부의 상기 S312단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고, 5℃ 미만일 경우, S319단계로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 5℃ 이상일 경우, S321단계로 절차를 이행한다.
여기에서 온도 판단 계수(T)는 연료전지 시스템에서 설정된 경고 온도(T0)와 연료전지 시스템의 외함 내부에서 측정된 온도(T1)의 차로 나타내며, 고분자 연료전지 시스템의 경고 온도(T0)는 60℃로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 연료전지 시스템에서 제어시스템의 출력설정에 따른 전류(I0)를 설정하는 단계(S313); 연료전지 내부에 설치된 전류센서를 이용하여 출력전류(I1)를 측정하는 단계(S314); 설정 전류(I0)와 측정 전류(I1)의 비를 이용하여 전류 판단 계수(I)를 구하는 단계(S315); 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인지 판단하는 단계(S316); 제어부의 상기 S316단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인 경우, S321단계로 절차를 이행하고, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상이 아닌 경우, 전류 판단 계수(I)가 100 이상이고, 105 미만인지 판단하는 단계(S317); 제어부의 상기 S317단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 100 이상이고, 105 미만인 경우, S320단계로 절차를 이행하고, 전류 판단 계수(I)가 100이상이고, 105미만이 아닌 경우 즉, 98이상이고, 100미만일 경우, S318단계로 절차를 이행하는 단계;를 포함한다.
여기에서 전류 판단 계수(I)는 스택에서 전력변환장치로 흐르는 전류를 전류센서를 이용하여 측정한 전류(I1)와 제어시스템의 출력 설정에 따라 설정된 전류(I0)의 비율로 나타낸다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 연료전지에서 제어시스템의 오작동이나 고장과 같은 비상상황에서 별도의 차단시스템이 동작하여 연료전지 시스템의 문제로 발생 가능한 인명 및 재산 손실을 사전에 대처하여 2차 피해의 확산을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류 판단 계수(I), 온도 판단 계수(T), 유량 판단 계수(F)를 적절히 조절하여 연산함으로서 연료전지 시스템의 문제를 정확하게 파악하여 경고 알람을 통해 사전에 적절한 조치를 취하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템의 P&ID 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템과 비상차단시스템의 도식화 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상차단시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 비상차단 동작을 도시한 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 위험단계 판단을 도시한 동작 흐름도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은 스택(120), 개질기(130), 열교환기(150), 냉각수를 포함하는 복수의 보조기기들, 전력변환장치(140), 및 제어장치(180)로 구성된 연료전지 시스템(100)에서 메인 제어장치(180)의 오작동이나 고장과 같은 비상상황에서 별도의 차단시스템이 동작하여 연료전지 시스템의 문제로 발생 가능한 인명 및 재산 손실을 사전에 대처하기 위해, 상기 연료전지 시스템(100)의 전류, 유량, 온도의 정보를 측정하여 위험단계를 판단하고, 판단정보를 모니터링 시스템(300)에 전송하는 비상차단 시스템(200); 및 통신부(252)와 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하여 관리하는 모니터링 시스템(300);으로 구성된다.
연료전지 시스템(100)은 상술한 구성 요소 이외에 연료 전지 시스템을 이루기 위한 복수개의 센서 및 변환 장치 등이 더 포함되며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
여기에서 상기 제어장치(180)는 상술한 각 연료전지 시스템(100)의 구성 요소를 제어하고, 연료전지 시스템을 진단하고, 문제 발생 시 원인분석 자료로 활용한다.
그러나 제어장치(180)의 제어 모듈 자체가 오작동 또는 고장에 의하여 문제가 발생할 가능성도 있다.
연료전지 자체의 제어시스템 및 안전장치와는 별도의 유량(연료투입량), 외함 내부 온도, 전류 등의 정보를 이용하여 연료전지의 문제 발생하기 전에 연료전지 시스템을 차단하기 위해 아래와 같은 비상차단시스템(200)과 연산, 제어 및 통신장치(250) 등이 필요하게 된다.
이를 위해 상기 비상차단시스템(200)은 연료전지에서 유량센서(210), 전류센서(230), 온도센서(240)를 사용하여 취득한 데이터를 전달받는 연산, 제어 및 통신장치(250);를 포함한다.
상기 연산, 제어 및 통신장치(250)는 연산부(251), 통신부(252), 제어부(253)를 포함한다.
연산부(251)는 상기 데이터 처리 및 저장, 데이터 연산, 위험 판단을 하는 장치로서, 연료전지 시스템이 동작하면 연료 전지 시스템을 이루기 위한 복수개의 센서의 데이터 측정을 통해 위험단계 1, 2, 3을 연산하여 판단한다.
구체적으로 연산부(251)는 위험단계 1, 2, 3으로 연산될 경우, 모니터링 시스템(300)을 통해 모니터링으로 각각 위험단계 경고, 경고음, 제어부 차단 등이 동작되도록 하고, 관리자에게 유지보수를 하도록 경고를 한다.
또한 상기 연산부(251)는 전류 판단 계수(I), 온도 판단 계수(T), 유량 판단 계수(F)를 연산한다.
통신부(252)는 모니터링 시스템(300)과 통신하여 데이터 처리, 위험 판단 데이터를 포함하는 모니터링 데이터를 전달하는 장치이다.
제어부(253)는 상기 연산부로부터 전달받은 위험 판단을 기반으로 차단기(220)의 동작을 제어하는 장치이다.
제어부(253)는 판단결과, 위험단계가 맞는지 판단하고, 위험단계일 경우 단계별 제어 신호 또는 경고음 및 유지보수 경고를 하는 단계로 이동시킨다.
제어부(253)는 판단결과, 유지보수가 완료되었는지 확인하고, 모니터링 시스템(300)을 통해 경고음하고 유지보수 경고를 할 수 있다.
제어부(253)는 판단결과, 전류 판단 계수(I), 온도 판단 계수(T), 유량 판단 계수(F)가 일정치 보다 크거나 같거나 작을 경우 일정 제어 단계로 이동시킨다.
또한 상기 비상차단 시스템(200)은 상기 연료전지 시스템(100)으로부터의 유량,전류, 온도 정보를 획득하여 연료전지의 위험단계를 분석하고 제어장치(180)가 오동작하거나 고장과 같은 비상상황이 발생되는 경우, 별도의 차단시스템이 동작하여 연료전지 시스템의 동작을 정지시키고 연료를 차단함으로써, 연료전지 시스템의 문제로 발생 가능한 인명 및 재산 손실을 사전에 대처하여 2차 피해의 확산을 방지할 수 있도록 예방조치를 실행하며, 관련 정보를 모니터링 시스템(300)에 전송한다.
이하 도 4와 도 5를 참고하여 본 발명의 실시를 위한 연료전지 비상 차단 방법에 대하여 자세히 설명한다.
이 때 설명하는 전류 판단 계수(I), 온도 판단 계수(T), 유량 판단 계수(F)는 일정치 이상과 이하인지를 제어부(253)가 판단하는 데, 상기 일정치는 연료전지의 상태나 종류에 따라 변경될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 먼저 연료전지 시스템의 시스템을 가동시키고(S10), 시스템의 상태를 유지하며(S20); 연료전지 시스템이 동작하면 각 센서로부터 데이터를 전달받아 데이터 측정 및 위험단계를 산출하여(S30), 연산부(251)를 통해 위험단계가 1이 맞는지를 판단한다(S40).
제어부(253)는 상기 S40단계의 판단결과, 위험단계 1이 맞을 경우, 모니터링 시스템(300)을 통해 기기 알람과 모니터링 시스템에서 경고창을 띄어 경고하고, S20단계로 절차를 이행하고(S50), 위험단계 1이 아닐 경우, 연산부(251)를 통해 위험단계 2가 맞는지 판단한다(S60).
상기 제어부(253)는 상기 S60단계의 판단결과, 위험단계 2인 경우, 모니터링 시스템(300)을 통해 기기 알람과 모니터링 시스템에서 경고창 및 경고음을 발생하고, S20단계로 절차를 이행하며(S70); 위험단계 2가 아닐 경우, 연산부(251)를 통해 위험단계 3이 맞는지 판단한다(S80).
상기 제어부(253)는 상기 S80단계의 판단결과, 위험단계 3이 아닐 경우, 위험단계 0으로 인식하고, S20단계로 절차를 이행하고(S90), 위험단계 3이 맞을 경우, 제어부(253)를 통해 연료 및 전원을 차단하며(S100), 연료전지 비상 차단 시스템을 준비상태로 전환하고(S110), 기기 알람과 모니터링 시스템(300)을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하고(S120), 제어부(253)를 통해 유지보수가 완료됐는지를 판단한다(S130).
여기서 유지보수 경고는 관리자에게 휴대폰으로 전달될 수 있다.
제어부(253)는 상기 S130단계의 판단결과, 유지보수가 완료되었을 경우, 제어부(253)를 통해 시스템을 가동하는 S10단계로 절차를 이행하고, 유지보수가 완료되지 않았을 경우, 기기 알람과 모니터링 시스템(300)을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하는 S120단계로 절차를 이행한다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예로서 먼저 제어시스템과 통신하고(S301), 통신부(252)를 통한 통신유무를 판단한다(S302).
상기 S302단계의 판단결과, 통신이 불가능할 경우, 위험단계 1(S319)로 절차를 이행하고, 통신이 가능한 경우, 위험단계 0(S318)로 절차를 이행한다.
제어시스템에서 설정된 출력에 따라 유량(F0)을 설정하고(S303) 연료 공급 유량을 측정하며(S304), 설정유량(F0)과 측정 유량(F1)의 비를 이용하여 유량 판단 계수(F)를 구하고(S305), 제어부(253)가 유량 판단 계수(F)가 98 이상인지 판단한다(S306).
제어부(253)는 상기 S306단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F)가 98 이상인 경우, S318단계로 절차를 이행하고, 유량 판단 계수(F)가 98 미만일 경우, 유량 판단 계수(F)가 95 이상이고, 98 미만인지 판단한다(S307).
상기 제어부(253)는 상기 S307단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F)가 95 이상이고, 98 미만일 경우, S319(위험단계 1)으로 절차를 이행하여 위험단계 1의 모니터링 경고를 수행하고, 유량 판단 계수(F)가 95 미만일 경우, S320(위험단계 2)로 절차를 이행하여 위험단계 2을 진행한다.
여기에서 위험 단계는 0 단계에서 3 단계로 위험 정도에 따라 나누었는데, 연료 전지의 성능이나 종류에 따라 복수의 단계로 나눌 수 있다.
본 발명의 일실시예로서 연료전지 시스템의 경고온도(T0)를 설정하고(S308), 연료전지 내부에 설치된 온도센서(240)를 이용하여 내부온도(T1)를 측정하며(S309), 경고온도(T0)와 내부온도(T1)와의 차를 이용하여 온도 판단 계수(T)를 구하고(S310), 온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만인지 판단한다(S311).
상기 제어부(253)는 상기 S311단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만일 경우, S318단계(위험단계 0)로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상일 경우, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고, 5℃ 미만인지 판단한다(S312).
상기 제어부(253)는 상기 S312단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고, 5℃ 미만일 경우, S319단계(위험단계 1)로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 5℃ 이상일 경우, S321단계(위험단계 3)로 절차를 이행하여 위험단계 3의 기기알람, 경고음 및 유지보수 경고를 수행한다.
본 발명의 일실시예에 따라서 연료전지 시스템에서 제어시스템의 설정 출력에 따라 전류(I0)를 설정하고(S313), 연료전지 내부에 설치된 전류센서(230)를 이용하여 출력전류(I1)를 측정하며(S314), 설정전류(I0)와 출력전류(I1)의 비를 이용하여 전류 판단 계수(I)를 구하고(S315), 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인지 판단한다(S316).
상기 제어부(253)는 상기 S316단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인 경우, S321단계(위험단계 3)로 절차를 이행하여 위험단계 3의 연료 및 전원을 차단하고, 연료전지 시스템을 준비상태로 전환시키는 예방조치를 실행하며, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상이 아닌 경우, 전류 판단 계수(I)가 100 이상이고, 105 미만인지 판단한다(S317).
상기 제어부(253)는 상기 S317단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 100이상이고, 105미만일 경우, S320단계(위험단계 2)로 절차를 이행하여 위험단계 2의 기기알람, 모니터링에서 경고음 및 경고창을 발생한다.
상기 S317단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 100이상이고, 105미만이 아닌 경우 즉, 98이상이고, 100미만일 경우, S318단계(위험단계 0)로 절차를 이행한다.
100 : 연료전지 시스템 110 : 외함
120 : 스택 130 : 개질기
131 : 개질기반응기 132 : 개질기버너
140 : 전력변환장치 150 : 열교환기
160 : 냉각수탱크 170 : 압력센서
171 : 온도센서 172 : 솔레노이드밸브
173 : 정량수펌프 174 : 냉각수펌프
175 : 연료부스팅펌프 176 : 개질기버너펌프
177 : 선택산화펌프 178 : 스택공기펌프
180 : 제어장치 200 : 비상 차단 시스템
210 : 유량센서 220 : 차단기
230 : 전류센서 240 : 온도센서
250 : 연산, 제어 및 통신장치 251 : 연산부
252 : 통신부 253 : 제어부
300 : 모니터링 시스템

Claims (6)

  1. 스택(120), 개질기(130), 열교환기(150), 냉각수를 포함하는 복수의 보조기기들, 전력변환장치(140), 및 제어장치(180)로 구성된 연료전지 시스템(100);
    상기 연료전지 시스템(100)의 전류, 유량, 외함 내부온도의 정보를 측정하여, 위험단계를 판단하고, 판단정보를 모니터링 시스템(300)에 전송하는 비상차단 시스템(200); 및
    통신부(252)와 통신망을 이용하여 데이터를 송수신하여 관리하는 모니터링 시스템(300);으로 구성되고,
    상기 비상차단시스템(200)은 연료전지에서 유량센서(210), 전류센서(230), 온도센서(240)를 사용하여 취득한 데이터를 전달받는 연산, 제어 및 통신장치(250);를 포함하고,
    상기 연산, 제어 및 통신장치(250)는,
    상기 상기 데이터 처리 및 저장, 데이터 연산, 위험 판단을 하며, 연료전지 시스템이 동작하면 연료 전지 시스템을 이루기 위한 복수개의 센서의 데이터 측정을 통해 위험단계 1, 2, 3을 연산하여 위험단계 1, 2, 3으로 연산될 경우, 모니터링 시스템(300)을 통해 모니터링으로 각각 위험단계 경고, 경고음, 제어부 차단, 관리자에게 유지보수를 하도록 제어부에 전달하는 연산부(251);
    모니터링 시스템(300)과 통신하여 데이터 처리, 위험 판단 데이터를 포함하는 모니터링 데이터를 전달하는 통신부(252);
    상기 연산부로부터 전달받은 위험 판단을 기반으로 위험단계일 경우 단계별 제어 신호 또는 경고음 및 유지보수 경고 및 차단기(220)의 동작을 제어하도록 제어신호를 발생하는 제어부(253);를 포함하며,
    상기 비상차단 시스템(200)은 상기 연료전지 시스템(100)으로부터의 유량, 전류, 외함 내부온도 정보를 획득하여 연료전지의 위험단계를 분석하여 위험단계 1인 경우 기기알람, 모니터링에 경고창을 띄우고, 위험단계 2인 경우 기기알람, 모니터링에서 경고음 및 경고창을 띄우고, 위험단계 3인 경우 차단기를 통해 연료 및 전원을 차단하고, 연료전지 시스템을 준비상태로 전환시키는 예방조치를 실행하며, 관련 정보를 모니터링 시스템(300)에 전송하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상 차단 시스템.
  2. 삭제
  3. 메인 제어장치(180)의 오작동이나 고장과 같은 비상상황에서
    연료전지 시스템의 시스템을 가동시키는 단계(S10);
    시스템의 상태를 유지하는 단계(S20); 연료전지 시스템이 동작하면 연산부는 연료 전지 시스템을 이루기 위한 복수개의 센서의 데이터 측정을 통해 위험단계 1, 2, 3을 연산하여 위험단계 1, 2, 3으로 연산하는 단계(S30);
    연산부(251)를 통해 위험단계가 1이 맞는지를 판단하는 단계(S40);
    제어부(253)의 상기 S40단계의 판단결과, 위험단계 1이 맞을 경우, 기기알람, 모니터링 시스템(300)을 통해 경고창을 띄우고 S20단계로 절차를 이행하는 단계(S50);
    위험단계 1이 아닐 경우, 연산부(251)를 통해 위험단계 2가 맞는지 판단하는 단계(S60);
    제어부(253)의 상기 S60단계의 판단결과, 위험단계 2가 맞을 경우, 기기알람, 모니터링 시스템(300)에 경고음 및 경고창을 띄우고, S20단계로 절차를 이행하는 단계(S70); 위험단계 2가 아닐 경우, 연산부(251)를 통해 위험단계 3이 맞는지 판단하는 단계(S80);
    제어부(253)의 상기 S80단계의 판단결과, 위험단계 3이 아닐 경우, 위험단계 0으로 인식하고, S20단계로 절차를 이행하는 단계(S90); 위험단계 3이 맞을 경우, 제어부(253)를 통해 연료 및 전원을 차단하는 단계(S100);
    시스템을 준비상태로 전환하는 단계(S110);
    기기알람, 모니터링 시스템(300)을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하는 단계(S120);
    제어부(253)를 통해 유지보수가 완료됐는지를 판단하는 단계(S130);
    제어부(253)의 상기 S130단계의 판단결과, 유지보수가 완료되었을 경우, 제어부(253)를 통해 시스템을 가동하는 S10단계로 절차를 이행하고, 유지보수가 완료되지 않았을 경우, 기기알람과 모니터링 시스템(300)을 통해 경고음 및 유지보수 경고를 하는 S120단계로 절차를 이행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상 차단 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제어시스템과 통신하는 단계(S301);
    통신부(252)를 통한 통신유무를 판단하는 단계(S302);
    상기 S302단계의 판단결과, 통신이 불가능할 경우, 위험단계 1(S319)로 절차를 이행하고, 통신이 가능한 경우, 위험단계 0(S318)으로 절차를 이행하는 단계;
    제어시스템에서 설정된 출력에 따라 유량(F0)을 설정하는 단계(S303);
    연료 공급 유량(F1)을 측정하는 단계(S304);
    설정유량(F0)과 측정 유량(F1)의 비를 이용하여 유량 판단 계수(F)를 구하는 단계(S305);
    제어부(253)가 유량 판단 계수(F)가 98 이상인지 판단하는 단계(S306);
    제어부(253)의 상기 S306단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F)가 98 이상인 경우, S318단계로 절차를 이행하고, 유량 판단 계수(F)가 98 미만일 경우, 유량 판단 계수(F)가 95 이상이고, 98 미만인지 판단하는 단계(S307);
    제어부(253)의 상기 S307단계의 판단결과, 유량 판단 계수(F)가 95 이상이고, 98 미만일 경우, S319로 절차를 이행하고, 유량 판단 계수(F)가 95 미만일 경우, S320로 절차를 이행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상 차단 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 시스템의 경고온도(T0)를 설정하는 단계(S308);
    연료전지 내부에 설치된 온도센서를 이용하여 내부온도(T1)를 측정하는 단계(S309);
    경고온도(T0)와 내부온도(T1)와의 차를 이용하여 온도 판단 계수(T)를 구하는 단계(S310);
    온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만인지 판단하는 단계(S311);
    제어부(253)의 상기 S311단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 미만일 경우, S318단계로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상일 경우, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고, 5℃ 미만인지 판단하는 단계(S312);
    제어부(253)의 상기 S312단계의 판단결과, 온도 판단 계수(T)가 2℃ 이상이고,5℃ 미만일 경우, S319단계로 절차를 이행하고, 온도 판단 계수(T)가 5℃ 이상일 경우, S321단계로 절차를 이행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상 차단 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    연료전지 시스템에서 제어시스템의 설정 출력에 따라 전류(I0)를 설정하는 단계(S313);
    연료전지 내부에 설치된 전류센서를 이용하여 출력전류(I1)를 측정하는 단계(S314);
    설정전류(I0)와 출력전류(I1)의 비를 이용하여 전류 판단 계수(I)를 구하는 단계(S315);
    전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인지 판단하는 단계(S316);
    제어부(253)의 상기 S316단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상인 경우, S321단계로 절차를 이행하고, 전류 판단 계수(I)가 98미만이거나 또는 105이상이 아닌 경우, 전류 판단 계수(I)가 100 이상이고, 105 미만인지 판단하는 단계(S317);
    제어부(253)의 상기 S317단계의 판단결과, 전류 판단 계수(I)가 100 이상이고, 105 미만일 경우, S320단계로 절차를 이행하고, 전류 판단 계수(I)가 100이상이고, 105미만이 아닌 경우 즉, 98이상이고, 100미만일 경우, S318단계로 절차를 이행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 비상 차단 방법.
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KR20230062133A (ko) * 2021-10-29 2023-05-09 울산대학교 산학협력단 안전기반 수소추진선박의 설계 시 위험성 평가 방법 및 장치
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