KR102506848B1 - 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법 - Google Patents

연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법에 관한 것으로, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계에서 외부 공기의 유입 가능성이 있는 스택 공기극(cathode)과 ACV(Air Cutoff Valve) 중 어느 부품의 기밀(gas seal) 상태가 불량인지를 정확하게 진단해 냄으로써, 고장 진단의 성능을 향상시키는 것은 물론 고장 수리시간을 단축할 수 있는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치에 있어서, 연료전지 스택의 출력전압을 감지하는 전압 감지부; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기량을 조절하는 밸브; 상기 밸브가 닫혀 있는 상태에서 냉간 시동시, 상기 연료전지 스택의 제1 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거하고, 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하며, 기준 RPM으로 기준시간 동안 상기 공기 공급부를 동작시킨 후에 상기 전압 감지부에 의해 감지된 제2 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장위치를 검출하는 제어부를 포함한다.

Description

연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법{FAILURE DIAGNOSIS APPARATUS AND METHOD FOR AIR SUPPLY SYSTEM OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계의 기밀(gas seal) 상태를 정확도 높게 진단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 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.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
한편, 종래의 연료전지용 공기공급계의 고장 진단을 진단하는 기술은 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기 공급라인과, 상기 공기 공급라인의 도중에 설치된 에어필터 및 에어 블로워를 가진 공기공급계에서의 이상 여부를 진단하는 연료전지시스템에서, 시동 이후에 공기 공급라인 상에서 에어 블로워의 상류 측에 설치된 유량센서에 의해 공기유량을 실측하고, 전력센서에 의해 에어 블로워의 소모전력을 실측하는 실측단계와, 실측된 공기유량 및 소모전력이 정상범위 이내인지를 판단하는 판단단계와, 상기 판단단계에서 실측된 공기유량 및 소모전력이 정상범위를 이탈한 것으로 판단되면 공기공급계의 고장 상태를 경고한 후에 연료전지시스템의 운전을 정지하는 운전정지단계를 포함한다.
이러한 종래의 기술은 공기공급계 전체의 고장만을 진단할 수 있을 뿐, 구체적으로 공기공급계 내 어느 부품에 고장이 발생했는지 정확하게 진단하지 못하는 문제점이 있다.
특히, 종래의 기술은 공기공급계에서 외부 공기의 유입 가능성이 있는 스택 공기극(cathode)과 ACV(Air Cutoff Valve) 중 어느 부품의 기밀(gas seal) 상태가 불량인지를 정확하게 진단해 내지 못하는 문제점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1679971호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계에서 외부 공기의 유입 가능성이 있는 스택 공기극(cathode)과 ACV(Air Cutoff Valve) 중 어느 부품의 기밀(gas seal) 상태가 불량인지를 정확하게 진단해 냄으로써, 고장 진단의 성능을 향상시키는 것은 물론 고장 수리시간을 단축할 수 있는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치에 있어서, 연료전지 스택의 출력전압을 감지하는 전압 감지부; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부; 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기량을 조절하는 밸브; 상기 밸브가 닫혀 있는 상태에서 냉간 시동시, 상기 연료전지 스택의 제1 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거하고, 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하며, 기준 RPM으로 기준시간 동안 상기 공기 공급부를 동작시킨 후에 상기 전압 감지부에 의해 감지된 제2 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장위치를 검출하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하면 상기 밸브의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하지 않으면 상기 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법에 있어서, 밸브가 연료전지 스택에 공급되는 공기를 차단하는 단계; 전압 감지부가 연료전지 스택의 출력전압을 감지하는 단계; 제어부가 냉간 시동시 상기 연료전지 스택의 제1 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거하는 단계; 상기 제어부가 연료전지 스택에 수소를 공급하는 단계; 및 상기 제어부가 기준 RPM으로 기준시간 동안 연료전지 스택에 공기를 공급하도록 공기 공급부를 동작시킨 후에 상기 전압 감지부에 의해 감지된 제2 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장위치를 검출하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 고장위치를 검출하는 단계는 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하면 상기 밸브의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하지 않으면 상기 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급계에서 외부 공기의 유입 가능성이 있는 스택 공기극(cathode)과 ACV(Air Cutoff Valve) 중 어느 부품의 기밀(gas seal) 상태가 불량인지를 정확하게 진단해 냄으로써, 고장 진단의 성능을 향상시키는 것은 물론 고장 수리시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치는, 연료전지 스택(10), 전압 감지부(20), ACV(Air Cutoff Valve)(30), ACV 조절부(40), 공기 공급부(Air Blower)(50), 제어부(60)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 연료전지 스택(10)은 차량에 탑재되어 구동모터에 동력원을 제공한다.
전압 감지부(20)는 연료전지 스택(10)의 출력전압을 감지한다.
ACV(30)는 연료전지 스택(10)에서 수소 반응시 필요한 공기량 조절을 위한 기구로서, 일례로 공기 흐름을 위한 소정의 공기 통로를 갖는 하우징과, 플랩바디를 이용해 하우징의 공기통로를 개폐하는 플랩밸브와, 플랩밸브의 개폐를 제어하는 솔레노이드밸브로 구성될 수 있다.
이러한 ACV(30)는 차량의 운행 종료시(Key-off) 플랩밸브가 완전닫힘(Full Close)으로 전환되고, 반면 차량의 운행 시작시(Key-on) 플랩밸브가 완전열림(Full Open)으로 전환되는 방식으로 작동된다. 이때, 차량의 시동시 ACV(30)가 완전히 닫힌 상태(연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기가 차단된 상태)에서 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치를 초과하지 않으면 비로소 정상 시동이 이루어지며 이후 차량의 운행이 이루어진다.
또한, ACV(30)는 바이패스 유로를 갖는다. 즉, ACV(30)는 연료전지 스택(30)으로 공기를 공급하지 않고 바로 배출할 수 있는 공기의 통로를 갖으며, ACV(30)는 ACV 조절부(40)에 의해 공기를 연료전지 스택(30)으로 공급할 수도 있고 바로 배출할 수도 있다.
또한, ACV 조절부(40)는 제어부(60)의 제어신호에 기초하여 ACV(30) 내 플랩밸브의 각도를 조절(공기량 조절)한다. 즉, ACV(30)의 각도를 조절하여 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기량을 조절한다.
또한, ACV 조절부(40)는 ACV(30)의 조절각도를 제어부(60)로 피드백할 수도 있다. 이렇게 피드백된 조절각도는 제어부(60)가 ACV(30)의 기밀상태에 문제가 있는지 스택 공기극의 기밀상태에 문제가 있는지 판단하는 과정에서 판단결과의 신뢰도를 향상시키는 작용을 한다.
공기 공급부(50)는 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하는 일종의 에어 블로워로서, 제어부(60)의 제어하에 기준 RPM으로 작동하여 기준시간 동안 연료전지 스택(10)에 공기를 공급(압축)한다. 이때, 기준 RPM(Revolution Per Minute)은 ACV(30)의 기밀상태가 불량인 경우, 즉 ACV(30) 내부의 가스켓에 손상(찢어짐)이 발생한 경우, ACV(30)가 완전히 닫혀 있는 상태임에도 불구하고 공기가 상기 손상 부위를 통해 연료전지 스택(10)으로 공급될 정도의 압력이 가해지도록 설정한다. 물론, ACV(30)의 기밀상태가 정상이라면 상기 기준 RPM에서 연료전지 스택(10)으로 공기가 공급되지 않는다.
제어부(60)는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.
특히, 제어부(60)는 차량의 장기 주차 후 시동시, 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택의 공기극에서 산소를 제거한다. 즉, 제어부(60)는 연료전지 스택(10)에 구비된 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(미도시)를 작동시켜 스택의 공기극에서 산소를 제거한다. 이때, 장기 주차는 임계시간 이상 시동이 걸리지 않은 채 주차된 상태를 의미한다.
참고로, 차량의 시동시 ACV(30)는 완전히 닫혀 있는 상태이며, 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치 이하인 경우에 비로소 정상 시동으로 판정되어 오픈 된다.
이후, 제어부(60)는 수소공급계(미도시)를 통해 연료전지 스택(10)에 수소를 공급하고, 기준 RPM으로 기준시간 동안 작동하도록 공기 공급부(50)를 제어한다.
이후, 제어부(60)는 전압 감지부(20)에 의해 재차 감지된 연료전지 스택(10)의 전압이 임계치를 초과하면 ACV(30)의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 임계치를 초과하지 않으면 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단한다.
즉, 제어부(60)는 스택 공기극에서 산소를 완전히 제거하고 ACV(30)를 완전히 닫은 상태에서 기준 RPM으로 기준시간 동안 공기를 공급했는데, 연료전지 스택(10)의 전압이 임계치를 초과했다면 이는 충분한 양의 공기가 외부로부터 공급되었음을 의미하므로, ACV(30)의 기밀상태 불량으로 판단한다. 이때, 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치를 초과하지 않았다면, 이는 차량의 장기 주차 후 시동시 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치를 초과한 것에 기초하여 스택 공기극의 기밀상태 불량으로 판단한다. 참고로, 스택 공기극의 기밀상태가 불량이더라도 단시간에 연료전지 스택(10)의 전압이 임계치를 초과할 정도로 많은 양의 공기가 유입되기 어렵기 때문에, 상술한 과정에서 ACV(30)의 기밀상태가 불량이 아니면 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단한다.
일반적으로, 연료전지 스택의 공기공급계에서 기밀상태의 불량이 발생하는 부품은 스택 공기극과 ACV(30)가 대표적이다. 그 밖의 부품은 외부의 충격으로 큰 손상을 입지 않는 한 기밀상태에 불량이 발생할 가능성이 매우 낮다.
본 발명은 스택 공기극과 ACV(30) 중 어느 부품의 기밀상태가 불량인지를 매우 정확도 높게 진단할 수 있으며, 이로 인해 수리기사는 신속 정확하게 문제가 발생한 부품을 교체할 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 차량 주차시 ACV(30)가 연료전지 스택(10)에 공급되는 공기를 차단한다(201). 즉, ACV 조절부(40)가 ACV(30)를 닫는다. 이렇게 ACV(30)가 닫혀 있는 상태에서 하기의 과정(202 내지 205)이 수행된다.
이후, 전압 감지부(20)가 연료전지 스택(10)의 출력전압을 감지한다(202).
이후, 제어부(60)가 냉간 시동시 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거한다(203).
이후, 연료전지 스택(10)에 수소를 공급한다(204).
이후, 기준 RPM으로 기준시간 동안 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하도록 공기 공급부(50)를 제어한다(205). 이때, ACV(30)가 닫혀 있는 상태이기 때문에 ACV(30)의 기밀상태가 정상이라면 연료전지 스택(10)에 공기가 주입되지 않지만, ACV(30)의 기밀상태가 비정상이라면 연료전지 스택(10)에 공기가 주입된다.
이후, 연료전지 스택(10)의 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장을 진단한다(206). 즉, 공기공급계의 고장위치를 검출한다. 이때, 출력전압은 '205' 과정 이후에 전압 감지부(20)에 의해 감지된 출력전압을 의미한다.
즉, 공기 공급부(50)를 동작시킨 이후에 전압 감지부(20)에 의해 감지된 전압이 임계치를 초과하면 상기 ACV(30)의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 임계치를 초과하지 않으면 상기 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단한다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 연료전지 스택
20 : 전압 감지부
30 : ACV
40 : ACV 조절부
50 : 공기 공급부
60 : 제어부

Claims (8)

  1. 연료전지 스택의 출력전압을 감지하는 전압 감지부;
    상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부;
    상기 연료전지 스택에 공급되는 공기량을 조절하는 밸브;
    상기 밸브가 닫혀 있는 상태에서 냉간 시동시, 상기 연료전지 스택의 제1 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거하고, 상기 연료전지 스택에 수소를 공급하며, 기준 RPM으로 기준시간 동안 상기 공기 공급부를 동작시킨 후에 상기 전압 감지부에 의해 감지된 제2 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장위치를 검출하는 제어부
    를 포함하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하면 상기 밸브의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하지 않으면 상기 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브의 각도를 조절하는 밸브 조절부
    를 더 포함하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브 조절부는,
    상기 밸브의 조절각도를 상기 제어부로 피드백하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    바이패스 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단장치.
  6. 밸브가 연료전지 스택에 공급되는 공기를 차단하는 단계;
    전압 감지부가 연료전지 스택의 출력전압을 감지하는 단계;
    제어부가 냉간 시동시 상기 연료전지 스택의 제1 출력전압이 임계치를 초과함에 따라 스택 공기극에서 산소를 제거하는 단계;
    상기 제어부가 연료전지 스택에 수소를 공급하는 단계; 및
    상기 제어부가 기준 RPM으로 기준시간 동안 연료전지 스택에 공기를 공급하도록 공기 공급부를 동작시킨 후에 상기 전압 감지부에 의해 감지된 제2 출력전압에 기초하여 공기공급계의 고장위치를 검출하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고장위치를 검출하는 단계는,
    상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하면 상기 밸브의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하고, 상기 제2 출력전압이 임계치를 초과하지 않으면 상기 스택 공기극의 기밀상태가 불량인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    바이패스 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급계의 고장 진단방법.
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