KR102542108B1 - 연료 소모 장치용 안전 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템이 스위칭 어셈블리를 포함한다. 그 스위칭 어셈블리는 전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부, 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브의 입력 전원 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부, 및 제1 및 제2 단부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 스위치 유닛을 포함한다. 각각의 스위치 유닛은, 연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 해당하는 하나에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성된다. 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로는, 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하기 위해 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면, 비활성화된다.

Description

연료 소모 장치용 안전 제어 시스템 및 방법
이 특허 출원은 2018년 8월 30일에 출원되고, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고 문헌으로 통합되는, 미국 가출원 62/724,983호의 이익을 주장한다.
본 발명은, 연료 소모 장치의 안전한 작동을 보장하기 위한 연료 안전 차단 밸브를 제어하기 위한 안전 제어 시스템 및 안전 제어 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
자동차의 연소 엔진이나 발전기, 연료 개질기, 연료 전지 시스템 등과 같은 연료 소모 장치는 화재나 폭발에 취약하기 때문에 안전한 작동을 위해 특별한 주의가 필요하다.
이를 위해, 연료 소모 장치에 대한 안전 제어 메커니즘이 개발되었으며, 일부 산업에서는 안전 제어 메커니즘이 있는 장치가 요건을 충족하면서 작동하는지 확인하기 위해 안전 테스트가 필요하다.
하나의 예시적인 기존 기술에서, 컴퓨터 프로세서가 연료 소모 장치의 다양한 환경 조건과 관련된 데이터를 수집하고, 수집된 데이터 매개 변수에 기초하여 안전 위험을 감지하고, 제어 피드백 신호를 연료 안전 차단 밸브에 제공한다. 그러나, 대부분의 경우, 이러한 체계는 프로세서가 실행하는 소프트웨어(예 : 프로그램 명령)를 기반으로 하므로 제어 메커니즘이 더 복잡해진다. 보다 구체적으로, 이러한 소프트웨어 기반 접근 방식은 특정 기능을 제어 시스템의 특정 부분(들)과 연결하기 어렵게 하므로, 고장이 발생하면 고장과 관련된 부분을 찾아내는 것이 쉽지 않을 수 있으며, 일부 측면에서는, 소프트웨어 기반 제어 시스템이 많은 산업에서 실행 및 통과해야 하는 특정 안전 테스트 사례에 적합하지 않을 수 있다.
위의 관점에서 볼 때, 고장 진단(troubleshooting) 또는 안전 테스트를 쉽게 할 수 있는 새로운 하드와이어 기반(hardwire-based) 안전 제어 체계가 필요하다.
전술한 것뿐만 아니라 본 발명의 다른 특징 및 이점이 다음의 도면, 상세한 설명, 상세한 예시적인 실시예 및 청구 범위로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
본 발명의 하나의 태양에 따르면, 연료 소모 장치용 안전 제어 시스템의 스위칭 어셈블리(switching assembly)가 제공된다. 그 스위칭 어셈블리는, 전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부, 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브의 입력 전원 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 스위치 유닛을 포함한다. 각각의 스위치 유닛은, 연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 대응하는 하나에 기초하여 온 동작되거나(switched on), 또는 오프 동작되도록(switched off) 구성된다. 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로는 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하기 위해 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면 비활성화된다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛이 하나 이상의 전기 기계식 스위치로 구현된다.
하나의 구현예에서, 스위칭 어셈블리는, 하나 이상의 스위치 유닛 중 하나에 직렬로 연결되는 시간 지연 릴레이 유닛 및 하나 이상의 스위치 유닛 중 상기 하나에 직렬로 연결되고 위 시간 지연 릴레이 유닛에 병렬로 연결된 온도 스위치 유닛을 더 포함한다. 시간 지연 릴레이 유닛은, 제1 시간부터 제2 시간까지 미리 정해진 시간 동안 온 동작되고, 제2 시간 후에는 오프 동작되도록 구성된다. 온도 스위치 유닛은 연료 소모 장치의 애프터 버너 유닛의 온도에 기초하여 온 동작되거나 또는 오프 동작되도록 구성된다.
하나의 구현예에서, 온도 스위치 유닛은, 애프터 버너 유닛의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값을 초과하면 온 동작되도록 구성된다.
하나의 구현예에서, 모든 스위치 유닛이 온 동작되고, 시간 지연 릴레이 유닛이 온 동작될 때, 제1 및 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 활성화되어 전원 노드로부터 연료 안전 차단 밸브로 전력을 제공한다.
하나의 구현예에서, 모든 스위치 유닛이 온 동작되고 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되면, 제1 및 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 온도 스위치 유닛이 온 동작됨에 따라 활성화되고, 그리고 온도 스위치 유닛이 오프 동작되면 비활성화된다.
하나의 구현예에서, 모든 스위치 유닛이 온 동작되면 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고, 그리고 온도 스위치 유닛이 제2 시간 전에 온 동작되며, 제1 및 제2 단부 사이의 전기 연결 경로는 단선되지 않고 유지된다.
하나의 구현예에서, 모든 스위치 유닛이 온 동작되면 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고, 온도 스위치 유닛이 제2 시간 이후 제3 시간에 온 동작되면, 전기 연결 경로는, 제2 시간과 제3 시간 사이 동안 비활성화되었다가, 제3 시간후에 후에 다시 활성화된다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 환경 단위는 공기 흐름 량, 압력 및 온도를 포함하여 구성된다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛의 플로우 스위치 유닛은, 연료 소모 장치의 제1 위치에서 감지된 공기 유량이 제1 사전 설정 조건을 충족하는지 여부에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성된 제1 전기 기계식 스위치를 포함한다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛의 압력 스위치 유닛은, 연료 소모 장치의 분리된 두 위치 사이의 차압(differential pressure)이 제1 사전 설정 조건을 충족하는지 여부에 기초하여 온 동작되거나 오프 동작되도록 구성된 제2 전기 기계식 스위치를 포함한다.
하나의 구현예에서, 분리된 두개의 스위치는 각각 연료 소모 장치의 공기 송풍기의 유입구 위치 및 유출구 위치에 해당한다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛의 과열 스위치 유닛은, 연료 소모 장치의 제3 위치에서 감지된 온도가 제3 사전 설정 조건을 충족하는지 여부에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성된 제3 전기 기계 스위치를 포함한다.
하나의 구현예에서, 제3 사전 설정 조건은 사전 설정 온도 임계 값보다 높은 제3 위치 감지 온도를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 안전 제어 시스템을 포함하는 연료 소모 장치가 제공된다. 안전 제어 시스템은, 전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부, 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브의 입력 전원 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부, 및 제1, 제2 단부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 스위치 유닛을 포함한다. 각각의 스위치 유닛은 연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 해당하는 하나에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성된다. 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로는, 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하기 위해 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면 비활성화된다.
하나의 구현예에서, 연료 소모 장치는 연료 연소 장치, 연료 개질기 및 연료 전지 시스템 중 하나 이상을 포함하여 구성된다.
하나의 구현예에서, 연료는 액체 연료 및 기체 연료를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법이 제공된다. 이 방법은, 연료 소모 장치의 전원 노드와 연료 안전 차단 밸브 사이에, 전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부와 연료 안전 차단 밸브의 전원 입력 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부를 갖는 스위칭 어셈블리를 제공하는 단계; 연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 해당하는 하나에 기초하여, 제1 단부와 제2 단부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 스위치 유닛 각각을 온 또는 오프 동작시키는 단계; 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 비활성화하는 단계; 및 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기적 연결이 비활성화되면 연료 저장소로부터 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하는 단계;를 포함한다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛은 하나 이상의 전기 기계식 스위치로 구현된다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 제1 시간으로부터 제2 시간까지 미리 결정된 시간 기간 동안 온 동작되도록 구성되고, 제2 시간 후에 오프 동작되도록 구성된 하나 이상의 스위치 유닛 중 하나에 직렬로 연결될 시간 지연 릴레이 유닛을 제공하는 단계; 및 애프터 버너의 온도에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성되고, 그리고 상기 하나 이상의 스위치 유닛들 중 상기 하나 이상의 스위치 유닛들 중 하나에 직렬로 연결되고 시간 지연 릴레이 유닛에 병렬로 연결되는, 온도 스위치 유닛을 제공하는 단계;를 더 포함한다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은 애프터 버너 유닛의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값을 초과하면 온도 스위치 유닛을 온 동작시키는 단계를 더 포함한다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 모든 스위치 유닛이 온 동작되고 시간 지연 릴레이 유닛이 온 동작될 때, 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 활성화하는 단계; 및 그 전기적 연결이 활성화되면 전원 노드로부터 연료 안전 차단 밸브로 전력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 모든 스위치 유닛이 온 동작되고 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작될 때, 온도 스위치 유닛이 온 동작되면 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 활성화시키는 단계, 및 온도 스위치 장치가 오프 동작되면 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 비활성화시키는 단계;를 더 포함한다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 모든 스위치 유닛이 온 동작될 때, 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고 그리고 온도 스위치 유닛이 제2 시간 전에 온 동작되어, 전기 연결 경로의 연결 해제 없이 활성화를 유지하는 것을 추가로 포함한다.
하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 모든 스위치 유닛이 온 동작될 때, 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고 그리고 온도 스위치 유닛이 제2 시간후의 제3 시간에 온 동작되어, 제2 시간과 제3 시간 사이 기간 동안 전기 연결 경로를 비활성화시키는 단계; 및 제3 시간 후에 전기 연결을 재활성화하는 단계;를 추가로 포함한다.
아래에 설명된 도면은 단지 설명을 위한 것임을 이해해야한다. 도면은 반드시 축척에 맞는 것은 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리의 설명이 강조된다. 도면은 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 유사한 숫자는 일반적으로 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 연료 소모 장치와 관련하여 도시된 예시적인 안전 제어 시스템의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 예시적인 연료 전지 시스템의 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 안전 제어 시스템의 스위칭 어셈블리와 결합된 예시된 예시적인 전지 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 예시적인 안전 제어 시스템의 블록도이다.
도 4a는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 도 3의 애프터 버너 온도 스위치 유닛과 시간 지연 릴레이 유닛의 타이밍 다이어그램이다.
도 4b는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 도 3의 애프터 버너 온도 스위치 유닛과 시간 지연 릴레이 유닛의 타이밍 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 도 3의 스위칭 어셈블리의 다양한 노드로부터 제공되는 예시적인 피드백 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 안전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
이제, 본 발명에 따른 안전 제어 시스템이, 하드 와이어 기반 스위칭 메커니즘의 이점을 이용하여, 연료 소모 장치를 위한 보다 신뢰할 수 있고 이해하기 쉬운 제어 수단을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "연료 소모 장치"는 임의의 종류의 연료를 기반으로 작동하는 임의의 장치를 지칭한다.
단지 예로서, 연료 소모 장치는 연소 엔진, 또는 차량, 발전기 등과 같은 연소 엔진(들)을 포함하는 모든 종류의 장치; 및 공급되는 연료에 기초하여 연료 전지를 생산하는 연료 전지 개질기를 포함할 수 있으되, 그에 한정되지 않는다.
설명을 위해, 연료 소모 장치의 일례로서 연료 전지 개질기에 대하여 본 발명을 설명하기로 하지만, 본 발명의 범위 또는 예시적인 구현예는 그에 한정되지 않는다.
연료 소모 장치에서 감지된 데이터를 수집하는 컴퓨터 프로세서를 사용하는 기존의 안전 제어 체계와 달리, 수집된 데이터 매개 변수를 기반으로 안전 위험을 감지하는 데이터를 처리하고, 그리고 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어(또는 프로그램 코드)를 기반으로 하는 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브에 제어 피드백 신호를 제공하는 것은, 고장 진단하거나 또는 많은 산업에서 요구하는 안전 테스트를 통과하기를 더 어렵게 한다.
위와 반대로, 본 발명에 따른 하드 와이어 기반 안전 제어 시스템은, 연료 소모 장치의 다양한 위치에서 감지된 환경 데이터 또는 조건에 따라 직접 열리거나 닫히도록 각각 적응되는 전기 기계식 스위치들을 사용하여, 그 중 하나가 안전 제어 시스템의 특정 작동에 대한 책임 부분을 식별하도록 하여, 작동 중 고장 발생 경우의 고장 진단하고, 안전 테스트를 수행하는 것이 쉽게 되도록 한다.
본 발명에 따른 안전 제어 시스템은, 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브에 공급되는 전력의 스위칭 메커니즘을 제공한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이. 안전 제어 시스템(20)은, 전원 노드(120)와 연료 안전 차단 밸브(110) 사이의 스위칭 어셈블리(21a)를 포함한다. 스위칭 어셈블리(21a)가 온 동작되면, 전원 노드(120)는 연료 안전 차단 밸브(110)에 전기적으로 연결되고, 따라서, 전원 노드(120)로부터 연료 안전 차단 밸브(110)로 전력이 공급될 수 있다. 그러나, 스위칭 어셈블리(21a)가 오프 동작될 때, 전원 노드(120)는 연료 안전 차단 밸브(110)와 전기적으로 연결 해제되어, 전원 노드(120)로부터 연료 안전 차단 밸브(110)로 전력이 공급될 수 없다.
본 명세서에서 사용되는 "온 동작되는(switched on)"이라는 용어는, 스위치 시스템, 스위치 유닛, 스위치 등이 "닫혀서" 그 양쪽 엔드 노드(end node) 사이의 전기적 연결을 활성화함으로써, 그 전기적 연결을 통해 전력이 흐를 수 있도록 하는 동작을 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "오프 동작되는(switched off)"이라는 용어는 스위치 시스템, 스위치 유닛, 스위치 등이 "열려서" 양쪽 엔드 노드 간의 전기적 연결을 불활성화함으로써 전력이 흐를 수 없도록 하는 동작을 의미할 수 있다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 "온 동작되는" 및 "닫히는"이라는 용어는 상호 교환적이고, "오프 동작되는" 및 "열리는"이라는 용어는 상호 교환적이다.
안전 제어 시스템(20)은, 안전 위험 조건 감지의 경우 오프 동작되어, 연료 안전 차단 밸브(110)의 제어 밸브를 닫음으로써 연료 저장장치(11)로부터 연료 소모 장치(10)로의 연료 공급을 중지하도록 구성된다.
스위칭 어셈블리(21a)가 온 동작되거나 오프 동작될지 여부는, 연료 소모 장치(10)의 하나 이상의 환경 조건에 좌우된다. 바꾸어 말하면, 연료 안전 차단 밸브(110)는, 연료 소모 장치(10)의 하나 이상의 환경 조건에 따라 열리거나 닫히도록 제어되게 된다. 하나의 구현예에서, 환경 조건은, 공기 유량, 압력, 온도 등과 같은 안전 관련 조건을 포함할 수 있다.
따라서, 연료 안전 차단 밸브(110)는, 하나 이상의 환경 조건이 대응하는 미리 설정된 요건을 충족하지 않는 경우 차단되어, 연료 소모 장치(10)가 불이 나거나, 폭발되는 것 등으로부터 보호될 수 있다.
하나의 구현예에서, 하나 이상의 스위치 유닛은, 전기 기계식 스위치를 사용하여 구현될 수 있다. 그 전기 기계식 스위치는, 연료 소모 장치(10) 내부 또는 그 근처에 배치되어 그로부터 직접 환경 조건을 감지하고, 감지된 결과에 따라 온 또는 오프 동작된다. 본 발명의 이러한 특징은, 연료 안전 차단 밸브가 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 또는 프로그램 코드에 기초하여 제어되는 기존 기술과 구별될 수 있다. 특히, 기존 기술에서는, 프로세서를 포함하는 제어기를 사용하여 환경 조건에 대한 데이터를 수신하고 그리고 연료 안전 차단 밸브에 제어 피드백 신호를 제공하므로, 제어 메커니즘을 더욱 복잡하게 한다. 더욱이, 이러한 소프트웨어 기반 접근 방식은, 특정 기능을 제어 시스템의 특정 부분(들)과 연결하는 것을 더 어렵게 하며, 그에 따라 고장이 발생하면 고장과 관련된 부분을 확인하는 것이 쉽지 않을 수 있으며, 일부 측면에서는 소프트웨어 기반 제어 시스템은 많은 산업에서 통과해야 하는 특정 안전 테스트 사례에 적합하지 않을 수 있다.
그와 반대로, 본 발명에 따른 전기 기계식 스위치에 기초한 안전 제어 체계는, 연료 소모 장치(10)로의 연료 공급을 차단하기 위한 보다 직접적이고 효율적이며 간단한 인터페이스를 제공하여, 고장 진단 또는 안전 테스트를 더 쉽게 해준다.
본 명세서의 본 발명은, 설명된 특정 절차, 재료 및 수정에 제한되지 않고 그리고 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 사용된 용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이며, 첨부된 청구 범위에 의해서만 제한될, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명에서, 나열된 요소의 적어도 하나 및/또는 나열된 요소 또는 부품의 리스트로부터 선택된 적어도 하나로서의, 요소 또는 부품이 포함되어야 한다고 언급된 경우, 그 요소 또는 부품은, 나열된 요소 또는 부품의 임의의 것일 수 있거나, 또는 나열된 요소 또는 부품 중 2 개 이상으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 설명된 조성(composition), 장치 또는 방법의 요소 및/또는 특징은, 본 명세서에서 명시적이든 묵시적이든, 본 발명의 초점 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 특정 구조가 언급되는 경우, 그 구조는 본 발명의 장치의 다양한 구현예 및/또는 본 발명의 방법에 사용될 수 있다.
"포함한다(include)", "포함하는(including)", "가진다(have)", "가지는(having)", "포함한다(contain)" 또는 "포함하는(containing)"이라는 용어 및 그 문법적 동의어의 사용은, 본 발명이 제한되지 않는 것으로 이해되어야 하고, 달리 구체적으로 언급되거나 문맥으로부터 이해되지 않는 한, 개방적이고 비한정적인 것으로 일반적으로 이해되어야 하며, 설명되지 않은 추가 요소 또는 단계를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 단수, 예를 들어, "하나(a 및 the)"는 특별히 달리 언급되지 않는 한 복수를 포함한다(반대의 경우도 마찬가지).
특정 동작을 수행하기 위한 단계의 순서 또는 순서는 본 발명이 작동 가능한 상태로 유지되는 한 중요하지 않다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 방법은, 본 명세서에 달리 표시되거나 문맥에 의해 명백하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 두 개 또는 그 이상의 단계 또는 작업을 동시에 수행할 수 있다.
예를 들어, "-와 같이" 처럼, 본 명세서에 제공된 모든 그리고 임의의 예 또는 예시적인 언어의 사용은, 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것이며, 특허청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 어떤 언어도, 특허청구되지 않은 요소를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
"연료"라는 표현은 모든 종류의 액체 연료 및 기체 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "액체 연료"라는 표현은 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 액체 상태의 연료, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 나프타, 증류수, 가솔린, 등유, 제트 연료, 디젤, 바이오 디젤 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "액체 연료"라는 표현은 또한 액체 상태에 있거나 또는 기체 상태에 있거나, 즉 증기인지 여부에 관계없는, 그러한 연료를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
더 나아가, "기체 연료"라는 표현은, STP 조건에서 기체인 연료, 예를 들어 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 이소부틸렌, 디메틸 에테르, 이들의 혼합물, 예를 들어 주로 메탄인 천연 가스 및 액화천연가스(LNG), 주로 프로판 또는 부탄이지만 주로 프로판 및 부탄으로 구성된 모든 혼합물 등을 포함하는 석유 가스 및 액화석유가스(LPG) 등을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 기체 연료에는, 다른 기체 연료와 유사하게 액체로 저장할 수 있는 암모니아도 포함된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 안전 제어 시스템이 연료 개질기 또는 연료 개질기를 포함하는 연료 전지 시스템을 제어하기 위해 적용되는 예시적인 구현예를 설명하기로 한다.
이제 도 2a를 참조하면, 본 발명의 하나의 구현예에 따른 연료 소모 장치(10a)의 일례로서 연료 전지 시스템의 평면도가 도시되어 있다. 도 2a의 예시적인 연료 전지 시스템은, 2018년 8월 30일에 출원되고, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고 문헌으로 통합되는, 출원인의 미국 가출원 62/724,983에도 설명되어 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템은, 하우징 박스에 의해 둘러싸여 밀폐된 2개의 열 구역(thermal zone)(710 및 720)을 포함할 수 있다. 그 2 개의 열 구역(710, 720)은, 공기 송풍기(730)와 단열 벽(760)을 통해 분리될 수 있고, 그에 따라 공기 송풍기(730)를 통하지 않고는 공기 또는 기체 연통이 안된다. 공기 송풍기(730)는, 열 구역(710)으로부터, 연료 전지 스택(173) 및 연료 개질기, 화학 반응기, 개스킷, 펌프, 열 교환기, 애프터버너, 공기 송풍기, 반응물 도관 등과 같은 다른 주변 기기(Balance-of-Plant, BOP) 부품이 있는 열 구역(720)까지, 강제 공기 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 예시적인 연료 전지 시스템(10a)이, 본 발명의 하나의 구현예에 따른 안전 제어 시스템(20a)의 스위칭 어셈블리(21a)와 결합되어 도시되어 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(10a)은, 본 명세서에 참고 문헌으로 통합되는, 미국 특허 9,627,700호 및 9,627,701호에 개시된 촉매 부분 산화(CPOX) 개질제 기반 연료 전지 시스템 중 적어도 하나를 지칭하지만, 반드시 필수적으로 그렇지는 아니하다. 그 연료 전지 시스템(10a)은, 공기 송풍기(730)로부터 제공되는 공기를 받아들여서, 이곳 및 본 발명의 다른 구현예에 공기인 것으로 예시된, 산소 함유 기체를 도관(140)으로 도입하는 공기 송풍기(131)를 포함하고, 그리고 이는 그 기체 및 다른 기체 스트림(기체 연료-공기 혼합물 및 수소-풍부 개질제 포함)을, 연료 전지 시스템(10a)의 연료 개질기 섹션의 개방된 기체 흐름 통로를 포함하는 다양한 통로에 밀어넣어 보내기 위한 것이다. 하나의 구현예에서, 공기 송풍기(131)는, 안전 시스템 요건(예를 들어, 연료가 프로판인 경우 LEL < 0.25 %)을 만족시키기 위해 연료와 혼합되거나 또는 연료를 희석시키기 위해 CPOX 공기를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 공기 송풍기(131) 이외의 별도의 송풍기(도시되지 않음)가 희석 송풍기로서 사용될 수 있다.
연료 전지 시스템(10a)은, 전술한 환경 조건을 측정 또는 모니터링하기 위한 위치(예를 들어, 30a, 31a, 31b, 32, 34, 및 44)에 복수의 마이크로 전자 기계 스위치 또는 그 적어도 일부분(예 : 감지 부품)을 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템(10a)의 예시적인 연료 개질기 섹션의 시동 모드 작동에서, 공기는, 미국 특허 9,627,700호 및 9,627,701호에 설명된 바와 같이 연료와 혼합되도록 또는 연료를 희석하도록 공기 송풍기(131)에 의해 도관(140)으로 유입되고, 그리고 공기가 초기에 주어진 유량으로 제1 히터(193)에 의해 미리 설정된 또는 목표된 제1 온도 범위 내에서 가열되는 곳인 제1 가열 구역(192)을 통과한다. 초기 가열된 공기는, 이후 정상 상태 모드에서, 관형 CPOX 반응기 유닛(196)의 CPOX 반응 구역(190) 내에서 발생하는 CPOX 반응으로부터 회수된, 발열 열(heat of exotherm)에 의해 가열되는 곳인, 열 전달 구역(191)을 통과한다.
연료 개질기 섹션의 이러한 정상 상태 작동이 달성되면, 예를 들어 CPOX 반응기 유닛(196) 내의 CPOX 반응이 자립 상태(self-sustaining)일 때, 유입 공기가, 열 전달 구역(191)을 통과는 통로에 의해 제1 상승 온도로, 그 범위내로, 그에 접근하여 상승될 것이기 때문에, 제1 히터(193)는 그 열 출력이 감소될 수 있거나 그 작동이 중단될 수 있다.
도관(140) 내에서 더 하류로 계속해서, 가열된 공기는 제2 가열 구역(194)을 통과하고, 여기서 제2 가열 히터(195)에 의해 상승된 온도의 제2 범위 내로 더 가열된다. 히터(195)는 이전에 가열된 공기의 온도를 상쇄(top-off)하도록 작동할 수 있으며, 이에 따라 연료 전지 시스템(10a)의 여러 작동 요건을 충족하며, 즉 연료 전지 시스템(10a)의 열적 요건(thermal requirements)의 조절 및 미세 조정을 신속한 대응 및 필요에 따라 지원한다.
연료는, 연료 라인(12)을 통하는 펌프를 통해 도관(140)으로 도입되고, 그곳에서 연료는 제2 가열 구역(194)으로부터 흐르는 가열된 공기로부터의 열을 이용하여 기화기 시스템(150)에 의해 기화된다. 기화된 연료는, 더 균일한 연료-공기 기체 CPOX 반응 혼합물을 제공하기 위해 인라인 믹서가 배치된 혼합 구역(160)에서 가열된 공기의 스트림과 결합된다.
가열 기화된 연료-공기 혼합물(예를 들어, 가열된 기체 CPOX 반응 혼합물)은, 반응 혼합물을 더 균일하게 그리고 예를 들어, 더 균일한 온도로, 관형 CPOX 반응기 유닛(196)에 분배하는 기능을 하는, 매니폴드 또는 플레넘(plenum)(171)에 들어간다.
매니폴드(171)로부터, 가열된 CPOX 반응 혼합물이 관형 CPOX 반응기 유닛(196)으로 도입된다. 연료 개질기 섹션의 작동 개시 모드에서, 점화기(197)는 관형 CPOX 반응기 유닛(196)의 CPOX 반응 구역(190)내에서 CPOX 반응 혼합물의 CPOX 반응을 개시하고, 그에 따라 수소가 풍부한 개질제의 생산을 시작한다. 정상 상태 CPOX 반응 온도(예 : 250 ℃ ~ 1,100 ℃)가 달성되면, 반응은 자체적으로 유지되고, 점화기(197)의 작동을 중단시킬 수 있다.
연료 전지 시스템(10a)은, 연료 전지 시스템(10a) 및/또는 공기 송풍기(131), 히터(193, 195, 198), 연료 안전 차단 밸브(110), 점화기(197) 및 다양한 스위치 유닛(210 내지 260)과 같은 안전 제어 시스템(20a)의 다양한 전기 구동 구성 요소에 전력을 제공하기 위해, 전원 노드(120)에 전기적으로 연결된 전력 소스 유닛(도시 안됨)을 포함한다.
도 2b에 더 도시된 바와 같이, 공기 송풍기(131)에 의해 구동되는, 수소가 풍부한 개질제는, CPOX 반응기 유닛(196)으로부터 연료 전지 스택(173)으로 통과하며, 여기서 공기 송풍기(132)에 의해 매니폴드(172)로 그리고 그 후 연료 전지 스택(173)으로 도입된 수소 및 산소 함유 가스는, 전기 화학적 변환을 거쳐 전기로 바뀐다. 그러한 전기 화학적 변환으로부터 발생하는 사용된 기체(들)에 포함된 가연성 기체(들), 예를 들어, 탄화수소(들), 소비되지 않은 수소 등은, 애프터 버너 유닛(180)에서 연소되도록 만들 수 있다. 애프터 버너 유닛(180)에서 발생하는 연소로부터 발생하는 열은, 원할 경우 회수될 수 있으며, 예를 들어, 연료의 정상 상태 작동 모드 동안 산소 함유 기체 및/또는 연료를 예열하기 위해 연료 개질기 섹션의 작동에 사용될 수 있다. 공기 송풍기(132)는, 매니폴드(172) 및 통로(미도시)를 통해 연료 전지 스택(173)의 캐소드 측으로 캐소드 공기를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같은 안전 제어 시스템(20a)은, 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 하나의 구현예에서, 안전 제어 시스템(20a)은, 전원 노드(120)와 연료 안전 차단 밸브(110) 사이의 전기적 연결을 제어하기 위한 스위칭 어셈블리(21a), 또는 연료 전지 시스템(10a)의 연료 개질기 섹션으로 유입되는 연료를 제어할 수 있는 임의의 다른 장치를 포함한다. 도 2b에 예시된 예에서, 스위칭 어셈블리(21a)는, 직렬로 서로 연결된 복수의 스위치 유닛(210 내지 240)을 포함한다. 스위치 유닛(210)의 한 단부는, 노드(N)를 통해 전원 노드(120)에 연결된다. 스위치 유닛(240)의 다른 단부는, 시간 지연 릴레이 유닛(250)의 한 단부에 직렬로 연결된다. 시간 지연 릴레이 유닛(250)은 온도 스위치 유닛(260)과 병렬로 연결된다.
하나의 구현예에서, 스위칭 어셈블리(21a)는, 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 그 근처에서 감지된 하나 이상의 환경 조건에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작된다. 그 하나 이상의 환경 조건은, 공기 유량, 압력, 온도 등과 관련된다. 예를 들기만 하는 것이거니와, 스위칭 어셈블리(21a)가 온 동작될 때, 연료 안전 차단 밸브(110)는 전원 노드(120)에 의해 전력이 공급되어, 연료 저장 장치(11)로부터 연료 전지 시스템(10a)으로 연료를 공급한다. 또한, 연료 전지 시스템(10a) 내에서 안전 위험 조건이 감지되면, 안전한 작동을 보장하기 위해, 스위칭 어셈블리(21a)가 오프 동작될 때, 연료 안전 차단 밸브(110)는 전원 노드(120)에 의한 전력 공급을 받지 못해, 연료 전지 시스템(10a)으로의 연료 공급을 정지한다.
도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 스위칭 어셈블리(21a)는 플로우 스위치 유닛(210)을 포함할 수 있다. 플로우 스위치 유닛(210)의 스위칭 동작(예 : 온 동작 또는 오프 동작)은 충분한 양의 희석 공기가 연료 전지 시스템(10a), 예를 들어 도관(140)으로 유입되는지 여부에 따라 수행된다. 하나의 구현예에서, 도관(140)으로의 충분한 양의 희석 공기 흐름 여부는, 예를 들어 특정 위치[예를 들어, 공기 송풍기(730)의 입구 측(30a)]에서의 공기 유량(또는 공기 흐름 속도)를 모니터링함으로써 평가된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 플로우 스위치 유닛(210)은, 연료 전지 시스템(10a)의 특정 위치(예 : 도 2b의 30a)에서 감지된 공기 유량이 공기 유량 임계 값 이상인지 여부에 따라 온 또는 오프 동작되도록 구성된다. 플로우 스위치 유닛(210)은, 감지된 공기 유량이 기 설정된 공기 유량 임계 값보다 작을 때 오프 동작되도록 구성된다. 예를 들어, 미리 설정된 공기 유량 임계 값은, 충분한 양의 희석 공기가 연료 전지 시스템(10a)에 제공되어 시스템 안전 요건[예 : 연료(프로판)에 대한 LEL > 0.25 %)을 충족하도록 그리고/또는 완전한 접촉 연소(catalytic combustion)를 보장하기 위해 설정된다. 연료 전지 시스템(10a)의 일부가, 완전 환기의 100 %를 제한하는 수동 오리피스(passive orifice)인 특정 예에서, 연료 전지 시스템(10a)의 최대 유입구 압력은, 프로판 유량이 약 2 L/m을 초과할 수 없는 14 inWC일 수 있다. 따라서, 이 경우, 프로판 유량이 2 L/m일 때, LEL 0.25 %를 만족시키기 위한 최소 희석 공기 유량은 약 800 L/m, 즉 약 28 CFM이 될 수 있으며, 따라서 미리 설정된 공기 유량 임계 값은 28 CFM으로 설정할 수 있다. 보다 안전한 작동을 위해, 사전 설정된 공기 유량을 더 높게, 예를 들어 40 CFM으로 설정할 수 있다. 그러나, 미리 설정된 공기 유량 임계 값은 연료 소모 장치의 특정 설계에 따라 달라질 수 있다.
하나의 구현예에서, 플로우 스위치 유닛(210)은 릴레이 코일(211), 상시 개방 스위치(212) 및 유량 스위치(213)를 사용하여 구현될 수 있다. 릴레이 코일(211)은, DC 전원(27)(예를 들어, 12 V)에 연결된 하나의 터미널 노드(214) 및 유량 스위치(213)를 통해 접지(GND)에 연결된 다른 터미널 노드(215)를 갖는다. 상시 개방 스위치(212)는, 상시 개방 상태를 유지하고, 릴레이 코일(211)을 통해 전류가 흐르면 온 동작되어(예 : 열려서) 터미널 노드(N1 및 N2) 사이의 연결을 해주는 기계식 스위치이다.
예를 들어, 유량 스위치(213)가 온 동작되면, 릴레이 코일(211)의 양쪽 터미널 노드를 통해 전류가 흘러서, 그 주변에 자기장을 발생시키고 그리고 상시 개방 스위치(212)를 강제로 닫게 되며, 그에 따라 전체 플로우 스위치 유닛(210)은 온 동작되게 된다. 유량 스위치(213)가 열린 경우, 릴레이 코일(211)을 통해 전류가 흐르지 않고 그리고 상시 개방 스위치(212)는 열린 상태로 유지될 것이다.
하나의 구현예에서, 유량 스위치(213)는, 연료 전지 시스템(10a)의 특정 위치(예를 들어, 도 2Bdml 30a)를 통해 흐르는 공기량(또는 공기 유량)을 측정하는 플랩 형(flap type) 유량계 또는 플래퍼(예를 들어,도 2a의 713)를 사용하여 구현될 수 있다. 공기 유량이 미리 설정된 공기 유량 임계 값 이상인 경우, 플랩 형 유량계에 기반한 유량 스위치(213)는, 하나의 터미널 엔드 노드(214)에 연결된 하나의 접점(도시되지 않음)을 다른 터미널 엔드 노드(215)에 연결된 다른 접점(도시되지 않음)에 스냅하도록 구성되고, 그리하여, 그 양쪽 터미널 엔드 노드(214 및 215) 사이의 전기적 연결을 온 동작시킨다. 또한, 공기 유량이 미리 설정된 공기 유량 임계 값보다 작으면, 유량 스위치(213)는 터미널 엔드 노드(214, 215) 사이의 전기적 연결을 오프 동작시키도록 구성된다.
도 3에는 플로우 스위치 유닛(210)만이 도시되어 있으나, 본 발명의 구현예는 이에 한정되지 않는다. 하나의 태양에서, 안전 제어 시스템(20a)은, 각각 스위치 유닛(210 내지 250) 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 플로우 스위치 유닛을 더 포함할 수 있다. 임의 선택적인 플로우 스위치 유닛 각각은, 적절한 양의 CPOX 공기가 CPOX 반응기 유닛(196)으로 흐르고 그리고/또는 적절한 양의 캐소드 공기가 연료 전지 스택(173)으로 흐르도록 하기 위해, 위치(30a) 이외의 위치에서의 공기 유량에 기초하여, 온 동작 또는 오프 동작될 수 있다. 예를 들어, 적절한 양의 CPOX 공기가 CPOX 반응기 유닛(196)으로 흐르도록 보장하기 위하여, 하나의 임의 선택적 플로우 스위치 유닛은, 공기 송풍기(131)에 인접한 위치[예 : 공기 송풍기(131)의 유입구 측 또는 출구 측] 및/또는 도관(140)의 임의의 위치에서 공기 유량을 측정하도록 구성될 수 있고, 그리고 측정된 유량에 기초하여 온 또는 오프 동작될 수 있고, 그리고/또는 적절한 양의 캐소드 공기가 연료 전지 스택(173)으로 흐르도록 하기 위해, 다른 임의 선택적인 플로우 스위치 유닛이, 공기 송풍기(132)에 인접한 위치[예 : 공기 송풍기(132)의 유입구 측 또는 출구 측] 및/또는 연료 전지 스택(173)의 캐소드의 통로 내의 임의의 위치에서 공기 유량을 측정할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭 어셈블리(21a)는 비정상적인 압력 강하 또는 상승과 같은 상당한 압력 변화가 있는지 확인하는, 압력 스위치 유닛(220)을 포함할 수 있다. 특히, 비정상적인 압력 강하는, 연료 전지 시스템(10a), 구체적으로, 예를 들어, 연료 전지 스택(173) 및 다른 BOP 부품이 위치하는 곳인, 도 2a의 구역(720)으로부터의 누출의 결과로 발생할 수 있다. 압력 스위치 유닛(220)은, 다양한 위치에서 감지되는 압력에 기초하여 연료 전지 시스템(10a)의 박스 커버가 제자리에 있는 것을 보장하도록 설계될 수 있다. 하나의 예에서, 연료 전지 시스템(10a)이 연료 및/또는 희석 공기를 누출하는 상황으로부터 연료 전지 시스템(10a)을 보호하기 위해, 압력 스위치 유닛(220)은, 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 그 근처의 분리된 위치(예를 들어, 31a 및 31b) 사이의 차압 값(예 : 비정상적인 압력 강하)이 미리 설정된 차압 임계 값보다 크면, 오프 동작되도록 구성된다. 여기서, 위치(31a, 31b)는 공기 송풍기(730)의 입구 측과 출구 측에 해당될 수 있으며, 따라서 공기 송풍기(730)가 작동함에 따라 위치(31b)의 압력은 높아질 수 있고(예 : 양의 차압 + △P), 위치(31a)에서의 압력은 낮아질 수 있다(예를 들어, 음의 차압 -△P 또는 진공). 또한, 압력 스위치 유닛(220)은 감지된 차압 값이 미리 설정된 차압 임계 값 미만인 경우 온 동작되도록 구성된다.
하나의 구현예에서, 압력 스위치 유닛(220)은 릴레이 코일(221), 상시 개방 스위치(222) 및 차압 스위치(223)를 사용하여 구현될 수 있다.
압력 스위치 유닛(220)은, 차압 스위치(223)를 사용하는 것을 제외하고는 플로우 스위치 유닛(210)과 실질적으로 동일하거나 거의 동일하다. 따라서, 중복되는 설명은 간략화를 위해 생략한다.
하나의 구현예에서, 차압 스위치(223)는, 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 그 근처에 있는 두 개의 상이한 위치로부터 감지된 두 압력 간의 차이를 측정하는 센서를 사용하여 구현될 수 있다. 위치 중 하나(예 : 도 2b의 31a)는 송풍기(730)의 입구 측이고, 다른 하나(도 2b의 31b)는 출구 측일 수 있으며, 차압은 구역(710, 720) 사이의 다른 압력에 해당할 수 있다. 측정된 차압은 전술한 바와 같이 상응하는 미리 설정된 차압 임계 값과 비교된다. 차압이 미리 설정된 차압 임계 값과 같거나 그 이상이면 차압 스위치(223)가 오프 동작되고 전체 압력 스위치 유닛(220)이 오프 동작된다. 예를 들어, 미리 설정된 차압 임계 값은 연료 전지 시스템(10a)의 하나의 설계 예에 따라 약 0.25 내지 0.3 inWC일 수 있다. 그러나, 구역(720)에 대한 박스 커버가 그 안에 희석을 유지하기 위해 제자리에 있음을 나타내는 최적의 차압은, 그 하우징 박스 설계에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 미리 설정된 차압 임계 값이 달라질 수 있다.
도 3a에는 압력 스위치 유닛(220)만 도시되어 있지만, 본 발명의 구현예는 이에 한정되지 않는다. 하나의 태양에서, 안전 제어 시스템(20a)은, 각각이 스위치 유닛(210 내지 250) 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 압력 스위치 유닛을 더 포함할 수 있다. 임의 선택적인 압력 스위치 유닛 각각은, 적절한 양의 CPOX 공기가 CPOX 반응기 유닛(196)에 존재하도록 하기 위해 그리고/또는 적절한 양의 캐소드 공기가 연료 전지 스택(173)의 캐소드 측에 대한 통로(도시되지 않음)에 존재하도록 하기 위해, 위치(31a 및 31b)외의 한 쌍의 위치에서의 차압에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작될 수 있다. 예를 들어, 적절한 양의 CPOX 공기가 존재하도록 보장하기 위해, 하나의 임의선택적인 압력 스위치 유닛이, 공기 송풍기(131)에 인접한 위치에서의 차압(예를 들어, 공기 송풍기의 유입구 측과 유출구 측 사이의 차압) 및/또는 도관(140)내의 임의의 위치에서의 차압을 측정하고, 측정된 차압에 기초하여 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성될 수 있고 그리고/또는 적절한 양의 캐소드 공기가 존재하도록 보장하기 위해, 다른 하나의 임의 선택적 압력 스위치 유닛은, 공기 송풍기(132)에 인접한 위치(예를 들어, 송풍기(132)의 입구와 출구 측 사이의 차압) 및/또는 연료 전지 스택(173)의 캐소드 측에 있는 통로의 임의의 위치에서 차압을 측정하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 스위칭 어셈블리(21a)는, 연료 전지 시스템(10a)이 과열되는 것을 방지하기 위해, 하나 이상의 과열(over-temperature) 스위치 유닛(230 및 240)을 포함할 수 있다. 과열 스위치 유닛(230 및 240) 각각은, 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 그 근처의 특정 위치(예를 들어, 도 2B의 34 또는 44)에서 온도가 미리 설정된 온도 임계 값보다 높으면 오프 동작되도록 구성된다. 또한, 각각의 압력 스위치 유닛(230, 240)은, 감지된 온도가 미리 설정된 온도 임계 값과 같거나 낮으면 온 동작되도록 구성된다.
하나의 구현예에서, 과열 스위치 유닛(230)은 릴레이 코일(231), 상시 개방 스위치(232) 및 과열 스위치(233)를 사용하여 구현될 수 있다.
과열 스위치 유닛(230)은, 과열 스위치(233)를 사용하는 것을 제외하고는, 플로우 스위치 유닛(210)과 실질적으로 동일하거나 유사하다. 따라서 중복 설명은 간략화를 위해 생략한다.
과열 스위치(233)는, 특정 위치(예 :도 2b의 34 또는 44)에서 감지된 온도에 따라 열리거나 닫히도록 구성될 수 있다. 과열 스위치(233)가 열리거나 닫히면, 전체 과열 스위치 유닛(230)이 오프 또는 온 동작된다.
하나의 구현예에서, 과열 스위치(233)는, 감지된 온도가 미리 설정된 온도 임계 값(예 : 90 ℃)과 같거나 그 보다 높을 때 열리고, 그 온도가 미리 설정된 온도 임계 값 아래로 떨어질 때 닫히도록 설계된 바이메탈 스위치일 수 있다. 본 발명의 예시적인 구현예는 그에 한정되지 않는다. 예를 들어, 미리 설정된 온도 임계 값은 연료 전지 시스템(10a)의 설계에 따라 달라질 수 있지만, 연료 전지 시스템(10a)에서 가연성 혼합물의 자가 점화 온도에 도달해서는 안된다. 예를 들어, 과열 스위치는, 열전대 기반 스위치, 온도 퓨즈 등과 같은 기능면에서 동등하거나 유사한 것으로 대체될 수 있다. 특히, 온도 퓨즈는, 비용면에서 유리한 비-리셋(non-resetting) 기능이 요구되는 상황에서 사용할 수 있다.
과열 스위치 유닛(240)은, 과열 스위치 유닛(230)과 실질적으로 동일하거나 거의 유사하다. 따라서 중복 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 과열 스위치 유닛의 수는, 도 3에 도시된 것에 한정되지 않으며, 예를 들어, 단일 과열 스위치 유닛(230)만이 사용될 수 있거나, 3 개 또는 그 이상의 과열 스위치 유닛이 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
또한, 도 3을 더 참조하며, 스위칭 어셈블리(21a)는, 서로 병렬로 연결된 시간 지연 릴레이 유닛(250) 및 온도 스위치 유닛(260)(또는 애프터 버너 온도 스위치 유닛)을 포함할 수 있다. 이러한 시간 지연 릴레이 유닛(250) 및 온도 스위치 유닛(260)의 예시적인 구성은, 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값 아래로 떨어지면 연료 안전 차단 밸브(110)가 차단되고, 그에 따라 가연성 가스(들), 예를 들어 탄화수소(들), 소비되지 않은 수소 등과 같은 원하지 않는 물질의 방출을 방지하도록 제공된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 것에 더하여, 애프터 버너 유닛(180)은, 특정 온도에서 과잉 공기를 갖는 원하지 않는 물질을 직접 연소하도록 구성될 수 있거나, 과잉 공기를 갖는 원하지 않는 물질을 접촉 산화 또는 연소시키기 위한 촉매 베드(미도시)를 포함할 수 있다.
온도 스위치 유닛(260)은, 애프터 버너 유닛(180)의 온도 또는 애프터 버너 촉매베드의 온도가 자동 점화 온도 임계 값과 같거나 그 미만일 때 오프 동작되고, 그렇지 않으면 온도 스위치 유닛(260)이 온 동작되도록 구성된다. 시간 지연 릴레이 유닛(250)은, 연료 전지 시스템(10a)의 전력이 공급되면 온 동작되고, 그리고 설정된 시간이 만료된 후에 오프 동작되도록 구성된다.
앞의 도 3의 모든 스위치 유닛(210 내지 240)이 온 동작된 경우, 시간 지연 릴레이 유닛(250)은, 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 자동 점화 온도 임계 값에 도달하지 않고, 온도 스위치 유닛(260)이 열린 상태로 있는 동안, 임시 전기 연결 경로를 제공하여 전원 노드(120)로부터의 전력이 연료 안전 차단 밸브(110)로 공급될 수 있도록 한다.
온도 스위치 유닛(260) 및 시간 지연 릴레이 유닛(250)은 애프터 버너 스위치 섹션을 구성한다.
예컨대, 도 3 및 도 4a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 시간 지연 릴레이 유닛(250)은, T1에서 T2까지의 기간 동안 터미널 노드(N5 및 N6) 사이의 임시 경로(P1)를 활성화하기 위해, 온 동작된다(도 4a의 410 참조). 이 경우, 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 서서히 상승하여, 시간 지연 릴레이 유닛(250)이 오프 동작되는 T2 이전의 시간(Tab_temp)에 자동 점화 온도 임계 값을 초과하여 상승하면, 온도 스위치 유닛(260)은 시간(Tab_temp)에서 온 동작되어(도 4a의 420 참조), 터미널 노드(N5과 N6)사이의 전기 연결 경로(P2)를 활성화한다. 바꾸어 말하면, T1에서 Tab_temp까지의 기간 동안, 시간 지연 릴레이 유닛(250)을 가로지르는 경로(P1)가 활성화된다. Tab_temp에서 T2까지의 기간 동안, 병렬 경로(P1 및 P2)는 터미널 노드(N5 및 N6) 사이에 활성화된다. T2 이후의 기간 동안, 시간 지연 릴레이 유닛(250)은 오프 동작되고, 따라서 경로(P2)만이 터미널 노드(N5와 N6) 사이에서 활성화된다. 이 경우, 경로(P2)는 연료 안전 차단 밸브(110)에 전력을 공급하기 위한 주(primary) 경로가 된다.
또한, 도 4b에 예시된 바와 같이, 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 기간(T1 내지 T2) 동안에 자동 점화 온도 임계 값에 도달하지 않으면(도 4b의 460 참조), 온도 스위치 유닛(260)이 온 동작되도록 하기 위해, 애프터 버너(180)의 온도가 Tab_temp에 자동 점화 온도 임계 값(예 : 프로판의 경우 455 ℃, 가솔린의 경우 246 ℃ ~ 280 ℃, 경유의 경우 336 ℃, 수소의 경우 500 ℃)에 도달하기까지 경로(P1 및 P2)의 어느 것도 활성화되지 않는다. T2로부터 Tab_temp까지의 기간 동안 연료 안전 차단 밸브(110)에 전원이 공급되지 않아 연료가 연료 전지 시스템(10a)으로 흐르는 것을 차단한다.
전술한 스위칭 구성 및 기능은, 애프터 버너 유닛(180)이 원치 않는 물질을 처리(예를 들어, 소각)할 수 있는 상태에 도달할 때까지 T1에서 T2까지의 과도 시간 동안 연료 전지 시스템(10a)에 연료를 공급하기 위한 메커니즘을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 다시 도 4b를 참조하면, 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 T2 이전에 자동 점화 온도에 도달하지 못한 경우, 온도 스위치 유닛(260)이 Tab_temp에 온 동작될 때까지 원치 않는 물질(199)이 연료 전지 시스템(10a)으로부터 방출되는 것을 방지하기 위해, 애프터 버너 스위치 섹션을 작동하여 연료 안전 차단 밸브(110)의 전원을 차단한다.
다시 도 3을 참조하면, 시간 지연 릴레이 유닛(250)은, 시간 지연 기능을 제공하기 위한 타이머 시작 신호 발생 부분(253)을 사용하는 것을 제외하고는, 플로우 스위치 유닛(220)과 구성 및 기능이 실질적으로 동일하거나 유사한 상시 개방 스위치(252) 및 릴레이 코일(251)을 포함할 수 있다. 중복되는 설명은 간략화를 위해 생략한다. 연료 전지 시스템(10a)에 전원이 공급되면, 타이머 시작 신호 발생 부분(253)은, 예를 들어 고정 저항에 의해 설정된, 그에 따라 조정할 수 없는, 사전 설정 시간(예를 들어, 도 4a의 T1 내지 T2 참조) 동안 시작 신호를 생성할 수 있다. 기간(P1 내지 P2) 동안에 시작 신호를 수신하면, 릴레이 코일(251)에 전원이 공급되어 상시 개방 스위치(252)를 닫아 전기 연결 경로(P1)를 활성화할 수 있다. P2 이후에 타이머 시작 신호가 만료되면, 릴레이 코일(251)은, 상시 개방 스위치(252)를 열린 상태로 유지하도록 전력이 공급되지 않으므로 전기 연결 경로(P1)를 비활성화한다.
여전히 도 3을 참조하면, 온도 스위치 유닛(260)은, 열전대(TC) 장치(263)를 사용하는 것을 제외하고는 그 구성 및 기능이 플로우 스위치 유닛(220)과 실질적으로 동일하거나 유사한, 릴레이 코일(261) 및 상시 개방 스위치(262)를 포함할 수 있다. 간략화를 위해 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 온도 스위치 유닛(260)은, TC 장치(263)의 출력 전압을 입력으로 사용하여 온 동작 또는 오프 동작을 제어할 수 있다. TC 장치(263)(예 : K 유형 TC)는, 애프터 버너 유닛(180) 주변 또는 내부의 온도를 감지하고, 감지된 온도 레벨에 따라 전압을 출력하도록 구성될 수 있다. 고온(예 : 1200 ℃)까지 견딜 수 있는 모든 유형의 온도 측정 장치는 TC 장치(263)를 대체할 수 있다.
릴레이 코일(261)은, TC 장치(263)로부터 출력되는 전압이 미리 설정된 전압 임계 값을 초과할 때, 전력을 공급받아 상시 개방 스위치(262)를 닫아서 전기 연결 경로(P2)를 활성화할 수 있다. TC 장치(263)에서 출력되는 전압이 미리 설정된 전압 임계 값 미만인 경우, 릴레이 코일(261)의 전원이 부족하여 상시 개방 스위치(262)를 개방하고, 전기 연결 경로(P2)를 비활성화할 수 있다.
예를 들어, 온도 스위치 유닛(260)은, TC 기기가 측정한 온도가 미리 설정된 온도 임계 값보다 높을 때 온 동작되도록 구성될 수 있다. TC 기기(263)가 애프터 버너 유닛(180) 내부의 온도를 측정하는 경우, TC 기기가 측정한 온도는 애프터 버너 유닛(180)의 내부 온도에 해당할 수 있으므로, 미리 설정된 온도 임계 값은 애프터 버너 유닛(180)의 점화 온도(예를 들어, 프로판의 경우 455 ℃)와 같거나 그 이상으로 설정될 수 있다. TC 기기가 애프터 버너 유닛(180) 주변의 온도를 측정하는 경우, TC 기기 측정 온도는 애프터 버너 유닛(180)의 내부 온도보다 낮을 수 있으며, 예를 들어, 프로판의 경우, 애프터 버너 유닛(180)의 내부 온도가 점화 온도(예 : 455 ℃)에 도달할 때 TC 장치 측정 온도가 250 ℃가되므로, 온도 스위치 유닛(260)은, TC 장치 측정 온도가 250 ℃(예 : 프로판의 경우 사전 설정된 온도 임계 값은 250 ℃) 와 같거나 그 이상일 때, 온 동작되도록 구성될 수 있다.
스위치(213, 223, 233, 243, 263)는 각각, 감지 부(미도시)와 스위칭 부(미도시)를 포함하며, 예를 들어, 감지 부는 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 근처의 특정 관심 위치에 분리되어 배치되고, 스위칭 부는 스위칭 어셈블리(21a)에 개별적으로 조립되며, 다른 예에서, 스위치는 연료 전지 시스템(10a) 내부 또는 근처에 전체로서 배치될 수 있다.
또한, 도 3의 온도 스위치 유닛(260) 및 시간 지연 릴레이 유닛(250)을 포함하는 스위치 유닛(210 내지 240) 및 애프터 버너 스위치 유닛(250)의 배열된 순서가 예시일 뿐이라는 것이 주목된다. 이들은 도 3에 도시된 것과 다른 임의의 순서로 배열 및 연결될 수 있다.
도 3을 더 참조하면, 모든 스위치 유닛(210 내지 240) 및 온도 스위치 유닛(260)과 시간 지연 릴레이 유닛(250) 중 어느 하나가 온 동작되면, 전원 노드(120)와 연료 안전 차단 밸브(110) 사이의 전기적 연결이 설정되어, 연료 전지 시스템(10a)에 연료를 공급한다. 연료 전지 시스템(10a)의 안전과 관련된 모든 환경 조건이 각각의 안전 요건을 충족하면, 모든 스위치 유닛(210 ~ 240)이 온 동작된다.
그러나, 적어도 하나의 환경 조건이 해당 요건을 충족하지 못하면, 해당 스위치 장치가 오프 동작되고 전원 노드(120)와 연료 안전 차단 밸브(110) 사이의 전기적 연결이 비활성화되어, 연료 전지 시스템(10a)으로 연료 공급이 차단된다.
하나의 구현예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭 어셈블리(21a)는, 각각 스위치 유닛(210 내지 240 및 260) 가운데 대응하는 하나의 동작 상태를 나타내는, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)를 제공한다. 따라서, 그 피드백 신호(FS1 내지 FS5)에 기초하여, 시스템 또는 사용자는, 스위치 유닛(210 내지 240 및 260)의 선형 체인(linear chain)에 고장이 발생하는지 여부 그리고/또는 고장이 발생한 위치를 결정할 수 있다. 이 특징은, 고장 발생시에, 시스템 또는 사용자가 고장 진단하는 데 도움을 준다. 하나의 구현예에서, 스위칭 어셈블리(21a)는, 고장 진단 섹션(290)을 포함한다. 그 고장 진단 섹션(290)은, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)를 수신할 수 있다. 그 고장 진단 섹션(290)은, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)에 대해 수집된 정보를 저장하는 메모리(미도시)를 포함할 수 있고, 사용자에게 그 정보를 표시할 수 있고, 그리고 및/또는 하나 이상의 프로세서(미도시)를 사용하여 수집된 정보를 처리하여 고장이 발생한 위치를 찾아낼 수 있다.
도 3 및 도 5에 더 도시된 바와 같이, 스위치 유닛(210)이 오프 동작되면, 스위치 유닛(210)을 통해 전류가 흐를 수 없기 때문에, 다음의 다른 스위치 유닛들(220 내지 240 및 260)의 각각의 스위칭 상태에 관계없이, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)가 제공되지 않는다. 도 5에 도시된 문자 "X"는, 해당 스위치 유닛의 스위칭 상태가 온 동작 또는 오프 동작될 수 있는 경우를 나타낸다. 또한 스위치 유닛(210)이 온 동작되고 스위치 유닛(220)이 오프 동작되면, 스위치 유닛(220)을 통해 전류가 흐르지 않기 때문에, 피드백 신호(FS1)는 제공되지만, 다음의 다른 스위치 유닛(230, 240 및 260)의 각각의 스위칭 상태에 관계없이, 피드백 신호(FS2 ~ FS5)는 제공되지 않는다. 유사하게, 스위치 유닛(210, 220)이 온 동작되고 스위치 유닛(230)이 오프 동작되면, 스위치 유닛(230)을 통해 전류가 흐를 수 없기 때문에 다음의 다른 스위치 유닛(240, 260)의 각각의 스위칭 상태에 관계없이, 피드백 신호(FS1 및 FS2)는 제공되지만 피드백 신호(FS3 내지 FS5)는 제공되지 않는다. 또한, 스위치 유닛(210 내지 230)이 온 동작되고 스위치 유닛(240)이 오프 동작되면, 스위치 유닛(240)을 통해 전류가 흐를 수 없기 때문에 다음의 다른 스위치 유닛(260)의 각각의 스위칭 상태에 관계없이, 피드백 신호(FS1 ~ FS3)는 제공되지만, 피드백 신호(FS4 및 FS5)가 제공되지 않는다. 나아가, 스위치 유닛(210 ~ 240)이 온 동작되고 스위치 유닛(260)은 오프 동작되면, 스위치 유닛(260)을 통해 전류가 흐르지 않기 때문에, 피드백 신호(FS1 ~ FS4)는 제공되지만, 피드백 신호(FS5)는 제공되지 않다. 마지막으로, 스위치 유닛(210 내지 240 및 260)이 온 동작되면, 피드백 신호 (FS1 내지 FS5)가 제공된다.
따라서, 예를 들기만 하는 것으로서, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)를 수신하지 못하는 경우, 고장 진단 섹션(290)의 프로세서(미도시) 또는 사용자는, 스위치 유닛(210)이 오프 동작된 것으로 판단하여, 공기 유량과 관련된 부품(예 : 도 2b의 30a)를 체크할 수 있다. 유사하게, 프로세서 또는 사용자는, 피드백 신호(FS1)만 수신하면 스위치 유닛(220)이 오프 동작된으로 판단하여, 차압과 관련된 부분(예를 들어, 도 2b의 31a 또는 31b)을 체크할 수 있다. 또한, 프로세서 또는 사용자는, 피드백 신호(FS1 및 FS2)만을 수신하면, 스위치 유닛(230)이 오프 동작된 것으로 판단하여, 과열과 관련된 부분(예 :도 2b의 44)을 체크할 수 있다. 더 나아가, 프로세서 또는 사용자는 피드백 신호(FS1 내지 FS3)만을 수신하면, 스위치 유닛(240)이 꺼진 것으로 판단할 수 있으며, 이에 따라 과열과 관련된 부분(예 : 도 2b의 34)을 체크할 수 있다. 더 나아가, 피드백 신호(FS1 내지 FS4)만을 수신하면, 프로세서 또는 사용자는 스위치 유닛(260) 및 시간 지연 유닛(250)이 오프 동작된 것으로 판단할 수 있고, 따라서 애프터 버너 온도 및/또는 시간 지연 유닛(250) 자체와 관련된 부분(예를 들어, 도 2b의 32)을 체크할 수 있다. 마지막으로, 피드백 신호(FS1 내지 FS5)를 모두 수신하면, 프로세서 또는 사용자는, 연료 전지 시스템(10a)이 연료 소모 장치(10a)의 안전성에 관한 요건을 충족시키면서 작동하는 것으로 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 연료 전지 시스템(10a)의 안전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
이제 도 3 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 안전 제어 방법은, 공기 송풍기(예 : 730)를 동작시키는 단계(S600); 및 전원 노드(예를 들어, 120)로부터 플로우 스위치 유닛(예를 들어, 210)의 입력 노드(예를 들어, 도 3의 N1)로 전력을 제공하는 단계(S601);를 포함한다. 또한, 연료 전지 시스템(10a)의 특정 위치(예를 들어,도 2b의 30a)에서 희석 공기량과 관련된 공기 유량이 미리 설정된 유량 요건을 충족하는지 여부를 플로우 스위치 유닛에서 판단한다(S603). 하나의 구현예에서, 본 발명의 방법은, 단계(S601)와는 별개로, 본 발명의 방법은, T1(도 4a 참조)에서 시간 지연 릴레이 유닛(예를 들어, 250)의 작동을 시작하여 양 단자 단부(예를 들어, N5 및 N5) 사이의 전기적 연결을 활성화하는 단계를 포함한다(S602). 시간 지연 릴레이 유닛의 시간 지연은, 터미널 엔드(예 : N5 및 N6) 사이의 연결을 비활성화하기 위해 T2(도 4a 참조)에서 종료된다. 하나의 구현예에서, 미리 설정된 유량 요건은, 위치(예를 들어, 30a)에서의 공기 유량이 미리 설정된 공기 유량 임계 값보다 높은 것을 포함한다. 공기 유량이 미리 설정된 공기 유량 요건을 충족하면[예(YES)]), 유량 스위치 유닛(예 : 210)이 온 동작되고 전원 노드(120)로부터 공급된 전력이 압력 스위치 유닛(예 : 230)의 입력 노드(예 : N3)에 전해진다(S604). 공기 유량이 미리 설정된 유량 요건을 충족하지 않으면[아니오(NO)], 플로우 스위치 유닛이 오프 동작되고, 연료 안전 차단 장치로의 전력 공급이 차단되고(S622), 연료 전지 시스템(10a)으로의 연료 공급이 중지된다(S624).
나아가, 본 발명의 방법은, 연료 전지 시스템(10a)의 특정 위치(예를 들어, 도 2b의 31a 및 31b) 사이의 차압이 미리 설정된 압력 요건을 충족시키는 지 압력 스위치 유닛에서 결정하는 단계(S606)를 포함한다. 하나의 구현예에서, 미리 설정된 압력 요건은, 두 개의 분리된 위치(31a 및 31b) 사이의 차압이 미리 설정된 차압 임계 값보다 낮다는 것을 포함한다.
감지된 압력이 미리 설정된 압력 요건을 충족하면[예(YES)], 압력 스위치 유닛이 온 동작되고, 전원이 과열 스위치 유닛(예 : 230)의 입력 노드(예 : N4)로 전해진다(S608). 감지된 압력이 압력 요건을 충족하지 못하는 경우[아니오(NO)], 압력 스위치 유닛이 오프 동작되고 연료 안전 차단 밸브(110)로의 전력이 차단되고(S622) 연료 전지 시스템(10a)으로의 연료 공급이 중지된다(S624).
더 나아가, 본 발명의 방법은, 연료 전지 시스템(10a)의 특정 위치(예를 들어, 도 2b의 34)의 온도가 미리 설정된 온도 요건을 충족하는지 여부를 과열 스위치 유닛에서 결정하는 단계(S610)를 포함한다. 하나의 구현예에서, 미리 설정된 온도 요건은 위치(예를 들어, 34 또는 44)에서 감지된 온도가 미리 설정된 온도 임계 값 미만이라는 것을 포함한다.
위치(44)는 배기/희석 공기 혼합물이 연료 전지 시스템(10a)의 박스를 떠나기 전에, 연료 전지 시스템(10a)이 고온 배기/희석 공기 혼합물을 배출하는 곳일 수 있다. 위치(34)는 CPOX 유닛(195)에 대한 유입구 매니폴드에 해당할 수 있다.
예를 들어, 사전 설정된 온도 임계 값은, 재료에 대한 특정 온도 제한을 고려하여 90 ℃로 설정될 수 있다. 그러나, 사전 설정된 온도 임계 값은, 예를 들어 판금의 경우 온도를 80 ℃ 미만으로 유지해야 하는 접촉 안전 위험(safety touch hazard)을 고려하여 80 ℃℃ 낮출 수 있으며, 다른 재료의 경우 피부로 열을 얼마나 빨리 전달할 수 있는지에 따라 더 낮게 유지해야 한다.
감지된 온도가 미리 설정된 온도 요건을 충족하면[예(YES)], 과열 스위치 유닛이 온 동작되고, 시간 지연 릴레이 유닛(250) 및 온도 스위치 유닛(260)을 포함한 애프터버너 스위칭 섹션의 입력 노드(예 : N5)로 전력이 전해진다(S612). 감지된 온도가 사전 설정된 온도 요건(NO)을 충족하지 않는 경우[아니오(NO)], 예를 들어, 온도가 미리 설정된 온도 임계 값과 같거나 그 이상이면 과열 스위치 유닛이 오프 동작되어, 연료 안전 차단 밸브(110)로의 전원이 차단되고(S622), 그리고 연료 전지 시스템(10a)으로 연료 공급이 정지한다(S624).
더 나아가, 본 발명의 방법은, 시간-지연 릴레이 유닛(250)에 의한 시간 지연이 여전히 실행되는지 여부를 결정하는 단계(S614)를 더 포함한다. 시간 지연이 실행되면[예(YES)], 본 발명의 방법은 연료 안전 차단 밸브(110)의 전원 입력 노드(예를 들어, 도 2B의 N110)에 전력을 제공하는 단계(S616) 및 연료 전지 시스템(10a)에 연료를 공급하는 단계(S618)로 진행한다. 그러나, 시간 지연 릴레이 유닛에 의한 시간 지연이 실행되지 않으면[아니오(NO)], 본 발명의 방법은 애프터 버너 유닛(180)의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 요건을 충족하는지 판단하기 위해 단계(S620)로 진행한다. 하나의 구현예에서, 미리 설정된 애프터 버너 온도 요건은, 애프터 버너 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값(예를 들어, 자동 점화 온도)과 같거나 그 이상인 것을 포함한다. 감지된 애프터 버너 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 요건을 충족하면[예(YES)], 본 발명의 방법은 단계(S616 및 S618)로 진행하여 연료 전지 시스템(10a)에 연료를 공급한다. 또한, 감지된 애프터 버너 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 요건을 충족하지 못하는 경우[아니오(NO)], 본 발명의 방법은 단계(S622 및 S624)로 진행하여 연료 전지 시스템(10a)으로의 연료 공급을 중지한다.
본 발명은 그 정신 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않는, 다른 특정 형태의 구현예를 망라한다. 따라서, 전술한 구현예는 여기에 설명된 본 발명을 제한하기 보다는 모든 측면에서 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 표시되며, 청구 범위와 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 본 발명에 포용되는 것으로 의도된 것이다.

Claims (25)

  1. 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템으로서,
    전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부;
    상기 연료 소모 장치의 연료 안전 차단 밸브의 입력 전원 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부,
    상기 제1 단부와 제2 단부 사이에 직렬로 연결되고, 각각 상기 연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 대응하는 하나에 기초하여 온 동작되거나 또는 오프 동작되도록 구성된 하나 이상의 스위치 유닛,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 하나에 직렬로 연결되고, 제1 시간부터 제2 시간까지 미리 정해진 시간 동안 온 동작되고 상기 제2 시간 후에 오프 동작되도록 구성된 시간 지연 릴레이 유닛, 및
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 상기 하나에 직렬로 연결되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛에 병렬로 연결되며, 상기 연료 소모 장치의 애프터 버너 유닛의 온도에 기초하여 온 동작되거나 오프 동작되도록 구성된 온도 스위치 유닛,을 포함하여 구성되고,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면, 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 비활성화되어, 상기 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하고,
    상기 모든 스위치 유닛이 온 동작되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 온 동작될 때, 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 활성화되어, 상기 전원 노드로부터 상기 연료 안전 차단 밸브로 전력을 제공하는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛이, 하나 이상의 전기 기계식 스위치로 구현되는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애프터 버너 유닛의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값을 초과하면, 상기 온도 스위치 유닛이 온 동작되도록 구성된, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모든 스위치 유닛이 온 동작되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작될 때. 상기 온도 스위치 유닛이 온 동작되면 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 활성화되고, 상기 온도 스위치 유닛이 오프 동작되면, 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 비활성화되는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모든 스위치 유닛이 온 동작될 때, 상기 제2 시간 이전에 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고, 상기 온도 스위치 유닛이 온 동작되어, 상기 제1 및 제2 단부 사이의 전기 연결 경로가 연결 해제 없이 활성화된 상태로 유지되는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 모든 스위치 유닛이 온 동작될 때, 상기 제2 시간 후 제3 시간에 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고, 상기 온도 스위치 유닛이 온 동작되어, 상기 전기 연결 경로가 제2 시간과 제3 시간 사이의 기간 동안 비활성화되고, 상기 제3 시간 후에 다시 활성화되는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 환경 조건이 공기 유량, 압력 및 온도를 포함하여 구성되는. 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛이 플로우 스위치 유닛이고; 상기 플로우 스위치 유닛이 상기 연료 소모 장치의 제1 위치에서 감지된 공기 유량이 제1 사전 설정 요건을 충족하는지 여부에 기초하여 온 동작되거나 오프 동작되도록 구성되는 제1 기계 전기식 스위치를 포함하는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛이 압력 스위치 유닛이고; 상기 압력 스위치 유닛이 상기 연료 소모 장치의 분리된 두 위치 사이의 차압이 제2 사전 설정 요건을 충족하는지 여부에 따라 온 동작 또는 오프 동작되도록 구성된 제2 전기 기계식 스위치를 포함하는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분리된 두 위치가 각각, 상기 연료 소모 장치의 공기 송풍기의 유입구 및 유출구 위치에 대응하는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛이 과열 스위치 유닛이고; 상기 과열 스위치 유닛이 상기 연료 소모 장치의 제3 위치에서 감지된 온도가 제3 사전 설정 요건을 충족하는지 여부에 따라 온 동작 또는 오프 동작되는 제3 전기 기계식 스위치를 포함하는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 사전 설정 요건이, 상기 제3 위치에서 감지된 온도가 사전 설정 온도 임계 값보다 높은 것을 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치를 위한 안전 제어 시스템.
  15. 제1항의 안전 제어 시스템을 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    연료 연소 장치, 연료 개질기 및 연료 전지 시스템 중 하나 이상을 더 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 연료가 액체 연료 및 기체 연료를 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치.
  18. 연료 소모 장치의 안전 제어 방법에 있어서,
    전원 노드에 전기적으로 연결된 제1 단부와 연료 안전 차단 밸브의 전원 입력 노드에 전기적으로 연결된 제2 단부를 갖는 스위칭 어셈블리를, 상기 연료 소모 장치의 전원 노드와 연료 안전 차단 밸브 사이에, 제공하는 단계;
    연료 소모 장치의 하나 이상의 환경 조건 중 해당하는 하나에 기초하여, 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에 직렬로 연결된 하나 이상의 스위치 유닛 각각을 온 동작 또는 오프 동작시키는 단계;
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 하나에 직렬로 연결되고, 제1 시간부터 제2 시간까지 미리 정해진 시간 동안 온 동작되고 상기 제2 시간 후에 오프 동작되도록 구성된 시간 지연 릴레이 유닛을 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 상기 하나에 직렬로 연결되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛에 병렬로 연결되며, 상기 연료 소모 장치의 애프터 버너 유닛의 온도에 기초하여 온 동작되거나 오프 동작되도록 구성된 온도 스위치 유닛을 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 스위치 유닛 중 적어도 하나가 오프 동작되면 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 비활성화하는 단계;
    상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결이 비활성화되면 연료 저장소로부터 상기 연료 소모 장치로의 연료 공급을 중지하는 단계;
    상기 모든 스위치 유닛이 온 동작되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 온 동작될 때, 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 활성화하는 단계; 및
    상기 전기 연결 경로가 활성화되면 상기 전원 노드로부터 상기 연료 안전 차단 밸브로 전력을 제공하는 단계;를 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위치 유닛이 하나 이상의 전기기계식 스위치로 구현되는, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
  20. 삭제
  21. 제18항에 있어서,
    상기 애프터 버너 장치의 온도가 미리 설정된 애프터 버너 온도 임계 값을 초과하면, 상기 온도 스위치 유닛을 온 동작시키는 단계를 더 포함하여 구성되는. 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
  22. 삭제
  23. 제18항에 있어서,
    상기 모든 스위치 유닛이 모두 온 동작되고, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작될 때, 상기 온도 스위치 유닛이 온 동작되면 상기 제1 단부와 제2 단부 사이의 전기 연결 경로를 활성화하는 단계; 및
    상기 온도 스위치 유닛이 오프 동작되면, 상기 전기 연결을 비활성화하는 단계;를 더 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 스위치 유닛이 모두 온 동작될 때, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고 상기 온도 스위치 유닛이 상기 제2 시간 전에 온 동작되어, 상기 전기 연결 경로가 연결 해제 없이 활성화를 유지하는 단계를 더 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 스위치 유닛이 모두 온 동작될 때, 상기 시간 지연 릴레이 유닛이 오프 동작되고 상기 온도 스위치 유닛이 상기 제2 시간 후의 제3 시간에 온 동작되어, 상기 제2 시간과 제3 시간 사이의 기간 동안 상기 전기 연결 경로를 비활성화하고, 상기 제3 시간후에 상기 전기 연결을 다시 활성화하는 단계를 더 포함하여 구성되는, 연료 소모 장치의 안전 제어 방법.
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