KR20090062397A - 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법 - Google Patents

연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 가동 후 셧다운시 스택 내부에 잔존하는 수소를 회수하여 재활용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 차량의 운행을 마친 후 셧다운시 스택 내부에 잔존하는 수소의 에너지를 회수 및 저장하여 이를 재사용할 수 있는 새로운 형태의 잔류 수소 이용시스템을 구현함으로써, 수소 이용률과 에너지 효율을 높일 수 있고, 연료전지 전압을 낮춘 상태로 시동을 정지함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 연료전지차량의 셧다운시 잔존 수소 이용방법을 제공한다.
연료전지차량, 셧다운, 스택, 잔류 수소, 재활용

Description

연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법{Usage method of residual hydrogen gas during shutdown}
본 발명은 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 가동 후 셧다운시 스택 내부에 잔존하는 수소를 회수하여 재활용하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지차량은 다수의 연료전지로 이루어진 스택을 포함하며, 스택에는 양극에 수소, 음극에 공기를 공급하고 냉각을 위한 냉각수를 공급하도록 되어 있으며, 이때의 스택은 위와 같이 제공된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산하도록 되어 있다.
상기 공기는 공기블로어에 의해 대기 중으로부터 흡입된 후, 가습기를 거쳐 스택에 공급되고, 스택으로부터 대기 중으로 다시 방출된다.
상기 수소는 수소탱크로부터 제공되어 레귤레이터를 통과한 후, 압력이 조절된 상태에서 가습기를 거친 다음에 스택으로 공급되고, 상기 스택의 잉여 수소는 재순환블로어에 의해 다시 가습기로 이동되는 재순환 시스템을 이룬다.
이러한 연료전지차량에서 차량 운행 후, 셧다운 방식을 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 키 오프 후(ST100), 고전압 부품의 냉각이 완료된 다음(ST110), 연료전지 릴레이가 오프되고(ST120), 계속해서 연료전지 스톱 단계(ST130) 및 DCDC 스톱 단계(ST140)가 진행되고, 수퍼캡 릴레이가 오프되므로서(ST150), 셧다운이 완료된다.
즉, 릴레이 연결 해제→연료전지 셧다운→ DCDC 셧다운→ 수퍼캡 릴레이 해제의 과정을 통해 셧다운이 완료된다.
기존 연료전지차량의 경우 차량 운행 후, 셧다운시 다음 2가지 방법이 주로 사용된다.
첫째, 양극에 질소를 퍼징하는 방법과 둘째, 양극에 공기를 퍼징하는 방법이 있다.
이러한 방법은 연료전지 스택 내부의 잔존 수소를 이용하지 않고 그냥 없애는 방식이므로, 수소 이용률과 에너지 효율을 떨어뜨리게 된다(1g의 수소 에너지양 = 33 wh).
따라서, 에너지 효율을 높이는 차원에서 셧다운시 스택 내부에 남아 있는 수소 에너지를 재활용하는 방안을 고려할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 가동 후 셧다운시 스택 내부에 잔존하는 수소의 에너지를 회수 및 저장하여 이를 재사용할 수 있는 새로운 형태의 잔류 수소 이용시스템을 구현함으로써, 수소 이용률과 에너지 효율을 높일 수 있고, 연료전지 전압을 낮춘 상태로 시동을 정지함에 따른 안전성을 향상시킬 수 있는 연료전지차량의 셧다운시 잔존 수소 이용방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법은 키 오프 단계, 고전압 부품 냉각 완료를 판단하는 단계, 냉각 완료 후 연료전지를 셧다운시키는 단계, 연료전지 셧다운 후 수퍼캡 릴레이를 오프하는 단계, 수퍼캡 릴레이 오프 후 DCDC를 동작시켜 스택 내부 채널에 존재하는 수소를 에너지 저장장치에 충전하는 단계, 잔류 수소 저장을 완료한 후 DCDC를 셧다운시키는 단계, DCDC 셧다운 후 연료전지 릴레이를 오프시키는 단계 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 DCDC 셧다운 단계를 수행한 후 연료전지 릴레이 오프 단계를 수행하기 전에 연료전지의 전압과 전류를 체크하여, 전류량을 일정 전류(Imax) 이하로 제어하는 단계를 더 수행할 수 있으며, 이에 따라 수소 충전 중 스택 내부의 산소 부족 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 셧다운시 잔류 수소 이용방법은 스택 내부 채널에 존재하는 수소량 만큼의 에너지를 재사용함으로써, 에너지 효율 증가 및 연료전지 전압을 낮춰서 시동을 끔으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 연료전지시스템의 에너지 효율 상승을 도모하기 위한 것이다.
연료전지가 가동된 후 셧다운시에는 연료전지 스택 내부에 잔존하는 수소가 있는데, 이 잔존하는 수소의 에너지를 회수하기 위하여 DCDC를 통해 차량의 12V 배터리 또는 그에 상응하는 에너지 저장장치를 충전하면 버리게 되는 수소를 사용할 수 있으므로, 연료전지 스택 내부 채널에 존재하는 수소량 만큼의 에너지를 재사용할 수 있다.
여기서, DCDC 동작 시점에서는 공기 블로워의 작동이 정지되어 스택 음극측에 공기가 공급되지 않는 상태가 될 수 있으므로, 연료전지측에서 큰 전류를 끌어가면 음극측에 국부적으로 산소 부족 현상이 발생할 수 있다.
이러한 국부적 산소 부족 현상을 막기 위해 DCDC를 통해 12V 배터리를 충전 하는 전류량을 일정전류(Imax) 이하로 제어할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법을 나타내는 계통도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 여기서 화살표는 연료전지 셧다운시 에너지 흐름을 보여주고 있으며, 도면부호 10은 연료전지, 11은 MCU, 12는 DCDC, 13은 수퍼캡, 14는 차량 12V 배터리를 각각 나타낸다.
차량 운행을 마친상태에서 먼저 연료전지(10)를 셧다운시킨 다음, 수퍼캡 릴레이(15)를 해제한다.
이 상태에서 DCDC(12)로 에너지 저장장치, 예를 들면 12V 배터리(14)를 충전한다.
이때, 연료전지 스택 내부에 산소 부족이 발생하지 않도록 도 4와 도 5에 맞추어 전류 및 전압을 제어한다.
즉, 12V 배터리를 충전하는 전류량을 일정 전류(Imax) 이하로 제어한다.
계속해서, 12V 배터리가 완전히 충전되거나, 또는 연료전지 스택 내부 채널에 수소가 사라지면 DCDC(12)를 셧다운시킨다.
이때, 내부 채널 수소의 소진을 확인하는 방식은 스택 양극 입출구단 압력(Pmin 이하)을 체크하는 방식, 또는 스택 전체 전압(Vmin 이하)을 체크하는 방식을 이용할 수 있다.
여기서, 상기 일정 전류(Imax), 스택 양극 입출구단 압력(Pmin), 스택 전체 전압(Vmin)의 기준치를 적절히 설정하는 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
다음, 연료전지 스택 내부 채널의 수소가 대부분 사라지면, 즉 스택 양극 입출구단 압력(Pmin)이 설정압력 이하이거나, 또는 스택 전체 전압(Vmin)이 설정압력 이하이면 연료전지 릴레이(16)를 오프시키는 것으로 셧다운시 잔존 수소의 이용을 위한 12V 배터리 충전과정을 완료할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 먼저 차량의 운행을 마친 후 단계 ST200에서는 키 오프 단계를 수행한다.
다음, 키 오프 후 단계 ST210에서는 고전압 부품 냉각 완료를 판단하는 단계를 수행한다.
고전압 부품 냉각을 모두 완료한 상태에서는 다음 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 냉각과정을 지속시킨다.
다음, 고전압 부품에 대한 냉각을 완료 후 단계 ST220에서는 연료전지를 셧다운시키는 단계를 수행하고, 계속해서 연료전지 셧다운 후에는 단계 ST230에서 수퍼캡 릴레이를 오프하는 단계를 수행한다.
다음, 수퍼캡 릴레이 오프 상태에서는 본격적으로 연료전지 스택 내부 채널의 수소를 회수하면서 이를 충전하는 단계를 수행한다.
즉, 단계 ST240에서 DCDC를 동작시켜 스택 내부 채널에 존재하는 수소를 차량 12V 배터리에 충전하는 단계를 수행한다.
한편, 수소 충전 중 스택 내부의 산소 부족 현상을 방지하기 위하여, 상기 DCDC 셧다운 단계(ST250)와 연료전지 릴레이 오프 단계(ST260) 사이에서 연료전지의 전압과 전류를 체크하여 전류량을 일정 전류(Imax) 이하로 제어하는 단계(ST270)를 더 수행할 수 있다.
다음, 잔류 수소 저장을 완료한 후 단계 ST250에서 DCDC를 셧다운시키고, 단계 ST260에서 연료전지 릴레이를 오프시키는 단계를 수행하는 것으로, 차량 셧다운시 수소에너지의 회수를 위한 과정이 모두 완료된다.
도 1은 종래 연료전지차량의 셧다운 방식을 나타내는 순서도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법을 나타내는 계통도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법을 나타내는 순서도
도 4와 도 5는 연료전지 전압과 전류의 제어 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 11 : MCU
12 : DCDC 13 : 수퍼캡
14 : 12V 배터리 15 : 수퍼캡 릴레이
16 : 연료전지 릴레이

Claims (4)

  1. 키 오프 단계(ST200)와, 고전압 부품 냉각 완료를 판단하는 단계(ST210)와, 냉각 완료 후 연료전지를 셧다운시키는 단계(ST220)와, 연료전지 셧다운 후 수퍼캡 릴레이를 오프하는 단계(ST230)와, 수퍼캡 릴레이 오프 후 DCDC를 동작시켜 스택 내부 채널에 존재하는 수소를 에너지 저장장치에 충전하는 단계(ST240)와, 잔류 수소 저장을 완료한 후 DCDC를 셧다운시키는 단계(ST250)와, DCDC 셧다운 후 연료전지 릴레이를 오프시키는 단계(ST260)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 DCDC 셧다운 단계(ST250)와 연료전지 릴레이 오프 단계(ST260) 사이에서는 수소 충전 중 스택 내부의 산소 부족 현상을 방지하기 위하여 연료전지의 전압과 전류를 체크하여, 전류량을 일정 전류(Imax) 이하로 제어하는 단계(ST270)를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 수소를 충전하는 단계(ST240)에서 채널 내부의 수소 소진 확인은 스택 양극 입출구단 압력(Pmin 이하)을 체크하거나, 스택 전체 전 압(Vmin 이하)을 체크하는 방식으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 수소를 충전하는 단계(ST240)에서 사용하는 에너지 저장장치는 차량의 12V 배터리를 사용하거나, 또는 그에 상응하는 별도의 에너지 저장장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 셧다운시 잔류 수소 이용방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109808550A (zh) * 2019-03-15 2019-05-28 常州港华燃气有限公司 一种氢燃料电池模型车的动力控制系统

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