KR20140025035A

KR20140025035A - 연료전지 시동 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140025035A
Application number: KR1020120091063A
Authority: KR
Inventors: 오동조; 이종현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-03-04
Also published as: DE102012222819A1; US20140057189A1; JP2014041808A; US9160017B2; CN103633349A

Abstract

본 발명은 연료전지 시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에 탑재된 고전압배터리의 방전과 같은 비상 상황시, 고전압 전원의 어시스트없이도 연료전지 차체로 시동을 걸 수 있도록 한 연료전지 시동 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급라인에 비상용 공기공급기를 체결시킬 수 있는 공기공급포트를 형성하고, 고전압 배터리의 완전 방전시 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 비상용 공기공급기를 공기공급포트에 분리 가능하게 체결시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시동 장치 및 방법{FUEL CELL START UP WITHOUT HIGH VOLTAGE ASSISTANCE}

본 발명은 연료전지 시동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에 탑재된 고전압배터리의 방전과 같은 비상 상황시, 고전압 전원의 어시스트없이도 연료전지 차체로 시동을 걸 수 있도록 한 연료전지 시동 방법에 관한 것이다.

최근, 고유가 및 CO₂규제로 인하여 완성차 업계는 수소 연료전지 전기차 및 순수 전기차 등과 같은 친환경 차량 개발에 총력을 기울이고 있다.

친환경 차량 중, 수소 연료전지 전기차는 수소와 공기의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 이용하여 모터를 구동시켜 차량의 주행을 도모하는 차량으로서, 연료전지 스택에 수소와 공기의 원할한 공급을 위하여 고전압 단품(예를 들어, 공기블로워, 펌프 등)이 사용되고 있고, 또한 연료전지 시동시에도 고전압 전기를 공급할 수 있는 고전압 부품을 이용하고 있다.

일반 내연기관 차량(가솔린,디젤)의 경우에는 저전압 배터리가 방전되었을때 저전압 배터리에 전원을 공급하여(점프 스타트) 시동을 용이하게 걸 수 있지만, 친환경 전기자동차의 경우 고전압 배터리의 방전시 특별한 대처법이 없는 상태이다.

즉, 순수 전기차의 일종인 연료전지 차량의 경우, 고전압 배터리나 슈퍼 캐패시터를 이용하여 연료전지 시동시 고전압 전기를 공급하는데, 배터리가 방전되거나 이상이 발생했을 때에는 시동이 불가능한 문제점이 존재한다.

이에, 최근 순수 전기 자동차의 고전압 배터리 완전 방전으로 인해 차량이 구동 불가 상태에 이르러, 소비자가 큰 불편을 겪고 있을 뿐만 아니라 막대한 수리 비용을 지불하는 사태가 종종 발생되고 있다.

또한, 정치형 연료전지의 경우, 고전압 배터리보다 고전압 파워 서플라이를 사용하여 시동시 고전압을 공급하는데, 고전압 파워 서플라이의 고장시나 정전시에 시동이 불가능한 단점이 있고, 건물 정전시 UPS(uninterruptible power supply)를 비상 전원으로 사용하기 어려워 사용이 제약된다.

이렇게 수소 연료전지 전기차 및 순수전기차, 하이브리드 전기차 등의 고전압 배터리가 방전되면 재시동이 불가능한 점을 감안하여, 재시동을 위한 몇가지 방안으로서 고전압 충전 포트를 제안하였으나, 투자비 과대 및 패키징상의 이유로 채택되지 못하고 있는 실정에 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량에 탑재된 고전압 배터리 등과 같은 고전압 전원이 방전된 비상 상태에서도 고전압 전원의 어시스트 없이 연료전지 자체로 시동을 걸 수 있도록 한 연료전지 시동 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급라인에 비상용 공기공급기를 체결시킬 수 있는 공기공급포트를 형성하고, 고전압 배터리의 완전 방전시 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 비상용 공기공급기를 공기공급포트에 분리 가능하게 체결시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 비상용 공기공급기는 공기블로워의 입구라인에 탈거 가능하게 장착되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 비상용 공기공급기는 압축공기가 충진된 압축공기 실린더 또는 봄베, 저전압 전원으로 작동하는 팬 중 선택된 어느 하나로 채택된 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기블로워의 입구라인에 수동 또는 자동 제어식 개폐밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 고전압 배터리가 완전히 방전되는 비상 상황시, 공기블로워의 입구라인에 형성된 공기공급포트에 비상용 공기공급기를 체결하는 단계와; 비상용 공기공급기내의 압축공기가 연료전지 스택의 공기극으로 공급되는 단계와; 연료전지 스택의 공기극으로 공급된 공기와, 연료극으로 공급된 수소의 전기 화학적 반응에 의하여 연료전지 스택의 전기 생산이 이루어지는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 방법을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 차량의 고전압 배터리가 방전된 비상 상태에서도 비상용 공기공급기를 공기공급라인에 원터치 체결방식으로 체결시키는 간단한 조치만으로 연료전지의 시동을 걸 수 있도록 함으로써, 연료전지 차량의 고전압 배터리 완전 방전시 운전자가 직접 현장 조치가 가능하여 연료전지 차량의 편의성, 상품성, 안전성 등을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시동 장치를 나타내는 개략도,
도 2는 종래의 연료전지 시동 장치를 나타내는 개략도,
도 3은 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템 구성을 설명하는 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 수소 연료전지 전기차에 탭재되는 연료전지 시스템 구성을 살펴보면 다음과 같다.

연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하도록 공기블로워 및 가습기를 포함하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함한다.

첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료공급 시스템(20)은 연료전지 스택(10)의 연료극에 수소를 공급하기 위한 수소탱크(21)와, 스택에서 반응을 마친 일부 수소를 재공급하기 위한 수소공급블로워(22) 등을 포함하여 구성되고, 상기 공기공급 시스템(30)은 외기로부터 이물질을 필터링하는 필터(31)와, 필터링된 공기를 흡입하는 공기블로워(32)와, 건조공기를 가습시켜 스택(10)의 공기극에 공급하는 가습기(33) 등을 포함하여 구성되며, 상기 열 및 물관리 시스템(40)은 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구측으로부터 입구측 방향을 따라 물펌프(41), 전동식 써모스탯, 라디에이터(42) 등이 순차적으로 배치된 구성을 갖는다.

특히, 상기 연료전지 시동을 위하여 공기블로워(32) 등과 같은 고전압 단품 등이 작동되어야 하며, 이를 위해 각 고전압 단품에 전원을 공급하기 위하여 고전압 배터리(50)나 슈퍼 캐패시터 등과 같은 고전압 전원공급수단이 탑재되고 있다.

이때, 수소공급블로워(22)를 비롯한 물펌프(41) 등은 12V 보조배터리(미도시됨)의 전원을 이용하게 되므로, 시동시 작동에 문제가 없다.

그러나, 전술한 바와 같이 고전압 배터리(50)가 완전 방전되거나 이상이 발생했을 경우에는 공기블로워(33) 등이 작동되지 못하게 되므로, 연료전지 시동이 불가능한 상태가 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 고전압 배터리(50)가 완전히 방전되는 상태를 대비하여, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 고전압 배터리(50)에 외부전원을 공급 충전하기 위한 외부 충전포트(52)를 연료전지 차량에 장착하고, 외부 충전포트(52)를 통하여 고전압 배터리(50)를 충전한 후, 고전압 공급 장치(54)를 구동시키는 방안이 모색되었으나, 외부 충전포트(52)의 개발비가 많이 들고, 장착을 위한 설계 및 패키징이 어려운 이유로 채택되지 못하고 있는 실정에 있다.

이에, 고전압 배터리(50)의 방전에 따른 연료전지 비상시 시동 방안이 요구되고 있다.

이를 위해, 본 발명은 고전압 배터리(50)의 방전시 고전압 배터리(50)의 전원을 필요로 하는 공기블로워 대신 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 비상용 공기공급기를 제공하는데 주된 목적이 있다.

첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비상용 공기공급기(60)는 연료전지 스택의 공기극 입구 위치, 바람직하게는 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 탈거 가능하게 장착되는 것으로서, 압축공기가 충진된 압축공기 실린더 또는 봄베, 저전압 전원(예를 들어, 배터리)으로 작동하는 팬 등을 사용할 수 있다.

또한, 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에는 비상용 공기공급기(60)를 통상의 원터치 체결 방식(예를 들면, 휴대용 가스렌지에 부탄가스통을 체결하는 방식 등)으로 체결할 수 있는 공기공급포트(62)가 형성된다.

바람직하게는, 상기 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 수동 또는 자동 제어식 개폐밸브(64)를 더 장착하여, 평상시에는 닫아주고, 비상용 공기공급기(60)의 체결시 공기 공급을 위하여 열어줄 수 있도록 한다.

여기서, 상기한 구성을 기반으로 하는 본 발명의 연료전지 시동 방법을 설명하면 다음과 같다.

고전압 배터리(50)의 충전량이 정상 상태로 유지되는 경우에는 공기블로워(33)가 고전압 배터리(50)를 전원으로 하여 정상 가동되므로, 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 장착된 개폐밸브(64)를 닫힘으로 유지시킨다.

고전압 배터리(50)가 완전히 방전되는 비상 상황시에는 공기블로워(33)를 통하여 연료전지 스택(10)에 한시적으로 공기를 공급하기 위하여, 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 형성된 공기공급포트(62)에 비상용 공기공급기(60)를 체결한 다음, 개폐밸브(64)를 열어준다.

즉, 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 형성된 공기공급포트(62)에 압축공기가 충진된 압축공기 실린더 또는 봄베, 저전압 전원으로 작동하는 팬을 선택적으로 체결시키되, 상기와 같이 통상의 원터치 체결 방식으로 체결시킨다.

따라서, 비상용 공기공급기(60)내의 압축공기가 공기블로워(33) 및 가습기를 그대로 통과하여 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급된다.

이때, 차량내 탑재되는 12V 보조배터리를 전원으로 하여 수소공급블로워(22) 등이 가동되어, 수소탱크내의 수소가 연료전지 스택(10)의 연료극으로 공급된다.

따라서, 수소와 공기의 전기 화학적 반응을 이용하여 연료전지 스택에서 전기를 생산하게 된다.

즉, 상기 연료전지 스택의 연료극에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

이때, 연료전지 스택에서 생성된 고전압을 고전압 공급장치를 통하여 고전압 단품인 공기블로워(33)로 공급함으로써, 공기블로워(33)가 정상적으로 구동될 수 있다.

이렇게 연료전지 정상 시동후, 비상용 공기공급기(60)를 탈거시키는 동시에 개폐밸브(64)를 닫아주고, 필요시 비상용 공기공급기(60)는 재사용할 수 있다.

이와 같이, 고전압 배터리의 방전시에도 비상용 공기공급기를 이용하여, 연료전지의 시동 즉, 연료전지 스택의 전기 생산이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지 차량의 고전압 배터리 완전 방전시 현장 조치가 가능하여 연료전지 차량의 편의성, 상품성, 안전성 등을 향상시킬 수 있다.

10 : 연료전지 스택
20 : 연료공급 시스템
21 : 수소탱크
22 : 수소공급블로워
30 : 공기공급시스템
31 : 필터
32 : 공기블로워
33 : 가습기
40 : 열 및 물관리 시스템
41 : 물펌프
42 : 라디에이터
50 : 고전압 배터리
52 : 외부 충전포트
54 : 고전압 공급 장치
60 : 비상용 공기공급기
62 : 공기공급포트
64 : 개폐밸브

Claims

연료전지 스택(10)의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급라인에 비상용 공기공급기(60)를 체결시킬 수 있는 공기공급포트(62)를 형성하고, 고전압 배터리의 완전 방전시 연료전지 스택(10)에 공기를 공급하기 위한 비상용 공기공급기(60)를 공기공급포트(62)에 분리 가능하게 체결시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 비상용 공기공급기(60)는 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 탈거 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 비상용 공기공급기(60)는 압축공기가 충진된 압축공기 실린더 또는 봄베, 저전압 전원으로 작동하는 팬 중 선택된 어느 하나로 채택된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 수동 또는 자동 제어식 개폐밸브(64)가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 장치.
고전압 배터리(50)가 완전히 방전되는 비상 상황시, 공기블로워(33)의 공기입구라인(34)에 형성된 공기공급포트(62)에 비상용 공기공급기(60)를 체결하는 단계와;
비상용 공기공급기(60)내의 압축공기가 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급되는 단계와;
연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급된 공기와, 연료극으로 공급된 수소의 전기 화학적 반응에 의하여 연료전지 스택의 전기 생산이 이루어지는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 비상용 공기공급기(60)는 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공기의 한시적 공급이 가능한 압축공기가 충진된 압축공기 실린더 또는 봄베, 저전압 전원으로 작동하는 팬 중 선택된 어느 하나로 채택되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시동 방법.