KR20180069306A - 연료전지 차량에 탑재되는 수소차단밸브의 제어 방법 - Google Patents

연료전지 차량에 탑재되는 수소차단밸브의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 수소공급라인에 구비될 수 있는 수소차단밸브의 제어 방법에 관한 것으로서, 수소가 저장된 탱크, 수소공급밸브 및 수소차단밸브를 포함하는 수소공급라인이 탑재된 연료전지차량의 운행 중에 있어서, (a) 상기 수소공급밸브의 인가 듀티를 측정하는 단계; 및 (b) 상기 듀티와 미리 설정된 듀티를 비교하는 단계;를 포함하고, 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 상기 수소공급라인에서 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 포함하는 수소차단밸브 제어 방법에 관한 발명이다.

Description

연료전지 차량에 탑재되는 수소차단밸브의 제어 방법 {The method for controlling of hydrogen cut-off valve}
본 발명은 연료전지 시스템이 탑재된 연료전지 차량에서 연료, 상세하게는 수소가 공급되는 수소공급라인에 있어서, 상기 수소공급라인에 수소공급밸브의 듀티 및 상기 수소공급라인의 라인압에 의해 수소공급라인의 이상 발생 여부를 판단할 수 있으며, 더욱 상세하게는 수소차단밸브의 차단에 의해 수소공급라인에 이상이 발생한 경우, 신속하게 이상 상황을 해소 시킬 수 있는 수소차단밸브의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템, 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.
상기 연료 공급 시스템, 즉 수소 공급계에 구비되는 수소 탱크에는 700bar 정도의 고압 압축 수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축 수소는 수소 탱크 입구부에 장착된 고압 조절기의 온/오프(on/off)에 따라 고압 라인으로 방출된 후, 시동 밸브와 수소 공급 밸브를 거치면서 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.
이 때, 고압의 가스가 연료(수소)로서 사용되며, 따라서 가스를 필요에 따라 저장, 배출하기 위하여 가스의 저장 탱크가 필요하다. 특히 가스는 탱크 내 저장 밀도가 낮기 때문에 고압으로 저장하는 것이 효율적이며 다만 고압으로 인한 폭발의 위험에 노출된다는 단점을 가진다. 특히 대체연료가스 차량은 그 저장 탱크의 탑재 공간이 한정되어 있기 때문에 저장 압력을 고압으로 유지하면서도 안전성을 확보하는 것이 기술의 핵심이다.
나아가, 저장 탱크(탱크)로부터 연료전지 시스템의 스택 사이에는 레귤레이터, 수소차단밸브 및 수소공급밸브들의 밸브 구성과 수소가 흐를 수 있는 배관 및 상기 배관을 피팅하는 여러 지점이 형성될 수 있으며, 유동하는 수소의 기밀 성능은 수소 공급계, 나아가 연료전지 시스템 전체의 안전에 연관된 가장 주요한 성능 중 하나이다. 따라서, 배관을 따라 흐르는 고압 수소의 안전을 위하여 연료전지 시스템의 수소공급라인에는 레귤레이터와 수소공급밸브 사이에 수소차단밸브를 적용할 수 있다.
대한민국 공개특허 10-2004-0003575 (2004. 01. 03)
종래의 연료전지 시스템에 따르면, 수소공급라인에 배치될 수 있는 수소차단밸브의 비정상 폐쇄 여부를 판단하기 위하여는 연료극의 압력을 모니터링하거나, 별도의 판정 수단 및 방법을 필요로 하였다. 그러나 본 발명에 따르면, 수소공급밸브의 개도 정도와 그에 따른 수소공급라인압을 직접 측정하여 수소차단밸브의 비정상 폐쇄 여부를 판단하여 수소차단밸브의 이상상태를 신속히 판단하고자 하며, 나아가 수소가 저장된 탱크와 수소공급밸브 사이의 기타 부품, 구성의 이상 상태 여부까지도 신속히 판단할 수 있는 제어 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 수소가 저장된 탱크, 수소공급밸브 및 수소차단밸브를 포함하는 수소공급라인이 탑재된 연료전지차량의 운행 중에 있어서, (a) 상기 수소공급밸브의 인가 듀티를 측정하는 단계; 및 (b) 상기 듀티와 미리 설정된 듀티를 비교하는 단계;를 포함하고, 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 상기 수소공급라인에서 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 포함하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b)단계에서 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 것으로 판단되면, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b)단계 이후, 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이하인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 상기 수소공급라인은 정상상태라고 판단하며, 상기 (a)단계부터 다시 실시하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b) 단계 이후에 (c) 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 경우, 상기 수소공급라인의 압력을 측정하여 미리 설정된 압력값과 비교하는 단계; 및 (d) 상기 수소공급라인압이 상기 미리 설정된 압력값 이상인 경우, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 수소공급밸브의 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상이며, 상기 수소공급라인압이 상기 미리 설정된 압력값 이상인 경우, 상기 수소 공급라인 중 상기 수소차단밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (c)단계 이후, 상기 수소공급라인의 압력이 상기 미리 설정된 압력값 이하인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 수소공급라인 일지점, 상기 수소공급라인 상의 레귤레이터 또는 상기 탱크 중 적어도 하나 이상의 부품에 이상이 발생한 것이라 판단하며, 상기 연료전지차량의 사용자에게 이상을 알리기 위한 경고등을 점등하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (d)단계 이후에, (e) 상기 수소차단밸브의 연속 개방 횟수를 측정하여, 상기 연속 개방 횟수가 미리 설정된 개방 횟수 이상인 경우, 상기 연료전지차량의 경고등을 점등하며, 상기 연료전지차량은 EV모드로 천이되어 상기 연료전지차량의 연료전지시스템의 구동이 셧다운(shut-down)되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 수소차단밸브는 파일럿 식 밸브인 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (d)단계 에서, 상기 수소차단밸브를 개방시키기 이전에, 미리 설정된 시간만큼 상기 수소공급밸브를 폐쇄한 후, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수소공급라인 상의 수소차단밸브의 비정상 폐쇄 상태를 신속하게 감지하여, 상기 비정상 폐쇄 상태로 인한 연료전지 시스템 전체의 손해 발생 이전에, 다시 수소차단밸브를 개방시킬 수 있다. 이에 따라, 수소 공급의 부족에 따른 스택의 열화 및 주행중 급작스런 연료 전지 시스템의 비정상적 정지 및 EV모드로의 천이를 사전에 방지할 수 있다.
또한, 수소차단밸브의 개방을 유지하게 위하여 전류가 소모되며, 이는 연료전지 시스템의 정상 주행시 상기 전류의 소모는 최소한으로 유지하는 것이 연료 전지 시스템의 전체 효율 향상에 유리하므로, 본 발명에서는 수소차단밸브의 개방을 위해 소비되는 전류를 최소화시켜 연료전지 시스템이 탑재된 차량의 연비 향상 효과를 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제어 방법이 실시될 수 있는 연료전지 시스템 구성 간 연결 관계의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 수소공급밸브에 있어서, 밸브에 인가되는 듀티에 따른 밸브의 개도 정도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 수소공급라인의 이상 여부 판단 및 수소차단밸브를 재개방하는 로직의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예로서, 수소공급라인의 이상 여부를 듀티와 수소공급라인압에 의해 판단하고, 수소차단밸브를 재개방하는 로직의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 수소차단밸브의 연속 개방 횟수를 판단하여 연료전지 시스템이 셧-다운되고 EV 모드로 천이되는 로직의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
차량에 탑재되는 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템과 연료전지 시스템에 구비되는 복수개의 밸브의 개방/폐쇄를 조절할 수 있는 제어부등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성 및 구성 간의 연결관계를 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면 본 발명의 수소 연료 공급계에는 수소가 탑재된 고압탱크가 연료 저장 탱크로서 존재할 수 있다. 고압탱크에서는 바람직하게는 수소를 연료로써 탑재 및 사용하며 700bar 정도의 고압 수소 가스가 탱크 내부에 저장될 수 있다.
도 1에 따르면 본 발명의 연료전지 시스템의 제어부는 수소공급밸브, 수소차단밸브, 퍼지밸브 및 드레인밸브에 전기적으로 연결되어 신호, 통신에 의해 각 밸브의 개방 및/또는 폐쇄를 조절할 수 있다. 나아가, 상기 제어부는 스택과도 연결되어 스택의 전압, 전류 및 온도와 같은 스택의 상태 정보들을 수신할 수 있다.
레귤레이터는 연료전지 시스템 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성으로서, 고압탱크에 탑재된 고압 수소를 감압시키며, 감압된 수소를 레귤레이터 후단으로 공급할 수 있다. 나아가, 이젝터, 스택, 퍼지 밸브, 워터 트랩 및 드레인 밸브 역시, 연료전지 시스템 분야에서 통상의 기술자에게 자명한 구성으로서, 일반적으로 널리 사용될 수 있는 구성이므로 이하에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
다시 도 1을 참고하면, 상기 고압탱크와 스택 사이에는 수소공급라인이 개시되며, 수소공급라인을 따라 수소가 고압탱크로부터 스택측으로 유동할 수 있다. 이러한 수소공급라인 상에는 레귤레이터, 수소차단밸브 및 수소공급밸브가 위치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소공급라인 상의 구성 배치 순서는, 고압탱크에 가깝게 배치되는 순서대로, 레귤레이터, 수소차단밸브, 수소공급밸브 순으로 수소공급라인 상에 배치될 수 있다. 즉, 수소차단밸브는 레귤레이터와 수소공급밸브 사이에서, 수소공급라인의 일지점에 구비될 수 있다.
한편, 수소공급밸브는 NC(Normally-closed)타입의 밸브일 수 있다. 수소공급밸브는 고압탱크에 형성된 인-탱크 레귤레이터나 고압탱크로부터 연장되는 유로에 구비될 수 있는 레귤레이터와 함께 스택으로 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 수소공급밸브는 바람직하게는 전자석에 의해 구동될 수 있는 솔레노이드 타입의 밸브로 구성될 수 있다. 수소공급밸브는, 원칙적으로는 연료극 압력과 수소공급라인의 압력을 비교하여 수소 공급량을 제어하는 피드백(Feed-back)제어를 실시할 수 있다. 상세하게는 연료극의 압력센서에 의해 측정된 연료극 압력이 제어부로 수신되며, 제어부에서는 측정된 연료극의 압력이 목표로하는 연료극의 압력보다 낮은 경우, 수소공급밸브에 인가되는 전류의 듀티를 증가시킬 수 있다.
도 2는 수소공급밸브에 인가되는 듀티에 따른 수소공급밸브의 개도 정도를 나타낸 도면이다. 도 2를 참고하면, 수소공급밸브에 인가되는 전류의 듀티가 증가할수록, 듀티에 비례하여 수소공급밸브의 개도가 증가된다는 것을 알 수 있다. 만일 수소공급밸브가 전자기에 의해 구동되는 밸브라면, 히스테리시스(Hysteresis)현상에 의해, 수소공급밸브에 인가되는 전류의 듀티와 밸브의 개도가 정비례하지 않을 수 있다. 다만, 양자는 선형의 관계에 놓일 수 있다.
바람직하게는 전자석에 의해 구동될 수 있는 밸브는 밸브별 개폐 편차 및 레귤레이터에서 토출되는 압력 간의 편차를 흡수하기 위하여, 밸브 개방 듀티가 20~40% 정도에서 밸브가 개방될 수 있다. 또한, 밸브 개방 듀티가 70~90% 정도인 경우, 밸브가 최대로 개방될 수 있다. 개방 시작 듀티 및 최대 개방 듀티의 경우, 구체적인 설계 조건 및 환경에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명에서는 밸브가 최대로 개방되는 시점의 듀티를 '최대 개방 듀티'라고 명명할 수 있다.
나아가, 밸브의 개방이 시작되는 시점의 듀티가 0%가 아니고, 밸브가 최대로 개방되는 듀티가 100%가 아닌 이유는, 비례 제어 밸브 특성상 밸브는 인가되는 압력 및 코일의 온도 등에 의해 영향을 받을 수 밖에 없기 때문이다. 예를 들면, 밸브에 인가되는 압력이 고압일수록 낮은 듀티에서도 밸브 개방이 시작될 수 있으며, 코일의 온도가 고온일수록 코일의 저항이 증가하여 최대 개방을 위한 듀티는 100%에 가까워질 수 있다. 수소공급밸브에서 스택으로 공급되는 수소의 양은 제어부에 의해 결정될 수 있으며, 상세하게는 제어부는 연료전지 시스템의 최대 출력 조건에서의 수소 소모량, 퍼지밸브를 통해 외부로 배출되는 수소 배출량 및 적절한 수준의 오프셋(마진)을 고려하여 결정될 수 있다.
정리하자면, 제어부에서 수소공급밸브에 인가하는 전류의 듀티를 증가시키면 수소공급밸브의 개도 정도가 증가하여 고압탱크로부터 스택으로 공급되는 수소의 양이 증가할 수 있다. 반대로, 제어부에서 수소공급밸브에 인가하는 전류의 듀티를 감소시키면 수소공급밸브의 개도 정도가 감소되며, 고압탱크로부터 스택으로 공급되는 수소의 양이 감소할 수 있다. 즉, 수소공급밸브의 개도 정도에 따라 스택으로 공급되는 수소의 양이 정해지며, 스택 구동에 의해 생성될 수 있는 에너지의 양 역시, 영향을 받게될 수 있다. 나아가, 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티 혹은 100%라는 것의 의미는 수소공급밸브가 완전히 개방되어, 수소공급라인으로부터 스택으로 공급되는 수소의 양이 최대치임을 나타낼 수 있다.
일반적으로, 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티가 되는 경우는 흔치 않다. 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티라는 것은 수소공급라인의 압력이 저하된 상태라는 것을 의미할 수 있다. 이와 같은 상황은 상세하게는 연료전지 시스템의 출력이 최대인 상태에서 퍼지밸브를 개방하여 외부로 수소를 퍼지하여 수소 소모량이 극단적으로 많은 상황일 수 있다. 또한, 고압탱크로부터 공급되는 수소에 이상이 있어 수소공급라인의 압력이 충분히 고압이 아닌 상황 또는 수소차단밸브가 비정상적으로 닫혀서 수소공급밸브의 전단에 정상적으로 수소가 공급되지 않는 상황 등일 수 있다. 상기 모든 경우는 연료전지 시스템이 정상적으로 구동하는 상태라 볼 수 없는 경우이며, 따라서 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티가 되었다는 것은 연료전지 시스템의 구동이 비정상적이라는 것으로 이해할 수 있다.
또한, 수소차단밸브는 도 1에 도시된 것처럼, 수소공급라인 상의 레귤레이터와 수소공급밸브 사이에 배치될 수 있다. 수소차단밸브는 연료전지 시스템이 탑재된 차량의 돌발, 이상, 사고 발생 상황 등 비정상적인 경우 또는 주차된 경우에, 고압탱크 내부 및 고압탱크로부터 연장되는 수소공급라인에서의 수소 누설(리크)를 방지하기 위해 구비될 수 있다.
수소차단밸브의 종류에는 제한이 없으며, 다만 수소공급라인 상의 고압을 견딜 수 있는 구조를 가지고 있어야 한다. 일 실시예로서, 수소차단밸브는 NC(Normally closed) 밸브로 구성될 수 있으며, 전자석등에 의해 구동되는 솔레노이드 타입의 밸브일 수 있다. 바람직하게는 내부의 파일럿(Pilot)에 의해 구동되는 파일럿 방식의 밸브일 수 있다.
또한, 수소차단밸브를 개방하고, 개방 상태를 유지하기 위해서는 전류를 인가하여야 한다. 상세하게는 수소차단밸브가 폐쇄에서 개방되는 시점에 가장 큰 전류(Peak 전류)가 소모되며 이후에는 Peak 전류보다 낮은 유지 전류가 수소차단밸브에 인가되는 상태가 유지될 수 있다. 이 때, 차량의 주행 상황에 따라, 예를 들어 과속 방지턱을 넘거나, 범핑 충격 또는 오프로드(Off-road)주행과 같은 상황, 수소차단밸브에 외력이 작용하여 수소차단밸브가 타의적, 수동적으로 폐쇄될 수 있다. 수소차단밸브가 갑자기 폐쇄됨에 따라, 스택으로 공급되는 수소가 갑자기 단절될 수 있다. 이와 같은 상황에서는 차량의 비 선형적 제동 및 불쾌한 승차감을 유발하고, 나아가 고속 주행 상황에서는 차량 주행의 안전이 위협받을 수 있으므로 수소차단밸브에 높은 유지 전류를 인가하여 수소차단밸브의 개방 상태를 유지시키는 것이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명에서는 외부 충격 등의 여파에 의해 수소차단밸브가 폐쇄되는 경우, 이를 신속히 감지, 판단하고 즉시 수소차단밸브의 비상 개방하도록 제어할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이하 도 3 내지 도 5를 참고하여 본 발명에 따른 수소공급라인 및 수소공급라인의 수소차단밸브의 이상 발생 판단 및 제어 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소차단밸브의 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 본 발명에서는 연료 전지 차량의 운행 중에, 즉 연료전지 시스템 내부의 스택이 발전하여 전력을 생산하는 경우에, 수소공급밸브에 인가되는 듀티를 측정하는 단계(S100)를 포함할 수 있다. 바람직하게는 수소공급밸브는 제어부에 의해 제어될 수 있으므로 제어부에서 수소공급밸브에 인가되는 듀티를 측정, 관찰할 수 있다. 측정된 듀티를 미리 설정된 듀티와 비교하는 단계(S200)를 포함할 수 있다. 미리 설정된 듀티는 수소공급밸브를 최대로 개방시키는 듀티 또는 그 이상의 듀티 값으로 설정될 수 있다. 즉 미리 설정된 듀티는 수소공급밸브가 최대로 개방되는 듀티 내지 100% 사이의 값을 가질 수 있다.
수소공급밸브의 측정된 듀티 값이 미리 설정된 듀티 이상이라는 것의 의미는 수소공급밸브가 최대로 개방된 상태, 혹은 최대에 가깝게 개방된 상태라는 것을 의미할 수 있다. 즉, 수소차단밸브 후단과 스택 사이의 수소공급라인에서 공급할 수 있는 최대한의 수소가 스택으로 공급되고 있는 상태를 의미한다.
다만, 전술한대로 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티가 되는 경우는 일반적이지 않으며, 또한 흔하게 발생하지 않는 상황일 수 있다. 이와 같은 상황은 상세하게는 수소차단밸브가 비정상적으로 닫혀있거나, 레귤레이터의 부품에 이상이 생겼거나, 수소공급라인의 일지점에 리크가 발생하거나, 수소공급라인의 기타 부품에 이상이 발생한 상황 일수 있다. 그러나 연료전지 시스템이 탑재된 차량에 있어, 수소차단밸브가 비정상적으로 닫히는 경우를 제외한 이상 상황의 발생 빈도는 현저히 낮으므로 본 발명에서는 우선적으로 수소차단밸브를 개방시키는 정상 복구 방법을 채택할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 수소공급밸브가 최대 개방된 상태가, 수소차단밸브가 비정상적으로 닫혔기 때문이라고 판단하여 신속하게 수소차단밸브를 개방시킬 수 있다. 제어부에서 수소차단밸브를 개방시킨 이후에는, 제어부에서는 반복하여, 주기적으로 수소공급밸브의 듀티 값을 측정할 수 있다.
만일, 수소공급밸브의 측정된 듀티 값이 미리 설정된 듀티 값 이하라면, 수소공급라인 및 수소차단밸브가 이상 상태라고 판단할 근거가 없으며, 제어부에서는 반복하여, 주기적으로 수소공급밸브의 듀티 값을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 수소공급라인 및 수소차단밸브의 이상 여부 판단 및 수소차단밸브 제어 방법의 흐름을 나타낸 흐름도이다. 도 4를 참고하면, 도 3과 마찬가지로 수소공급밸브의 듀티를 측정하여, 상기 듀티가 미리 설정된 듀티 값 이상 또는 최대 개방 듀티인지 여부를 판단할 수 있다. 도 4의 실시예가 도 3과 다른 점은, 도 4에 의한 실시예에서는 듀티가 미리 설정된 값 이상인 경우 수소공급라인의 압력을 측정하는 단계를 더 포함한다는 것이다. 일실시예에 따르면 수소공급라인 중 탱크와 수소차단밸브 사이의 일 지점에서 수소공급라인의 압력을 측정하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
더불어 탱크와 수소차단밸브 사이의 수소공급라인의 압력과 미리 설정된 압력값의 대소 여부를 비교하는 단계(S400)를 포함할 수 있다. 미리 설정된 압력값의 의미는 탱크로부터 레귤레이터를 거쳐 수소공급밸브와 수소차단밸브 및 스택으로 이어지는 수소공급라인의 정상 구동시, 수소공급라인 각 지점에서 나타내는 평균적, 일반적인 압력 범위에 오프셋(Off-set)을 고려하여 설정되는 값을 의미할 수 있다. 수소차단밸브에 이상이 발생하여 폐쇄된 상태인 경우, 비록 수소공급밸브가 최대 개방된 상태일지라도, 수소차단밸브 후단으로 수소가 유동될 수 없다.
도 4에 따른 일 실시에에서, 탱크와 수소차단밸브 사이의 수소공급라인 압력을 측정하고 미리 설정된 압력과 비교하는 이유는, 탱크와 수소공급밸브, 수소차단밸브의 배열 순서를 고려하면, 수소공급밸브의 개방 여부와 무관하게, 탱크와 수소차단밸브 사이의 수소공급라인의 압력은 고압일 수밖에 없기 때문이다.(도 1 참고) 따라서, 탱크와 수소차단밸브 사이에서 측정한 수소공급라인의 압력이 미리 설정된 압력 이상인 경우, 수소차단밸브가 폐쇄되어 나타나는 현상임이 확실하므로, 제어부에서는 수소차단밸브를 개방시키는 단계(S500)를 포함할 수 있다. 따라서, 수소차단밸브의 비정성적 폐쇄에 따른 이상 상황을 해소할 수 있다. 나아가, 도 3과 마찬가지로, 제어부에서는 반복하여, 주기적으로 수소공급밸브의 듀티 값을 측정할 수 있다.
다만, 수소공급밸브의 듀티가 최대 개방 듀티인 상태에서 탱크와 수소차단밸브 사이의 수소공급라인압이 미리 설정된 압력 이하인 경우, 이는 수소차단밸브가 개방된 상태를 의미할 수 있다. 결과적으로는, 수소가 수소공급라인의 일 지점에서 누수가되는 등의, 수소차단밸브 이외의 부품(ex. 레귤레이터) 고장 상태라 판단할 수 있다. 그러므로 사용자의 신속한 후속 조치를 이끌어내고 연료전지 차량의 안정성에 위험 요인이 존재한다는 것을 사용자에게 통보하기 위한 경고등이 점등될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소차단밸브의 제어 방법을 도시한 흐름도로서, 수소공급밸브의 듀티를 측정, 미리 설정된 듀티와 비교하는 것과 탱크와 수소차단밸브 사이에서 수소공급라인의 압력을 측정, 미리 설정된 압력과 비교하는 단계까지는 도 4에 도시된 과정과 동일할 수 있다.
다만, 도 5의 실시예에 따르면, 제어부에서는 수소차단밸브를 개방시키고자 했던 누적 횟수를 측정, 기록 및 저장하는 단계(S410)를 포함할 수 있다. 그에 따라 개방 횟수가 미리 설정된 개방 횟수 이상인지 여부를 판단하는 단계(S420)를 포함할 수 있다. 더불어 연료전지 시스템의 구동을 중지하여 셧-다운(Shut-down)시킬 수 있고, 연료전지 차량을 EV모드로 천이시키는 단계(S430)를 포함할 수 있다. 본 발명에서의 EV 모드(Electronic vehicle mode)는 연료를 전혀 소모하지 않고, 충전된 배터리의 잔량만으로 모터를 구동하여 차량이 운행되는 상태를 의미할 수 있다.
수소차단밸브의 개방 명령을 미리 정해진 개방 횟수 이상 송출하였음에도 수소공급밸브가 최대 개방 듀티 상태를 유지하고, 탱크와 수소차단밸브 사이에서 수소공급라인의 압력이 감소하지 않는다는 것은 수소차단밸브가 여전히 폐쇄된 상태를 유지하고 있다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 제어부와 수소차단밸브 사이의 통신계통의 이상 또는 수소차단밸브의 물리적, 구조적 문제 상황일 수 있다. 그러므로 사용자의 신속한 후속 조치를 이끌어내고 연료전지 차량의 안정성에 위험 요인이 존재한다는 것을 사용자에게 통보하기 위한 경고등이 점등될 수 있다.
정리하자면, 본 발명의 핵심 사상은 수소공급밸브의 개도를 듀티를 통하여 파악하고, 수소공급밸브가 최대로 개방된 경우를 비정상적인 상태라 판단하며, 특히 탱크와 수소차단밸브 사이의 수소공급라인의 압력이 미리 설정된 압력 이상인 경우, 수소차단밸브의 이상적 폐쇄에 따른 비정상 상태라 판단하여 제어부에서 수소차단밸브를 개방시키는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에서는 수소공급밸브가 최대로 개방되는 상태는 일반적이지 않고, 대게의 경우는, 수소차단밸브가 외부 요인에 의해 폐쇄되어 유발되는 비정상적 상태라는 점에 초점을 두고 있음에 유의하여야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 수소가 저장된 고압 탱크, 수소공급밸브 및 수소차단밸브를 포함하는 수소공급라인이 탑재된 연료전지차량의 운행 중에 있어서,
    (a) 상기 수소공급밸브의 인가 듀티를 측정하는 단계; 및
    (b) 상기 듀티와 미리 설정된 듀티를 비교하는 단계;
    를 포함하고, 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 상기 수소공급라인에서 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 포함하는 수소차단밸브 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 것으로 판단되면, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계 이후, 상기 듀티비가 상기 미리 설정된 듀티 이하인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 상기 수소공급라인은 정상상태라고 판단하며, 상기 (a)단계부터 다시 실시하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에
    (c) 상기 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상인 경우, 상기 수소공급라인의 압력을 측정하여 미리 설정된 압력값과 비교하는 단계; 및
    (d) 상기 수소공급라인압이 상기 미리 설정된 압력값 이상인 경우, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수소공급밸브의 듀티가 상기 미리 설정된 듀티 이상이며, 상기 수소공급라인압이 상기 미리 설정된 압력값 이상인 경우, 상기 수소 공급라인 중 상기 수소차단밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 (c)단계 이후, 상기 수소공급라인의 압력이 상기 미리 설정된 압력값 이하인 경우, 상기 탱크와 상기 수소공급밸브 사이의 수소공급라인 일지점, 상기 수소공급라인 상의 레귤레이터 또는 상기 탱크 중 적어도 하나 이상의 부품에 이상이 발생한 것이라 판단하며, 상기 연료전지차량의 사용자에게 이상을 알리기 위한 경고등을 점등하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 (d)단계 이후에,
    (e) 상기 수소차단밸브의 연속 개방 횟수를 측정하여, 상기 연속 개방 횟수가 미리 설정된 개방 횟수 이상인 경우, 상기 연료전지차량의 경고등을 점등하며, 상기 연료전지차량은 EV모드로 천이되어 상기 연료전지차량의 연료전지시스템의 구동이 셧다운(shut-down)되는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 수소차단밸브는 파일럿 식 밸브인 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (d)단계 에서, 상기 수소차단밸브를 개방시키기 이전에, 미리 설정된 시간만큼 상기 수소공급밸브를 폐쇄한 후, 상기 수소차단밸브를 개방시키는 것을 특징으로 하는 수소차단밸브 제어 방법.


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