KR20220134699A - 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치에 관한 것으로, 수소탱크에 장착된 과류방지밸브의 작동 시 과류방지밸브를 원래 상태로 회복시킴으로써 연료전지에 대한 수소 공급안정성을 확보하도록 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

수소탱크용 밸브 회복 제어 장치 {Valve recovery control device for hydrogen tank}
본 발명은 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 주행 시 연료전지에 대한 수소 공급안정성을 확보할 수 있도록 하기 위한 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치에 관한 것이다.
연료전지 차량은 연료전지의 연료로 사용되는 수소의 보관을 위하여 수소탱크를 탑재하고 있다. 또한 상기 수소탱크는 수소탱크에서 배출되는 수소의 과류(excess flow)를 방지하기 위하여 과류방지밸브(EFV: Excess Flow Valve)를 구비한다.
수소탱크의 내부압력이 과류방지밸브의 후단에 연결된 수소공급라인의 압력보다 일정치 이상 높은 경우 상기 수소공급라인에 수소의 과류가 발생하게 되며, 그러한 수소의 과류는 수소공급라인의 파손 등을 유발할 수 있다. 따라서, 수소탱크는 과류방지밸브를 구비함으로써 수소공급라인에 수소의 과류가 발생하는 것을 방지한다.
일반적으로 수소탱크에 장착되는 과류방지밸브는 기계식으로 작동하는 상시 오픈 밸브이다.
상기 과류방지밸브는, 평상 시에는 열림 상태를 유지하고, 수소탱크의 압력과 수소공급라인의 압력 간에 차이가 발생하는 경우 선택적으로 작동함으로써 닫힘 상태가 될 수 있다. 또한 상기 과류방지밸브는, 닫힘 상태일 때 극소유량의 수소를 수소공급라인으로 내보낼 수 있는 핀홀을 구비한다.
이러한 과류방지밸브는 기계식으로 작동하기 때문에 전기적인 피드백 신호를 발생하지 않는다. 따라서, 과류방지밸브의 입구측 압력과 과류방지밸브의 출구측 압력에 차이가 발생하는 경우, 상기 과류방지밸브의 작동 가능성은 매우 높아지지만 운전자 및 차량 내 제어기는 과류방지밸브의 작동 여부를 확인하는 것이 불가하다.
따라서, 상기 과류방지밸브가 작동하여 닫히더라도 차량 내 제어기는 과류방지밸브의 작동을 검출하는 것이 불가하기 때문에 과류방지밸브의 작동에 대한 별도의 조치를 취하지 못한다. 이러한 상황에서 수소공급라인에 연결된 연료전지의 수소 소모량이 과류방지밸브의 핀홀을 통한 수소 공급량보다 커지면 연료전지에 대한 정상적인 수소 공급이 불가하게 되고, 결국 연료전지에 대한 수소 공급 부족으로 인하여 차량 시동이 꺼지게 된다.
또한, 상용차에 적용되는 수소탱크용 수소공급라인의 경우 길이가 길고 배관이 복잡하며 정비, 리크, 특장 작업을 위한 잠금레버 등이 설치되어 있어서 과류방지밸브의 출구측 압력이 과류방지밸브의 입구측 압력보다 낮아지기 쉽다. 따라서, 상용차에 장착된 수소탱크용 과류방지밸브의 경우 상대적으로 작동 가능성이 높으며, 그에 따라 연료전지에 대한 수소 공급안정성이 저하된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소탱크에 장착된 과류방지밸브의 작동 시 과류방지밸브를 원래 상태로 회복시킴으로써 연료전지에 대한 수소 공급안정성을 확보하도록 하는, 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명은: 수소탱크의 출구에 장착된 과류방지밸브; 상기 과류방지밸브에 연결되며, 상기 수소탱크에 저장된 수소를 연료전지에 공급하는, 수소공급라인; 및 상기 수소탱크의 압력이 상기 수소공급라인의 압력보다 큰 경우 상기 연료전지의 수소 소모량과 상기 수소공급라인의 압력 감소율을 기반으로 상기 과류방지밸브의 닫힘 여부를 판단하며, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태인 것으로 판단되면 상기 과류방지밸브가 열림 상태로 회복될 때까지 상기 연료전지의 운전을 정지시키는, 제어유닛;을 포함하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 제공한다.
상기 제어유닛은, 상기 연료전지의 단위시간당 수소 소모량이 정해진 최소 소모량 이상이고 상기 수소공급라인의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율보다 크면, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어유닛은, 상기 연료전지의 단위시간당 수소 소모량이 정해진 최소 소모량 이상이고 상기 수소공급라인의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율 이하이면, 상기 과류방지밸브가 열림 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 최소 소모량은, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태일 때 상기 수소공급라인의 압력 감소를 유발하는 연료전지의 최소 수소 소모량 값으로 정해진다. 또한 상기 제1압력 감소율은, 상기 과류방지밸브가 열림 상태일 때 발생가능한 상기 수소공급라인의 최대 압력 감소율 값으로 정해진다.
또한 상기 제어유닛은, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태이면 과류방지밸브가 열림 상태로 회복될 때까지 차량을 전기차 모드로 운행하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어유닛은, 상기 과류방지밸브가 열림 상태로 회복되면 상기 연료전지를 재시동시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 과류방지밸브는: 밸브 입구와 밸브 출구를 구비한 하우징; 상기 하우징 내에 슬라이딩가능하게 조립된 포핏; 상기 하우징 내에 장착되어 상기 포핏을 상기 밸브 입구쪽으로 탄성 지지하는 스프링; 및 상기 포핏이 상기 스프링을 압축하면서 상기 밸브 출구를 닫게 되면 상기 수소탱크의 수소를 상기 수소공급라인으로 공급하는 핀홀;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 주된 효과를 제공한다.
첫째, 과류방지밸브의 작동으로 인하여 연료전지에 대한 정상적인 수소 공급이 불가능한 상황에서 과류방지밸브를 원래의 상태로 신속하게 회복시킴으로써 연료전지에 대한 수소 공급안정성을 확보할 수 있다.
둘째, 과류방지밸브가 작동되어 닫힘 상태로 전환되는 경우 본래의 열림 상태로 빠르게 복귀시킴으로써 연료전지에 대한 수소 공급 부족으로 인한 차량의 시동 꺼짐을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치가 적용되는 수소탱크 시스템을 도시한 도면,
도 2는 수소탱크 시스템에 구비되는 과류방지밸브의 열림 상태를 도시한 도면,
도 3은 수소탱크 시스템에 구비되는 과류방지밸브의 닫힘 상태를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 도시한 도면,
도 5는 과류방지밸브가 열림 상태인 경우 수소공급라인의 압력과 연료전지의 전류 및 수소 소모량을 나타낸 그래프,
도 6은 과류방지밸브가 닫힘 상태인 경우 수소공급라인의 압력과 연료전지의 전류 및 수소 소모량을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 이용한 제어 과정을 나타낸 도면.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치가 적용되는 수소탱크 시스템을 도시한 것이고, 도 2는 수소탱크 시스템에 구비되는 과류방지밸브의 열림 상태를 도시한 것이고, 도 3은 상기 과류방지밸브의 닫힘 상태를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 수소탱크(10)는 수소공급라인(20)을 통해 연료전지(30)와 가스이동가능하게 연결된다. 수소탱크(10)의 출구에는 수소탱크(10)에서 연료전지(30)로 공급되는 수소의 과류(excess flow)를 방지하기 위하여 과류방지밸브(EFV: Excess Flow Valve)(40)가 장착된다.
도 1에는 수소탱크(10)의 출구에 장착된 과류방지밸브(40)와 수소공급라인(20)에 장착된 라인압력센서(22)만 도시하였으나, 도 1에 도시된 수소탱크 시스템은 일반적인 수소탱크 시스템의 구성을 포함할 수 있으며, 상기 수소탱크(10)의 출구에는 과류방지밸브(40) 외에 다른 구성이 장착될 수 있다. 예를 들어, 수소탱크(10)의 출구에는 과류방지밸브(40)와 솔레노이드 밸브를 포함하는 밸브 조립체가 장착될 수 있다.
연료전지(30)는 과류방지밸브(40)의 후단에 연결된 수소공급라인(20)을 통해 수소탱크(10)에 저장된 수소를 공급받을 수 있다. 즉, 수소공급라인(20)은 수소탱크(10)에 저장된 수소를 연료전지(30)에 공급할 수 있다.
과류방지밸브(40)는 그 전단이 수소탱크(10)와 연결되고 그 후단이 수소공급라인(20)과 연결된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 과류방지밸브(40)는 하우징(41)과 하우징(41) 내에 슬라이딩가능하게 조립되는 포핏(poppet)(44) 및 포핏(44)의 작동압력을 결정하는 스프링(46)을 포함하여 구성된다. 과류방지밸브(40)는 상시 오픈 타입의 기계식 밸브이다.
상기 하우징(41)의 전단에는 밸브 입구(42)가 구비되고 상기 하우징(41)의 후단에는 밸브 출구(43)가 구비된다. 상기 밸브 입구(42)에는 수소탱크(10)의 내부에 배치되는 가스배출라인(48)이 가스이동가능하게 연결되고, 상기 밸브 출구(43)에는 수소탱크(10)의 외부에 배치되는 수소공급라인(도 1의 20 참조)이 가스이동가능하게 연결된다.
상기 포핏(44)은 하우징(41)의 내측에 장착된 스프링(46)에 의해 밸브 입구(42)쪽으로 탄성 지지된다. 포핏(44)은 밸브 입구(42)측 압력과 밸브 출구(43)측 압력 간에 차이에 의해 작동한다. 다시 말해, 포핏(44)은 수소탱크(10)의 내부압력과 수소공급라인(20)의 내부압력 간에 차이(이하, "제1압력차"라고 함)에 의해 작동한다. 포핏(44)은 상기 제1압력차에 의해 작동할 때 스프링(46)을 압축하면서 밸브 출구(43)쪽으로 이동한다.
이와 같이 구성되는 과류방지밸브(40)는 평상 시에는 열림 상태를 유지하고, 상기 제1압력차가 발생하는 경우 선택적으로 작동함으로써 닫힘 상태가 될 수 있다. 또한 과류방지밸브(40)는, 닫힘 상태일 때 극소유량의 수소를 수소공급라인(20)으로 내보낼 수 있는 핀홀(45)을 구비한다. 상기 핀홀(45)은 포핏(44)의 후단에 구비된다.
수소탱크(10)의 내부압력과 수소공급라인(20)의 내부압력이 동일한 경우, 포핏(44)은 밸브 출구(43)를 개방한 상태를 유지한다. 포핏(44)은 하우징(41) 내에서 밸브 입구(42)에 이웃하는 제1위치에 위치할 때 밸브 출구(43)를 개방한다. 포핏(44)은 평상 시 밸브 출구(43)를 개방하는 상기 제1위치에 위치한다. 밸브 출구(43)가 개방된 경우, 밸브 입구(42)를 통해 하우징(41) 내로 유입된 수소탱크(10)의 수소는 밸브 출구(43)를 통해 수소공급라인(20)으로 유동된다.
또한, 수소탱크(10)의 내부압력이 수소공급라인(20)의 내부압력보다 소정 압력 이상 높은 경우, 포핏(44)은 밸브 출구(43)를 닫기 위한 제2위치로 이동하여 밸브 출구(43)를 닫는다. 포핏(44)은 상기 제2위치에 위치할 때 밸브 출구(43)에 이웃하여 밸브 출구(43)를 닫는다. 밸브 출구(43)가 포핏(44)에 의해 닫힌 경우, 수소공급라인(20)에 과한 수소 흐름이 발생하는 것을 차단할 수 있다.
또한 밸브 출구(43)가 포핏(44)에 의해 닫힌 경우 포핏(44)의 핀홀(45)을 통해 발생하는 수소 흐름에 의하여 수소공급라인(20)의 내부압력이 수소탱크(10)의 내부압력과 동일한 수준으로 회복될 수 있다. 수소공급라인(20)의 내부압력이 수소탱크(10)의 내부압력과 동일해지면, 포핏(44)은 상기 제1위치로 복귀하게 된다.
상기 과류방지밸브(40)는 기계식으로 작동하기 때문에 전기적인 피드백 신호를 발생하지 않는다. 따라서, 과류방지밸브(40)의 전단 압력과 과류방지밸브의 후단 압력에 차이가 발생하는 경우, 과류방지밸브(40)의 작동 가능성은 높아지지만 차량 내 제어기가 과류방지밸브(40)의 작동 상태를 확인하는 것은 불가하다.
따라서, 상기 과류방지밸브(40)의 포핏(44)이 밸브 출구(43)를 닫는 상기 제2위치로 이동하더라도, 차량 내 제어기는 과류방지밸브(40)의 작동 상태를 검출하는 것이 불가하기 때문에 과류방지밸브(40)의 작동에 대한 별도의 조치를 취하지 못한다. 이러한 상황에서 수소공급라인(20)에 연결된 연료전지(30)의 수소 소모량이 과류방지밸브(40)의 핀홀(45)을 통한 수소 공급량보다 커지면 연료전지(30)에 대한 정상적인 수소 공급이 불가하게 되고, 결국 주행 중 연료전지(30)에 대한 수소 공급 부족으로 인하여 차량 시동이 꺼지게 된다.
이에 본 발명은 수소탱크(10)에 장착된 과류방지밸브(40)의 작동 상태를 검출한 결과 과류방지밸브(40)의 닫힘 상태가 검출되면 과류방지밸브(40)를 원래 상태(즉, 열림 상태)로 회복시킴으로써 주행 중 연료전지(30)에 대한 수소 공급안정성을 확보하도록 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 제공한다.
구체적으로 상기 밸브 회복 제어 장치는, 수소탱크(10)의 출구에 장착된 과류방지밸브(40)의 전단 압력(즉, 밸브 입구측 압력)과 과류방지밸브(40)의 후단 압력(즉, 밸브 출구측 압력) 사이에 차이가 발생하는 경우, 과류방지밸브(40)의 작동이 검출되면 과류방지밸브(40)를 원래 상태로 회복시킨다.
또한 상기 밸브 회복 제어 장치는, 과류방지밸브(40)가 연료전지(30)에 대한 정상적인 수소 공급이 가능한 상태로 회복할 때까지 연료전지(30)의 운전을 중단시킴으로써 주행 중 시동 꺼짐을 방지하고 정상적인 차량 운행이 가능하도록 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 도시한 구성도이고, 도 5는 과류방지밸브가 열림 상태인 경우 수소공급라인의 압력과 연료전지의 전류 및 수소 소모량을 나타낸 그래프이고, 도 6은 과류방지밸브가 닫힘 상태인 경우 수소공급라인의 압력과 연료전지의 전류 및 수소 소모량을 나타낸 그래프이다. 이때 연료전지의 수소 소모량은 연료전지의 전류를 기반으로 산출한 값이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치는 과류방지밸브(40)의 작동 여부를 판단하는 제어유닛(50)을 포함하여 구성될 수 있다.
제어유닛(50)은, 연료전지(30)의 전류를 센싱하는 전류센서(32)와 수소공급라인(20)의 압력을 검출하는 라인압력센서(22)로부터 받은 정보를 기반으로 과류방지밸브(40)의 작동 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로 제어유닛(50)은, 수소공급라인(20)의 압력 감소율과 연료전지(30)의 수소 소모량을 기반으로 과류방지밸브(40)의 작동 여부를 판단할 수 있다. 연료전지(30)의 수소 소모량은 연료전지(30)의 전류를 기반으로 계산할 수 있다. 연료전지(30)의 전류를 기반으로 연료전지(30)의 수소 소모량을 계산하는 것은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 5를 보면, 과류방지밸브(40)가 열림 상태인 경우, 연료전지(30)의 수소 소모가 지속됨에 따라 수소공급라인(20)의 압력이 감소하기는 하나 연료전지(30)의 수소 소모량 증가에 따른 수소공급라인(20)의 압력 감소는 매우 적다.
도 6을 보면, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우, 연료전지(30)의 수소 소모량이 증가함에 따라 수소공급라인(20)의 압력이 감소하는 것은 물론이고, 수소공급라인(20)으로 공급되는 수소 유량이 부족함으로 인하여 연료전지(30)의 수소 소모량 증가에 따른 수소공급라인(20)의 압력 감소가 과다하게 발생한다.
즉, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우, 연료전지(30)의 수소 소모량이 증가하게 되면 수소공급라인(20)의 압력 감소가 급격하게 발생한다.
따라서 제어유닛(50)은, 수소공급라인(20)의 압력이 연료전지(30)의 수소 소모량에 반비례하는 경우, 수소공급라인(20)의 압력 감소율과 연료전지(30)의 단위시간당 수소 소모량을 기반으로 과류방지밸브(40)의 작동 여부를 실시간으로 판단할 수 있다. 이때 수소공급라인(20)의 압력 감소율은 실시간으로 산출한 초당 압력 감소율일 수 있고, 연료전지(30)의 수소 소모량은 실시간으로 산출한 초당 수소 소모량일 수 있다.
제어유닛(50)은, 연료전지(30)의 수소 소모량이 사전에 정해진 최소 소모량(X) 이상이고 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 사전에 정해진 제1압력 감소율(Y)보다 크면, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 것으로 판단할 수 있다.
과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우 포핏(44)의 핀홀(45)을 통하여 미소유량의 수소가 수소공급라인(20)으로 공급되기 때문에 연료전지(30)의 수소 소모량이 적을 경우 수소공급라인(20)의 압력 감소가 발생하지 않을 수 있다.
따라서 연료전지(30)의 수소 소모량에 대한 최소치로서 상기 최소 소모량(X)을 정하고, 연료전지(30)의 수소 소모량이 상기 최소 소모량(X) 이상일 때 수소공급라인(20)의 압력 감소율을 기반으로 과류방지밸브(40)의 오작동 여부를 판단하는 것이 필요하다.
상기 최소 소모량(X)은, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태일 때 수소공급라인(20)에 압력 감소를 유발하는 연료전지(30)의 최소 수소 소모량 값으로 정해질 수 있다. 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우 포핏(44)의 핀홀(45)을 통한 수소 공급이 발생하므로, 상기 최소 소모량(X)은 핀홀(45)을 통과하는 수소 유량보다 큰 값으로 정해질 수 있다.
또한 상기 제1압력 감소율(Y)은, 과류방지밸브(40)가 열림 상태일 때 연료전지(30)가 수소를 최대치로 소모함에 따라 발생할 수 있는 수소공급라인(20)의 최대 압력 감소율 값으로 정해질 수 있다.
과류방지밸브(40)가 열림 상태인 경우, 즉 수소공급라인(20)에 정상적으로 수소가 공급되는 조건인 경우, 수소공급라인(20)의 압력 감소율은 상기 제1압력 감소율(Y) 이하가 된다.
따라서 제어유닛(50)은, 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 상기 제1압력 감소율(Y)보다 크면 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 것으로 판단할 수 있다.
다시 말해, 제어유닛(50)은 연료전지(30)의 단위시간당 수소 소모량이 최소 소모량(X) 이상이고 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 제1압력 감소율(Y)보다 크면 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 것으로 판단할 수 있다.
또한 제어유닛(50)은, 연료전지(30)의 단위시간당 수소 소모량이 최소 소모량(X) 이상이고 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 제1압력 감소율(Y) 이하이면 과류방지밸브(40)가 열림 상태인 것으로 판단할 수 있다.
또한 연료전지(30)의 단위시간당 수소 소모량이 최소 소모량(X) 미만인 경우, 과류방지밸브(40)의 개폐 작동 여부와 상관없이 연료전지(30)의 정상적인 운전이 가능하다. 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우 과류방지밸브(40)의 핀홀(45)을 통해 수소공급라인(20)에 수소가 공급됨으로써 연료전지(30)의 저출력 운전이 가능하다.
따라서 제어유닛(50)은, 연료전지(30)의 단위시간당 수소 소모량이 최소 소모량(X) 미만이면 연료전지(30)의 정상 운전 및 차량의 정상 주행이 가능한 상황인 것으로 판단할 수 있다.
첨부한 도 7은 본 발명에 따른 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치를 이용한 제어 과정을 나타낸 도면이다.
수소탱크(10)의 내부압력이 수소공급라인(20)의 내부압력보다 큰 경우, 차량 시동을 걸게 되면 수소탱크(10)와 수소공급라인(20)의 압력 차이로 인하여 포핏(44)이 작동함으로써 과류방지밸브(40)는 닫힘 상태로 전환될 수 있다. 과류방지밸브(40)가 닫히는 경우 연료전지(30)의 수소 소모량 변동에 따라 수소공급라인(20)의 압력이 변하게 된다.
제어유닛(50)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 수소탱크(10)의 내부압력과 수소공급라인(20)의 내부압력을 비교하여(S100) 수소탱크(10)의 내부압력이 수소공급라인(20)의 내부압력보다 크다고 판단되는 경우, 다시 말해 과류방지밸브(40)의 작동 가능성이 존재하는 경우, 연료전지(30)의 수소 소모량을 최소 소모량(X)과 비교하고 수소공급라인(20)의 압력 감소율을 제1압력 감소율(Y)과 비교한다(S110).
제어유닛(50)은 수소탱크(10)에 장착된 탱크압력센서(미도시)로부터 수신하는 정보를 기반으로 수소탱크(10)의 내부압력을 파악할 수 있다. 일반적으로 상기 탱크압력센서는 솔레노이드밸브의 전단에 장착되어 수소탱크의 압력을 대변할 수 있는 압력값을 검출한다. 상기 솔레노이드밸브는 수소탱크(10)의 출구에 결합 장착되어 상기 출구를 개폐하는 밸브이다.
제어유닛(50)은, 상기 S110 에서 비교한 결과를 기반으로, 연료전지(30)의 수소 소모량이 정해진 최소 소모량(X) 이상이고 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율(Y)보다 크면, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 것으로 판단하고 S120 단계를 실행한다.
제어유닛(50)은, 상기 S110 에서 비교한 결과, 연료전지(30)의 수소 소모량이 정해진 최소 소모량(X) 미만이거나 또는 수소공급라인(20)의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율(Y) 이하이면, 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태이지만 연료전지(30)의 정상 운전이 가능한 상황이거나 또는 과류방지밸브(40)가 열림 상태인 것으로 판단할 수 있다.
제어유닛(50)은, 상기 S110 에서 비교한 결과를 기반으로 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 것으로 판단되는 경우, 차량의 시동 꺼짐을 방지하기 위하여 연료전지(30)의 출력을 제한하여 수소 소모를 중단시킨다(S120).
이때 제어유닛(50)은, 과류방지밸브(40)가 열림 상태로 회복될 때까지 연료전지(30)의 운전을 정지시킨다. 과류방지밸브(40)가 닫힘 상태인 경우 과류방지밸브(40)의 핀홀(45)을 통해 수소공급라인(20)에 수소가 공급되며, 수소공급라인(20)의 내부압력이 수소탱크(10)의 내부압력과 동등해짐으로써 과류방지밸브(40)가 열림 상태로 복귀하게 된다.
또한, 제어유닛(50)은 연료전지(30)의 출력을 제한하고 과류방지밸브(40)가 열림 상태로 회복될 때까지 차량을 전기차(EV: Electric Vehicle) 모드로 운행할 수 있다(S130). 차량이 배터리만 사용하는 전기차 모드로 운행되는 경우 연료전지(30)의 수소 소모를 중단한 상태로 주행할 수 있다.
과류방지밸브(40)가 열림 상태로 회복하는데 걸리는 소모시간(Z)은 수소탱크(10)의 온도와 압력, 과류방지밸브(40)의 특성, 수소공급라인(20)의 길이, 및 차량에 탑재된 수소탱크(10)의 수량 등에 따라 결정될 수 있다.
제어유닛(50)은 과류방지밸브(40)가 열림 상태로 회복되면 연료전지(30)를 재시동시킨다(S140). 다시 말해, 제어유닛(50)은 연료전지(30)의 출력을 제한한 다음 상기 소모시간(Z)이 경과하면 연료전지(30)를 재시동시킨다.
과류방지밸브(40)가 열림 상태로 회복되면 수소공급라인(20)으로 정상적인 수소 공급이 가능하므로, 연료전지(30)는 수소 소모량이 많은 고출력 모드로 운전가능하게 된다.
여기서 제어유닛(50)은 차량 내 구비되어 있는 하나 이상의 제어기로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어유닛(50)은 차량 제어기(VCU: Vehicle Control Unit)와 연료전지 제어기(FCU: Fuel cell Control Unit) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 S110에서 차량 제어기(VCU)는, 과류방지밸브(40)의 닫힘 상태를 판단하게 되면 연료전지 제어기(FCU)에 연료전지(30)의 출력 제한을 요청할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예일뿐이므로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 수소탱크
20 : 수소공급라인
22 : 라인압력센서
30 : 연료전지
32 : 전류센서
40 : 과류방지밸브
41 : 하우징
42 : 밸브 입구
43 : 밸브 출구
44 : 포핏
45 : 핀홀
46 : 스프링
48 : 가스배출라인
50 : 제어유닛

Claims (8)

  1. 수소탱크의 출구에 장착된 과류방지밸브;
    상기 과류방지밸브에 연결되며, 상기 수소탱크에 저장된 수소를 연료전지에 공급하는, 수소공급라인; 및
    상기 수소탱크의 압력이 상기 수소공급라인의 압력보다 큰 경우 상기 연료전지의 수소 소모량과 상기 수소공급라인의 압력 감소율을 기반으로 상기 과류방지밸브의 닫힘 여부를 판단하며, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태인 것으로 판단되면 상기 과류방지밸브가 열림 상태로 회복될 때까지 상기 연료전지의 운전을 정지시키는, 제어유닛;
    을 포함하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 연료전지의 단위시간당 수소 소모량이 정해진 최소 소모량 이상이고 상기 수소공급라인의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율보다 크면, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 연료전지의 단위시간당 수소 소모량이 정해진 최소 소모량 이상이고 상기 수소공급라인의 압력 감소율이 정해진 제1압력 감소율 이하이면, 상기 과류방지밸브가 열림 상태인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 최소 소모량은, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태일 때 상기 수소공급라인의 압력 감소를 유발하는 연료전지의 최소 수소 소모량 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1압력 감소율은, 상기 과류방지밸브가 열림 상태일 때 발생가능한 상기 수소공급라인의 최대 압력 감소율 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 과류방지밸브가 닫힘 상태이면 과류방지밸브가 열림 상태로 회복될 때까지 차량을 전기차 모드로 운행하는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 과류방지밸브가 열림 상태로 회복되면 상기 연료전지를 재시동시키는 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 과류방지밸브는:
    밸브 입구와 밸브 출구를 구비한 하우징;
    상기 하우징 내에 슬라이딩가능하게 조립된 포핏;
    상기 하우징 내에 장착되어 상기 포핏을 상기 밸브 입구쪽으로 탄성 지지하는 스프링; 및
    상기 포핏이 상기 스프링을 압축하면서 상기 밸브 출구를 닫게 되면 상기 수소탱크의 수소를 상기 수소공급라인으로 공급하는 핀홀;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수소탱크용 밸브 회복 제어 장치.
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