KR20230119925A - 연료 전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 연료공급라인 상에서 수소 탱크의 출구 측에 설치되는 제1 밸브, 상기 연료공급라인 상에서 상기 제1 밸브의 후단에 설치되는 제2 밸브, 및 연료전지 시동 요청 시 상기 수소 탱크의 상태에 기초하여 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법{FUEL CELL SYSTEM AND FUEL SUPPLYING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법에 관한 것이다.
최근, 연료전지는 차량 혹은 건설기계 등과 같은 이동체의 동력원으로 활용되고 있다. 연료전지는 연료전지 스택에서 수소 연료와 산소의 반응에 의해 발생한 화학에너지를 전기에너지로 전환시키고, 이때의 전기에너지를 이용하여 모터를 구동시켜 이동체의 추진력을 발생시킨다.
이러한 연료전지를 탑재한 이동체는 수소를 연료로 사용하기 때문에 일정량의 수소를 저장하는 수소 탱크를 탑재하고 있다. 수소 탱크는 안전에 주의해야 하는 부품이므로, 연료전지 시스템의 제어기는 수소 탱크의 상태를 수시로 모니터링하며 동작 조건을 만족하지 않는 경우 알람을 한다. 이에, 수소 탱크의 상태에 따른 알람이 발생하는 경우 위험 사고가 발생하는 것을 방지하고자 연료전지시스템은 시동이 차단될 수 있다.
연료전지시스템은 파워팩의 운휴시간을 카운트하여 운휴시간이 일정 시간을 초과하면 액추에이터 등의 제어기에 슬립(sleep) 명령을 출력한다. 이 경우, 수소 탱크의 상태를 모니터링하는 제어기 또한 슬립 상태로 전환되어, 시동 요청 시에 압력과 온도가 측정되지 않아 시동이 걸리지 않을 수 있다.
연료전지를 탑재한 차량의 경우 장시간 운휴하는 경우가 많지 않으나, 연료전지를 탑재한 비 차량(건설기계 등)의 경우에는 장시간 운휴하는 경우가 잦기 때문에 연료전지 시스템의 잦은 시동 문제는 사용자의 불만을 일으킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 연료전지 시스템의 시동 시 압력이 확인되지 않아 시동 불가 상태에 있는 경우, 사전 조정 밸브를 개방하여 수소 탱크의 압력이 조절되는 동안 고압 센서를 통해 압력을 감지함으로써 연료전지 시스템의 시동 조건이 만족되도록 하는 연료 전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연료전지 시스템의 제어기 슬립 상태에서 시동 시 압력이 확인되지 않아 발생하는 시동 문제를 해결함으로써 고객의 만족도를 증대시킬 수 있도록 한, 연료전지 시스템 및 그의 연료 공급 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 연료공급라인 상에서 수소 탱크의 출구 측에 설치되는 제1 밸브, 상기 연료공급라인 상에서 상기 제1 밸브의 후단에 설치되는 제2 밸브, 및 연료전지 시동 요청 시 상기 수소 탱크의 상태에 기초하여 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 동작을 제어하는 연료전지 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 밸브는 사전 조정용 밸브이고, 상기 제2 밸브는 상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소의 유량 조절용 밸브인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 연료전지 시동 요청 시에 상기 수소 탱크의 상태를 확인하는 연료공급 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료공급 제어기는, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인지를 확인하고, 상기 수소 탱크의 상태에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하는지를 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 수소 탱크의 상태가 확인되지 않으면 상기 제1 밸브의 개방을 결정하고, 상기 수소 탱크가 정상 상태로 확인되면 상기 제2 밸브의 개방을 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지 않는 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하고, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 연료전지 시동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지만, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 연료전지 시동 불가 상태인 경우, 상기 제2 밸브가 차단된 상태에서 상기 제1 밸브가 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 상기 제1 밸브 개방 시, 상기 연료공급라인을 통해 배출되는 수소의 압력을 측정하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료공급 제어기는, 상기 제1 밸브가 개방되면, 상기 센서를 통해 측정된 압력에 기초하여 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태를 실시간으로 확인하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 상기 제2 밸브의 개방을 제어하는 신호를 출력하고, 상기 연료공급 제어기는, 상기 연료전지 제어기로부터 출력된 신호에 따라 상기 제2 밸브가 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 제어기는, 상기 제1 밸브가 개방되고 소정 시간이 경과하도록 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 방법은, 연료전지 시동 요청 시 수소 탱크의 상태를 확인하는 단계, 및 상기 수소 탱크의 상태에 기초하여 상기 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 연료공급라인 상에서 수소 탱크의 출구 측에 설치되는 제1 밸브 및 상기 연료공급라인 상에서 상기 제1 밸브의 후단에 설치되는 제2 밸브의 동작을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 확인하는 단계는, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인지를 확인하는 단계, 및 상기 수소 탱크의 상태에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하는지를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하지 않는 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하고, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 연료전지 시동을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지만, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 연료전지 시동 불가 상태인 경우, 상기 제2 밸브가 차단된 상태에서 상기 제1 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 제1 밸브 개방 시, 상기 연료공급라인을 통해 배출되는 수소의 압력을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 압력에 기초하여 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태를 재확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 상기 제2 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 상기 제1 밸브가 개방되고 소정 시간이 경과하도록 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 시동 시 압력이 확인되지 않아 시동 불가 상태에 있는 경우, 사전 조정 밸브를 개방하여 수소 탱크의 압력이 조절되는 동안 고압 센서를 통해 압력을 감지함으로써 연료전지 시스템의 시동 조건이 만족되도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 제어기 슬립 상태에서 시동 시 압력이 확인되지 않아 발생하는 시동 문제를 해결함으로써 고객의 만족도를 증대시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 수소 탱크 상태에 따라 밸브를 제어하는 동작을 설명하는데 참조되는 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지를 탑재한 이동체에 적용될 수 있다. 여기서, 이동체는 연료전지를 탑재한 차량을 포함할 수 있으며, 굴착용 기계, 적재용 기계, 콘크리트용 기계 등과 같이 연료전지를 탑재한 비 차량을 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 수소 탱크(10) 및 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)(20)을 포함하며, 수소 탱크(10)와 연료전지 스택(20)을 연결하는 연료공급라인(1) 상에 설치되는 제1 밸브(31), 제2 밸브(33) 및 제3 밸브(35)를 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 시스템은 수소 탱크(10)의 상태를 감시하고 수소의 상태에 따라 수소 탱크(10)와 연결된 구성요소들의 동작을 제어하는 연료공급 제어기(Hydrogen Manufacturing Unit, HMU)(120)를 더 포함할 수 있다.
수소 탱크(10)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 연료, 즉, 수소를 저장하는 수소 저장소로서, 내부에 수소의 압력 및 온도 등을 감지하기 위한 센서가 설치될 수 있다.
수소 탱크(10)는 저장된 수소를 공급하는 출구에 연료전지 스택(20)과 연결된 연료공급라인(1)이 설치되어, 연료공급라인(1)을 통해 연료전지 스택(20)으로 수소를 공급하게 된다.
연료전지 스택(20)은 연료공급라인(1)을 통해 수소 탱크(10)로부터 공급된 수소와, 공기의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(20)은 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(gas diffusion layer, GDL), 반응기체들 및 제1 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 제1 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(20)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급될 수 있다. 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달될 수 있다. 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킬 수 있다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성될 수 있다.
여기서, 연료전지 스택(20)은 연료전지 파워팩에 포함된 형태로 구현될 수 있다. 연료전지 파워팩이라 함은 연료전지 스택(20)과, 연료전지 스택(20)으로부터 전력을 공급하는데 필요한 모듈들을 포함하여 구성된 패키지를 의미할 수 있다.
제1 밸브(31)는 사전 조정(Preconditioning) 밸브로서, 연료공급라인(1) 상에서 수소 탱크(10)의 출구 측에 설치될 수 있다. 제1 밸브(31)는 연속(continuous) 제어를 통해 개도량 조절이 가능한 밸브로, 제어값은 상위 제어기인 연료전지 제어기(Fuel cell Control Unit, FCU)(110)에 의해 결정될 수 있다.
제3 밸브(35)는 연료전지 스택(20)으로 유입되는 수소의 유량을 조절하는 밸브로서, 연료공급라인(1) 상에서 연료전지 스택(20)의 입구 측에 설치될 수 있다. 제3 밸브(35)는 연료공급라인(1)을 통해 유입된 수소의 압력이 연료전지 스택(20)에서 이용 가능한 정도의 압력인 경우에 개방될 수 있다. 도 1에는 도시하지 않았으나, 제3 밸브(35)의 전단에는 연료공급라인(1)을 통해 공급되는 고압 수소를 연료전지 스택(20)에서 이용 가능한 정도의 압력으로 조절하는 레귤레이터 등이 설치될 수도 있다.
제2 밸브(33)는 수소 탱크(10)에서 배출되어 연료공급라인(1)을 통과하는 수소의 유량을 조절하는 밸브로서, 연료공급라인(1) 상에서 제1 밸브(31)와 제3 밸브(35) 사이에 설치될 수 있다. 제2 밸브(33)는 연료공급라인(1)을 통과하는 수소의 압력에 따라 개방될 수 있다. 물론, 제2 밸브(33)는 수소 탱크(10)가 정상적으로 수소 공급이 가능한 상태이거나, 수소 공급 제어가 가능한 상태에서만 개방될 수 있다.
일 예로, 제1 밸브(31), 제2 밸브(33) 및 제3 밸브(35)는 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다.
제1 밸브(31), 제2 밸브(33) 및 제3 밸브(35)는 연료전지 시스템의 상위 제어기인 연료전지 제어기(FCU)(110)에 의해 개방(open) 또는 차단(close)이 결정될 수 있다.
연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료전지 시동 요청 시 수소 탱크(10)의 상태에 따라 제1 밸브(31) 및 제2 밸브(33)의 개방(open) 또는 차단(close)을 결정할 수 있다. 일 예로, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 도 2에 도시된 테이블에 기초하여 제1 밸브(31) 및 제2 밸브(33)의 개방(open) 또는 차단(close)을 결정할 수 있다.
또한, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급라인(1)을 따라 수소 공급 시, 제3 밸브(35) 전단의 수소 압력에 따라 제3 밸브(35)의 개방(open) 또는 차단(close)을 결정할 수 있다.
이때, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 제1 밸브(31) 및/또는 제3 밸브(35)의 개방(open) 또는 차단(close)이 결정되면, 제1 밸브(31) 및/또는 제3 밸브(35)로 개방(open) 또는 차단(close)에 대응되는 제어신호를 출력할 수 있다.
이에, 제1 밸브(31) 및/또는 제3 밸브(35)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터의 제어신호에 따라 개방(open) 또는 차단(close) 될 수 있다.
한편, 제2 밸브(33)는 연료전지 제어기(FCU)(110)에 의해 개방(open) 또는 차단(close)이 결정되면, 연료전지 제어기(FCU)(110)의 결정에 따라 연료공급 제어기(HMU)(120)에 의해 개방(open) 또는 차단(close)이 제어될 수 있다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 제2 밸브(33)에 대한 개방(open) 또는 차단(close)이 결정되면, 개방(open) 또는 차단(close)을 제어하는 신호를 연료공급 제어기(HMU)(120)로 출력할 수 있다. 따라서, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터 수신된 신호에 기초하여 제2 밸브(33)로 개방(open) 또는 차단(close)에 대응하는 제어신호를 출력할 수 있다.
연료공급 제어기(HMU)(120)는 프로세서(processor)나 CPU(central processing unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 공급에 따른 전반적인 기능을 제어할 수 있다.
일 예로, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태를 실시간으로 확인하고, 수소 탱크(10)의 상태에 따른 상태 알람 기능을 제공한다. 또한, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태가 수소 공급 제어를 위한 조건을 만족하는지 확인하고, 조건을 만족하는 경우에 연료전지 스택(20)으로 연료, 즉, 수소를 공급하기 위한 동작들을 제어한다.
구체적으로, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 운전자에 의해 시동 요청이 있으면, 수소 탱크(10)의 상태 및 상태 알람 기능을 확인한다.
일 예로, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태가 정상적으로 확인 가능한지, 수소 탱크(10)의 상태에 따른 알람 기능이 정상적으로 수행되는지를 확인한다. 이동체가 오랜 시간 운휴 상태에 있는 경우 수소 탱크(10)의 상태 모니터링 및 알람 기능이 해제될 수 있으며, 이는 수소 공급에 큰 영향을 미치기 때문에 안전사고 방지를 위하여 시동 요청 시 해당 기능들이 정상적으로 작동 가능한지 확인하는 것은 꼭 필요한 과정이다.
이때, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태에 대한 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되지 않는 경우, 연료전지 시스템의 시동이 불가능한 것으로 판단하여 연료전지 제어기(FCU)(110)로 해당 정보를 전달한다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 수신된 정보에 기초하여 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 인식하고, 운전자에게 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 안내할 수 있다.
한편, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태에 대한 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는 경우, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태를 확인한다.
만일, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 정상으로 확인되면, 연료전지 시스템의 시동이 가능한 것으로 판단하여 연료전지 제어기(FCU)(110)로 해당 정보를 전달한다. 여기서, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 정상이라 함은 수소 공급 조건을 만족하는 압력 및 온도 상태를 의미한다. 만일, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 수소 공급 조건을 만족하지 않거나, 혹은 압력 및 온도가 확인되지 않는 경우에는 정상이 아닌 것으로 판단될 수 있다.
연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등이 확인되면, 이를 토대로 수소 탱크(10)의 수소 응집도(농도) 및 잔존량을 추정하여 수소 공급 제어를 수행할 수 있다. 이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 수신된 정보에 기초하여 연료전지 시스템의 시동 가능 상태를 인식하고, 연료전지 시스템의 시동을 제어할 수 있다.
연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태에 대한 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는 상태에서 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 확인되지 않으면, 수소 탱크(10)의 소수 응집도(농도) 및 잔존량을 추정할 수 없다. 따라서, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 연료전지 시스템의 시동이 불가능한 것으로 판단하여 연료전지 제어기(FCU)(110)로 해당 정보를 전달한다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 수신된 정보에 기초하여 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 인식한다.
다만, 이동체가 오랜 시간 운휴 상태에 있다가 시동 요청이 있는 경우, 수소 탱크(10)의 상태를 감지하는 기능 및/또는 상태 알림 기능 등이 해제된 상태였기 때문에, 센서 혹은 제어기들에 이상이 없더라도 정상적으로 압력 및 온도 등이 확인되지 않을 수 있다.
따라서, 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는 상태에서 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등이 확인되지 않는 경우, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 도 2의 테이블에 도시된 바와 같이, 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 운전자에게 안내하기 전에, 제1 밸브(31)를 우선 개방하도록 결정한다. 이때, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 확인될 때까지 제2 밸브(33)는 차단하는 것으로 결정한다.
물론, 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는 상태에서 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등이 확인되었더라도, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 수소 공급 조건을 만족하지 않는 경우에도 바로 제2 밸브(33)를 개방하지 않고 우선 제1 밸브(31)를 개방하는 것으로 결정할 수 있다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 제2 밸브(33)에 대한 차단 상태를 확인하고, 제2 밸브(33)의 차단 상태가 확인되면 제1 밸브(31)를 개방하는 신호를 제1 밸브(31)로 출력한다.
제1 밸브(31)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터의 신호에 기초하여 개방된다. 이때, 제1 밸브(31)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터 수신된 제어값에 따라 연속 제어될 수 있다.
따라서, 제2 밸브(33)가 차단된 상태에서 연료전지 제어기(FCU)(110)에 의해 제1 밸브(31)가 개방됨에 따라, 수소 탱크(10)에 저장된 수소가 출구를 통해 배출되며, 수소 탱크(10)로부터 배출된 수소는 연료공급라인(1)을 따라 제2 밸브(33)의 전단으로 공급된다.
수소 탱크(10)에 저장된 수소가 연료공급라인(1)을 따라 배출되는 동안, 수소 탱크(10)에 구비된 센서는 수소의 압력 및 온도를 감지할 수 있다. 일 예로, 고압 센서는 수소 탱크(10)의 수소 출구에 설치되어, 수소 탱크(10)로부터 배출되는 수소의 압력을 감지할 수 있다. 고압 센서는 제1 밸브(31)의 위치에 함께 설치될 수도 있다.
수소 탱크(10)에 저장된 수소가 연료공급라인(1)을 따라 배출되는 동안, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 상태를 실시간으로 확인한다. 이때, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 정상적으로 확인되면, 해당 정보를 상위 제어기인 연료전지 제어기(FCU)(110)로 송신한다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 수소 탱크(10)의 상태 정보를 확인하고, 도 2의 테이블에 도시된 바와 같이, 제2 밸브(33)를 개방하는 것으로 결정하여 연료공급 제어기(HMU)(120)로 해당 신호를 송신한다. 따라서, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터 수신된 신호에 기초하여 제2 밸브(33)를 개방하는 제어신호를 제2 밸브(33)로 출력한다.
제2 밸브(33)는 연료전지 제어기(FCU)(110)로부터의 신호에 기초하여 개방된다. 이때, 제2 밸브(33)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 PWM 제어될 수 있다.
이때, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 제1 밸브(31)를 연속 제어에서 PWM 제어로 전환할 수 있다. 따라서, 제1 밸브(31)는 연료전지 제어기(FCU)(110)에 의해 PWM 제어될 수 있다.
한편, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 연료전지 제어기(FCU)(110)에 의해 제1 밸브(31)가 개방되면, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등을 계속해서 확인한다.
만일, 제1 밸브(31)를 개방했음에도 불구하고 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 정상적으로 확인되지 않으면, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 연료전지 시스템의 시동이 불가능한 것으로 판단하여 연료전지 제어기(FCU)(110)로 해당 정보를 전달한다. 여기서, 연료공급 제어기(HMU)(120)는 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 확인되지 않거나, 혹은 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 수소 공급 제어 조건을 만족하지 않는 경우, 연료전지 시스템의 시동이 불가능 한 것으로 판단할 수 있다.
이에, 연료전지 제어기(FCU)(110)는 연료공급 제어기(HMU)(120)로부터 수신된 정보에 기초하여 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 인식하고, 운전자에게 연료전지 시스템의 시동 불가 상태를 안내할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 장치의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 연료 공급 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템은 운전자에 의해 시동 요청이 있으면(S110), 수소 탱크(10)의 상태 및 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는지를 확인한다. 만일, 수소 탱크(10)의 상태에 대한 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되지 않는 경우(S120), 연료전지 시스템은 운전자에게 연료전지 시동 불가 상태를 안내할 수 있다(S180).
한편, 연료전지 시스템은 'S120' 과정에서 수소 탱크(10)의 상태에 대한 상태 알람 기능이 정상적으로 수행되는 경우, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 연료전지 스택(20)으로 수소를 공급하기 위한 조건을 만족하는 정상 상태인지를 확인한다.
만일, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 정상 상태로 확인되면(S130), 연료전지 시스템은 이를 토대로 수소 탱크(10)의 수소 응집도(농도) 및 잔존량 등을 추정하여 수소 공급 제어를 수행할 수 있다. 이에, 연료전지 시스템은 'S130' 과정에서 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 정상 상태로 확인되면, 연료전지 시동을 제어할 수 있다(S190). 연료전지 시스템은 'S190' 과정에서 연료전지 시동을 제어하기 이전에 제1 밸브(31), 제2 밸브(33)를 개방하여 연료전지 스택(20)으로 수소가 공급되도록 한다. 제3 밸브(35)는 공급되는 수소의 압력에 따라 개방 여부가 결정될 수 있다.
'S130' 과정에서 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시스템은 수소 탱크(10)의 소수 응집도(농도) 및 잔존량을 추정할 수 없어 수소 공급량 등을 제어할 수 없기 때문에, 시동이 불가능한 상태를 확인한다(S140). 여기서, 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 수소 공급 제어를 위한 조건을 만족하지 않거나, 압력 및 온도 등의 확인이 불가능한 경우에는 정상 상태가 아닌 것으로 판단할 수 있다.
이 경우, 연료전지 시스템에 이상이 없는 경우에도 오랜 시간 동안 이동체의 운휴 등으로 인해 압력 및 온도 등이 확인되지 않을 수 있다.
따라서, 연료전지 시스템은 제2 밸브(33)가 차단된 상태에서 제1 밸브(31)를 우선 개방한다(S150). 'S150' 과정에서 제1 밸브(31)는 연속(continuous) 제어를 통해 개도량이 조절될 수 있다.
이 경우, 제2 밸브(33)가 차단된 상태에서 제1 밸브(31)가 개방됨에 따라, 수소 탱크(10)에 저장된 수소가 출구를 통해 배출되며, 수소 탱크(10)로부터 배출된 수소는 연료공급라인(1)을 따라 제2 밸브(33)의 전단으로 공급된다. 수소 탱크(10)에 저장된 수소가 연료공급라인(1)을 따라 배출되는 동안, 수소 탱크(10)에 구비된 센서는 수소의 압력 및 온도를 감지할 수 있다.
연료전지 시스템은 수소 탱크(10)에 구비된 센서를 통해 수소 탱크(10)의 상태를 실시간으로 확인한다. 이 과정에서, 연료전지 시스템은 수소 탱크(10)의 압력 및 온도가 정상 상태로 확인되면(S160), 제1 밸브(31) 및 제2 밸브(33)를 모두 개방하고(S170), 연료전지 시동을 제어할 수 있다(S190). 'S170' 과정에서, 제1 밸브(31) 및 제2 밸브(33)는 PWM 제어에 의해 개도량이 조절될 수 있다. 이 경우, 연료전지 시스템은 연료공급라인(1)을 따라 제3 밸브(35) 전단으로 인가된 수소의 압력이 연료전지 스택(20)에서 이용 가능한 압력인 경우 제3 밸브(35)를 개방할 수 있다.
한편, 'S160' 과정에서, 제1 밸브(31)가 개방되고 소정 시간이 경과하도록 수소 탱크(10)의 압력 및 온도 등의 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시스템은 수소 탱크(10)의 소수 응집도(농도) 및 잔존량을 추정할 수 없어 수소 공급량 등을 제어할 수 없기 때문에, 운전자에게 연료전지 시동 불가 상태를 안내할 수 있다(S180).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 수소 탱크 20: 연료전지 스택
31: 제1 밸브 33: 제2 밸브
35: 제3 밸브 110: 연료전지 제어기(FCU)
120: 연료공급 제어기(HMU)
1: 연료공급라인

Claims (22)

  1. 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 연료공급라인 상에서 상기 수소 탱크의 출구 측에 설치되는 제1 밸브;
    상기 연료공급라인 상에서 상기 제1 밸브의 후단에 설치되는 제2 밸브; 및
    연료전지 시동 요청 시 상기 수소 탱크의 상태에 기초하여 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 동작을 제어하는 연료전지 제어기;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 밸브는,
    사전 조정용 밸브이고,
    상기 제2 밸브는,
    상기 수소 탱크로부터 공급되는 수소의 유량 조절용 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 시동 요청 시에 상기 수소 탱크의 상태를 확인하는 연료공급 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료공급 제어기는,
    상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인지를 확인하고, 상기 수소 탱크의 상태에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하는지를 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 수소 탱크의 상태가 확인되지 않으면 상기 제1 밸브의 개방을 결정하고, 상기 수소 탱크가 정상 상태로 확인되면 상기 제2 밸브의 개방을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지 않는 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하고, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 연료전지 시동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지만, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 연료전지 시동 불가 상태인 경우, 상기 제2 밸브가 차단된 상태에서 상기 제1 밸브가 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 밸브 개방 시, 상기 연료공급라인을 통해 배출되는 수소의 압력을 측정하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료공급 제어기는,
    상기 제1 밸브가 개방되면, 상기 센서를 통해 측정된 압력에 기초하여 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태를 실시간으로 확인하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 상기 제2 밸브의 개방을 제어하는 신호를 출력하고,
    상기 연료공급 제어기는,
    상기 연료전지 제어기로부터 출력된 신호에 따라 상기 제2 밸브가 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연료전지 제어기는,
    상기 제1 밸브가 개방되고 소정 시간이 경과하도록 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 연료전지 시동 요청 시 수소 탱크의 상태를 확인하는 단계; 및
    상기 수소 탱크의 상태에 기초하여 상기 수소 탱크와 연료전지 스택을 연결하는 연료공급라인 상에서 수소 탱크의 출구 측에 설치되는 제1 밸브 및 상기 연료공급라인 상에서 상기 제1 밸브의 후단에 설치되는 제2 밸브의 동작을 제어하는 단계;
    를 포함하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 확인하는 단계는,
    상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인지를 확인하는 단계; 및
    상기 수소 탱크의 상태에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하는지를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하지 않는 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상적으로 동작하고, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 연료전지 시동을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 수소 탱크에 대한 상태 알림 기능이 정상 동작하지만, 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 연료전지 시동 불가 상태인 경우, 상기 제2 밸브가 차단된 상태에서 상기 제1 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 밸브 개방 시, 상기 연료공급라인을 통해 배출되는 수소의 압력을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 압력에 기초하여 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태를 재확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태인 것으로 확인되면, 상기 제2 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 제1 밸브가 개방되고 소정 시간이 경과하도록 상기 수소 탱크의 압력 및 온도 상태가 정상 상태가 아닌 것으로 확인되면, 연료전지 시동 불가 상태를 안내하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 연료 공급 방법.
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