KR20230152922A - 연료 전지 시스템 장치 - Google Patents

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이용희
송세훈
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현대모비스 주식회사
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Abstract

일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell); 및 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 이용하는 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템 장치{APPARATUS FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 일실시예는 연료 전지 시스템 장치, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 PEMEC(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell) 그린수소를 이용한 PEMFC 제어에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료의 화학적인 반응으로 전기 에너지를 생산해 내는 시스템으로서, 환경 문제를 해결할 수 있는 대안으로 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등을 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 다양한 환경에 따라 여러 가지 문제가 발생하므로, 이러한 문제를 해결하기 위한 노력이 지속되고 있으나, 큰 성과가 없는 실정이다.
일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell); 및 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 이용하는 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하되, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)까지의 상기 액체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 드레인 밸브를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 상기 드레인 밸브가 장착되거나 또는 연결된 버퍼 리저버 탱크(buffer reservoir tank)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)로부터 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)까지의 상기 기체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 그린수소 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 차량용 수소 저장탱크로부터 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 공급되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제1 체크밸브(check valve)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 상기 그린수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제2 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템 장치는, 상기 제1 체크밸브 또는 상기 제2 체크밸브를 통하여 유입되는 수소의 압력을 제어하는 수소압 제어부를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 수소압 제어부는, 상기 제1 체크밸브 또는 상기 제2 체크밸브와 연결된 압력차단 밸브; 및 상기 압력차단 밸브와 연결된 압력조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어하는 PEMFC 제어부; 및 상기 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어하는 PEMEC 제어부를 포함하되, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하되, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 PEMEC 제어부는, 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 PEMFC 제어부는, 차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법은, 연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어하는 단계; 및 상기 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어하는 단계를 포함하되, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법은, 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하도록 제어하는 단계; 및 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 PEMEC를 제어하는 단계는, 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 PEMFC를 제어하는 단계는, 차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 수소압 제어부를 나타내는 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 추가되는 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 그린수소의 사용을 나타내는 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치의 블록도이다.
도 7은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 흐름도이다.
도 8은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 그린수소 생산을 나타내는 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 그린수소 사용을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 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 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치에 대한 블록도이다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)(110)와, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 이용하는 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)(120)를 포함할 수 있다. 배출되는 물질은 물 또는 응축수를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 연료 전지 시스템 장치의 적어도 일부를 제어하는 제어기 또는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 후술되는 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템 장치는, 연료 전지 시스템 장치는, 차량용 연료 전지 시스템을 포함하거나, 또는 차량용 연료 전지 시스템에 적용/사용될 수 있다. 연료 전지 시스템 장치는, 본 발명에서 발명을 설명하기 위해 사용되는 모든 구성의 적어도 일부를 포함하거나 또는 모든 동작/기능 중 적어도 일부를 수행할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 연료 전지 시스템 또는 연료 전지의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템 장치는, 전기회로, 전자회로, 통신회로, 프로세서, 반도체, 메모리, 데이터송수신기, 밸브의 적어도 일부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(120)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)에서 발생하는 물질을 전기 분해할 수 있다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)에서 발생하는 물질은 물 또는 응축수를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(120)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)로부터 배출되는 액체를 분해하여(예를 들어, 전기분해하여) 기체를 생성하되, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)가 생성되는 기체를 이용할 수 있다. 배출되는 액체는 물 또는 응축수를 포함할 수 있고, 생성되는 기체는 수소를 포함할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)는 애노드(anode) 극에 수소가 투입되고, 캐소드(cathode) 쪽에 공기나 산소가 투입될 수 있다.
투입된 수소는 양성자/양자(proton) 형태로 분해되면서 전해질을 통해 캐소드로 이동하여 산소와 만나 물을 형성하게 되고, 분해된 전자는 캐소드 전극으로 이동하며 전위차를 형성할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)는 SPEFC(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell), SPFC(Solid Polymer Fuel Cell), PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell), 저온 산성 연료전지 등을 포함할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)는 적은 부피와 무게, 작동온도 조건, 에너지 효을 등 다양한 장점들을 가지고 있으며, 차량의 출력원으로 이용될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(110)는 저온 PEMFC이므로 운전 중 고분자 전해질막의 수분조절이 필요시 주기적으로 물을 배출할 수 있으며, 연료 전지 시스템 장치는, 동계와 같이 혹한의 조건에서 배출수가 문제를 일으키는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 수소 이용료가 비싸고, 충전 인프라가 제대로 구축되지 않은 현재와 같은 시점에서, 주행 가능거리 증대를 위한 방안이 제공할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 배출수를 재활용하여 혹한시 PEMFC의 문제를 줄일 수 있다.
연료 전지 시스템에 포함되는 고전압 배터리의 전압이 충분히 상승되었을때(과충전시) 구동 모터로부터 들어오는 전력을 PTC 저항이 열로 소모하고, 구동 모터는 회생을 더 이상 하지 않는 상황이 발생할 수 있으므로, 연료 전지 시스템 장치는 이러한 상황과 같이 잔여 에너지가 생겼을 때 다른 곳에서 활용할 수 있는 방안을 제공할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는 새로운 연료전지 에너지 순환 시스템을 제공할 수 있으며, 수소를 생산하여 저장하거나 PEMFC에서 재사용할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(220)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다. 발생하는 물질은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)에서 배출되는 배출수/응축수 또는 물일 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(220)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하되, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)가 생성되는 기체를 이용할 수 있다. 생성되는 기체는 수소일 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)로부터 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(220)까지의 액체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 드레인 밸브를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 드레인 밸브가 장착되거나 또는 연결된 버퍼 리저버 탱크(buffer reservoir tank)/버퍼 리저버를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)(220)로부터 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)까지의 기체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 그린수소 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 차량용 수소 저장탱크로부터 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)(210)로 공급되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제1 체크밸브(check valve)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 그린수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제2 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템 장치는, 제1 체크밸브 또는 제2 체크밸브를 통하여 유입되는 수소의 압력을 제어하는 수소압 제어부를 더 포함할 수 있다. 수소압 제어부와 관련된 부분(201)은 도 3에서 다시 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 수소압 제어부를 나타내는 도면이다.
일실시예에 따르면, 수소압 제어부(303)는, 고압 수소를 방출하는 제1 체크밸브(301)와 연결된 (제1) 압력차단 밸브(FCV 1), 중압 수소를 방출하는 제2 체크밸브(302)와 연결된 (제2) 압력차단 밸브(FCV 2)를 포함할 수 있다.
수소압 제어부(303)는, (제1) 압력차단 밸브(FCV 1)와 연결된 (제1) 압력조절 밸브(FSV 1), (제2) 압력차단 밸브(FCV 2)와 연결된 (제2) 압력조절 밸브(FSV 2)를 더 포함할 수 있다.
수소압 제어부(303)는, (제1) 압력조절 밸브(FSV 1) 및 (제2) 압력조절 밸브(FSV 2)와 연결된 2웨이 체크밸브를 더 포함할 수 있다. (제1) 압력조절 밸브(FSV 1) 또는 (제2) 압력조절 밸브(FSV 2)는 저압 수소를 방출할 수 있고, 2웨이 체크밸브는 저압 수소를 방출할 수 있다. 방출된 저압 수소는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 이동할 수 있다. 이동한 저압 수소는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 사용될 수 있다.
제2 체크밸브(302)를 통과하는 생성된 그린수소를 저장하는 그린수소 저장탱크의 압력과 차량용 수소 저장탱크의 압력 간 차이가 발생하므로, 수소압 제어부(303)는, 각각의 수소를 동일하게 저압 수소로 맞춰줄 수 있다.
각각의 탱크로부터 나온 고압 수소, 중압 수소는 체크밸브를 각각 거쳐 각각의 압력차단 밸브에 도달하며, 압력조절 밸브를 통과하며 저압이 형성될 수 있다.
압력조절 밸브의 경우 입력(input) 압력(입력압)에 따른 출력(output) 압력(출력압)을 설정하거나 또는 세팅된 pwm 듀티(duty)로 조절해야 하므로 입력압마다 솔밸브(솔레노이드 밸브)의 사양이 달라질 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템 장치의 수소압 제어부(303)는, 압력조절 밸브에서 2웨이(2way)를 사용하지 않고, 각각의 압력조절 밸브와 연결된 2웨이 체크밸브를 포함할 수 있다.
수소압 제어부(303)의 FCV 1, FCV 2 또는 FSV 1, FSV 2는 연료 전지 시스템 장치의 FCU 등을 사용하여 제어될 수 있으며, 사용하는 수소에 따라 가변적으로 제어가 이루어질 수 있다.
버퍼 리저버 탱크(버퍼 리저버)는 로드셀 또는 수위 센서가 장착되어 응축수의 양을 계산할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 일정 응축수가 모이게 되면, FCU 등을 이용하여 드레인 밸브를 개방하여 PEMEC로 물을 보내고 수전해를 시작할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 그린수소 저장탱크의 SoF/충전 비율(State of Function) 등의 현재 상태가 100%이거나 또는 100%에 근접할 경우, 버퍼 리저버 탱크/버퍼 리저버에 물이 없으면 PEMEC가 가동을 중단하도록 제어할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 추가되는 구성을 나타내는 도면이다.
PEMEC(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)는 PEMFC에서 발생하는 응축수를 구동모터로부터 발생하는 회생전력을 이용하여 수전해를 수행할 수 있다. 이렇게 생성된 수소는 그린수소일 수 있으며, 이러한 그린수소는 그린수소 저장탱크에 저장될 수 있다.
각각의 수소 저장탱크는 모두 각각의 수소 탱크 밸브(HTV)를 구비하거나 또는 수소 탱크 밸브(HTV)와 연결될 수 있으며, 연료 전지 시스템 장치는 이러한 수소 탱크 밸브(HTV)를 HMU 등을 이용하여 제어할 수 있다.
만약 그린수소 저장탱크의 내부 압력(내압)이 17 바(bar)를 초과한다면, 그린수소 저장탱크의 후단에는 중압 레귤레이터((Hydrogen Pressure Regulator)가 장착될 수 있다. 따라서, 그린수소 저장탱크로부터 제2 체크밸브(체크밸브 2)까지의 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 중압 레귤레이터(401)가 배치될 수 있다. 또한, 중압 레귤레이터(401)에 근접하여 벤팅 밸브(Hydrogen Pressure Relief Valve), 중압 센서(Medium Pressure Sensor)가 배치될 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는 이러한 중압 레귤레이터(401), 벤팅 밸브, 중압 센서를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템 장치는 그린수소 저장탱크와 연결되거나 또는 그린수소 저장탱크에 장착된 수소 탱크 밸브(HTV/Tank Valve)에 근접한 고압 센서(High Pressure Sensor)를 포함할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템 장치의 그린수소의 사용을 나타내는 도면이다.
연료 전지 시스템 장치는, 그린수소를 생성하여 그린수소 저장탱크(501)에 저장하며, 또한 직접 생성한 그린수소를 사용함으로써 민간 발전, 가스 공사 등에 수익을 가져올 수 있으며, 수소 충전시 혜택을 제공할 수도 있을 것이다.
연료 전지 시스템 장치는, 그린수소를 생산 및 활용하여 새로운 사업화가 가능할 뿐만 아니라 수소 경제 활성화에도 기여할 수 있다는 장점이 있다.
연료 전지 시스템 장치는, 불필요한 전력 소모 방지를 통해 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 전지 시스템의 전비를 향상시킬 수 있고, 연료 전지용 고전압 배터리의 저장특성(shelf life)을 저감시킬 수 있다.
또한, 연료 전지 시스템 장치의 생산되는 수소는 그린수소이므로, 생산된 그린수소를 PEMFC에서 사용한 만큼 친환경 베네핏을 받도록 연료 전지 시스템 장치의 제어기 또는 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는 누적값을 저장할 수 있고(주행거리 오도미터(odometer) 저장 방식으로 임의 설정(configure) 불가 처리), 생산된 그린수소는 PEMFC에서 사용하지 않고 발전 사업자화할 수도 있다.
도 6은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치의 블록도이다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치(600)는, 연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어하는 PEMFC 제어부(601)와, 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어하는 PEMEC 제어부(602)를 포함할 수 있다.
연료 전지 시스템을 위한 제어 장치(600)는, 상술한 연료 전지 시스템 장치의 구성 요소 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용할 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성할 수 있으며, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 이렇게 생성되는 기체를 이용할 수 있다.
일실시예에 따르면, PEMEC 제어부(602)는, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따르면, PEMFC 제어부(601)는, 차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 각 단계는, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치의 구성 요소의 적어도 일부에 의해 수행될 수 있다.
단계(701)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어할 수 있다.
단계(702)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어할 수 있다.
일실시예에 따르면, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해할 수 있다.
일실시예에 따르면, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하도록 제어할 수 있다.
이때, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 이렇게 생성되는 기체를 이용하도록 제어할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 그린수소 생산을 나타내는 도면이다.
단계(801)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, PEMFC를 켜도록(On) 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 사용자(예를 들어, 차량의 탑승자/운전자 등) 또는 관리자가 연료 전지 시스템 또는 연료 전지의 사용을 요청할 경우, PEMFC의 작동을 시작할 수 있다.
단계(802)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU(Fuel cell Control Unit) 또는 FDV(Fuel-line Discharge Valve) 등을 이용하여 응축수를 감지 및 처리하도록 제어할 수 있다.
단계(803)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 배터리 관리 시스템(BMS) 등을 이용하여 고전압 배터리 SoC(State of Charge)를 확인할 수 있다.
단계(804)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, SoC가 85%를 초과할 경우(또는 85%와 동일할 경우), FCU 등을 이용하여 SPDT(Single Pole, Double Throw) 스위치(Switch) N.O 연결과 같은 양방향 스위치 또는 3로 스위치의 NO(Normally Open) 접점 또는 핀 연결을 수행할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 회생 전력이 PEMEC로 이동하도록 제어할 수 있다.
단계(805)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 드레인 밸브 수위를 확인할 수 있다. 드레인 밸브 수위는, 드레인 밸브가 연결되거나 또는 드레인 밸브가 장착된 탱크의 수위일 수 있다.
단계(811)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, SoC가 85% 미만인 경우(또는 85%와 동일할 경우), 또는 드레인 밸브 수위의 수위 레벨이 낮은 로우(Low)일 경우, FCU 등을 이용하여 그린수소 생산을 하지 않도록 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 회생 전력이 고전압 배터리로 이동하도록 제어할 수 있다.
단계(812)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, VCU(Vehicle Control Unit) 등을 이용하여 기존 PEMFC의 작동 그대로 수행하도록 제어할 수 있다.
단계(806)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 드레인 밸브 수위의 수위 레벨이 높은 하이(High)일 경우, FCU 등을 이용하여 PEMEC를 켜도록(On) 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, PEMEC의 작동을 시작할 수 있다.
단계(807)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 드레인 밸브를 개방(Open)하도록 제어할 수 있다.
단계(808)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU(Hydrogen storage system Management Unit) 등을 이용하여 그린수소 저장탱크의 SoF(State of Function)/충전 비율 등을 모니터링하도록 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 그린수소를 생산하도록 제어할 수 있다.
단계(813)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 BSW(Basic Software) NvM(Nonvolatile Memory)에 △SoF(SoF 변화량/SoF 비율 등)를 저장하도록 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 그린수소 누적 생산량을 메모리에 저장하도록 제어할 수 있다.
단계(809)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU 등을 이용하여 그린수소 저장탱크의 SoF가 90%를 초과하였는지 여부를 확인할 수 있다.
단계(810)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 그린수소 저장탱크의 SoF가 90%를 초과하였을 경우, PEMEC를 끄도록(Off) 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, PEMEC의 작동을 종료하도록 제어할 수 있다.
연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 그린수소 저장탱크의 SoF가 90%보다 미만이거나 또는 90%와 동일할 경우, 다시 단계(803)을 수행할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법의 그린수소 사용을 나타내는 도면이다.
단계(901)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, PEMFC를 켜도록(On) 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 사용자(예를 들어, 차량의 탑승자/운전자 등) 또는 관리자가 연료 전지 시스템 또는 연료 전지의 사용을 요청할 경우, PEMFC의 작동을 시작할 수 있다.
단계(902)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU 등을 이용하여 차량용 수소 저장탱크의 SoF를 확인할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 충분한지 여부를 확인할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량을 기설정된 임계값과 비교할 수 있다.
단계(903)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU 등을 이용하여 차량용 수소 저장탱크의 SoF가 12%보다 미만일 경우(또는 12%와 동일할 경우), 그린수소 저장탱크의 수소 탱크 밸브(HTV/Tank Valve)를 개방할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 기설정된 임계값보다 작을 경우, 수소 저장량이 적다고 판단할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 기설정된 임계값보다 작을 경우, 그린수소 저장탱크의 수소 탱크 밸브를 개방하도록 제어할 수 있다.
단계(909)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 SoF가 12%를 초과할 경우(또는 12%와 동일할 경우), FCU 등을 이용하여 그린수소 사용을 하지 않도록 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 기설정된 임계값보다 클 경우, 수소 저장량이 많다고 판단할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 기설정된 임계값보다 클 경우, 그린수소 사용을 하지 않도록 제어할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 차량용 수소 저장탱크의 수소 저장량이 기설정된 임계값보다 클 경우, 그린수소 저장탱크의 수소 탱크 밸브를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
단계(910)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, VCU 등을 이용하여 기존 PEMFC의 작동 그대로 수행하도록 제어할 수 있다.
단계(904)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 제2 압력차단 밸브(FCV 2)를 개방하도록 제어하고, 제2 압력조절 밸브(FSV 2)를 제어(Control)할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 제2 압력조절 밸브(FSV 2)를 개방하도록 제어할 수 있다.
단계(905)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 제1 압력조절 밸브(FSV 1)를 폐쇄하도록 제어하고, 제1 압력차단 밸브(FCV 1)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
단계(906)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU 등을 이용하여 Tnk Prs(tank pressure)/탱크의 압력 등(예를 들어, 그린수소 저장탱크의 압력 또는 저장량)을 확인 또는 체크(check)할 수 있다.
단계(907)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, HMU 등을 이용하여 인지 여부를 확인할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 그린 수소 사용 여부를 확인할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 상기 식이 마이너스일 경우 그린 수소의 사용량이 있다고 판단할 수 있다.
단계(908)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 상기 식이 마이너스일 경우, FCU 등을 이용하여 PEMFC 출력 상태를 모니터링하도록 제어할 수 있다.
단계(911)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 상기 식이 마이너스가 아닐 경우, HMU 등을 이용하여 그린수소 공급 폴트(Fault)가 발생하였다고 판단하거나 또는 그린수소 공급 폴트를 진단할 수 있다.
단계(912)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 제1 압력조절 밸브(FSV 1)를 개방하도록 제어하고, 제1 압력차단 밸브(FCV 1)를 개방하도록 제어할 수 있다.
단계(913)에서, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, FCU 등을 이용하여 제2 압력차단 밸브(FCV 2)를 폐쇄하도록 제어하고, 제2 압력조절 밸브(FSV 2)를 폐쇄하도록 제어할 수 있다. 이후, 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 단계(910)을 수행할 수 있다. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치는, 기존 차량의 차량용 수소 저장탱크의 수소를 이용할 수 있도록 제어할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell); 및
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 이용하는 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)
    를 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해하는 연료 전지 시스템 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하되,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용하는 연료 전지 시스템 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)까지의 상기 액체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 드레인 밸브
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 드레인 밸브가 장착되거나 또는 연결된 버퍼 리저버 탱크(buffer reservoir tank)
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)로부터 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)까지의 상기 기체의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 그린수소 저장탱크
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    차량용 수소 저장탱크로부터 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 공급되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제1 체크밸브(check valve)
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 그린수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 이동 경로 중 적어도 일부에 배치된 제2 체크밸브
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 체크밸브 또는 상기 제2 체크밸브를 통하여 유입되는 수소의 압력을 제어하는 수소압 제어부
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수소압 제어부는,
    상기 제1 체크밸브 또는 상기 제2 체크밸브와 연결된 압력차단 밸브; 및
    상기 압력차단 밸브와 연결된 압력조절 밸브
    를 더 포함하는 연료 전지 시스템 장치.
  11. 연료 전지 시스템을 위한 제어 장치에 있어서,
    연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어하는 PEMFC 제어부; 및
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어하는 PEMEC 제어부
    를 포함하되,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용하는 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해하는 제어 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하되,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용하는 제어 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 PEMEC 제어부는,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어하는 제어 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 PEMFC 제어부는,
    차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어하는 제어 장치.
  16. 연료 전지 시스템을 위한 제어 방법에 있어서,
    연료 전지 시스템의 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제어하는 단계; 및
    상기 연료 전지 시스템의 적어도 일부의 상태를 기초로 고분자 전해질 수전해(PEMEC: Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)를 제어하는 단계
    를 포함하되,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 물질 중 적어도 일부를 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 이용하는 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)는,
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 발생하는 물질을 분해하는 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)가 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로부터 배출되는 액체를 분해하여 기체를 생성하도록 제어하는 단계; 및
    상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 상기 생성되는 기체를 이용하도록 제어하는 단계
    를 더 포함하는 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 PEMEC를 제어하는 단계는,
    상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)와 연결된 드레인 밸브 또는 그린수소 저장탱크를 기초로 상기 고분자 전해질 수전해(PEMEC)를 제어하는 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 PEMFC를 제어하는 단계는,
    차량용 수소 저장탱크로부터 공급되는 수소의 상태를 기초로 상기 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 제어하는 제어 방법.
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