KR20240020819A - 연료전지 진단 시스템 및 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 진단 시스템은, 연료전지를 구성하는 복수의 부품; 및 상기 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 상기 복수의 부품의 동작을 제어하고, 상기 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
Description
본 문서에 개시된 실시예들은 연료전지 진단 시스템 및 진단 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택을 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 수소가 연료전지 스택의 연료로 사용되는 경우 지구환경문제를 해결하는 대안이 될 수 있으므로 연료전지 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다. 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(thermal management system, TMS)을 포함할 수 있다.
일반적으로 연료전지 스택은 복수의 단위 셀들이 연속적으로 배치되어 구성되며, 단위 셀들 각각에서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이 때, 단위 셀들 중에서 어느 일부의 셀에서 고장이 발생하면 스택의 성능이 저하되어 연료전지 동작의 안정성이 문제가 될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 연료전지 스택에서의 개방회로전압(OCV)을 측정하여 일부 셀의 고장 등으로 인한 성능 저하를 진단하였다.
일반적인 연료전지의 시동 과정에 따르면, 시동 과정이 완료될 시점에 이르러 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 체크하여 연료전지의 이상 여부를 판단하였다. 이 때, 스택의 개방회로전압(OCV) 형성에 이상이 있다고 판단되면 연료전지의 동작 안전성을 위해 연료전지의 시동을 오프하게 되고, 그에 따라 시동 과정에서 소모된 수소, 산소 및 전력이 낭비된다는 문제가 있었다.
또한, 일반적으로 연료전지의 동작을 종료한 후에는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 절차를 통해 연료전지 내의 잔존 수소 및 잔존 산소를 제거하는데, 현실적으로 모든 수소 및 산소를 제거할 수 없다. 따라서, 시동 과정에서 잔존 수소와 산소의 반응으로 인해 개방회로전압(OCV)의 들뜸 현상이 발생하였다. 이에, 시동 과정에서 잔존 수소 및 잔존 산소의 반응으로 인해 필연적으로 발생할 수 밖에 없는 개방회로전압(OCV)의 들뜸 현상을 진단 과정에 이용할 수 있도록 시동 과정에서의 부품 동작 순서를 변경하여 보다 효율적으로 연료전지의 진단을 가능케 하고자 한다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 진단 시스템은, 연료전지를 구성하는 복수의 부품; 및 상기 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 상기 복수의 부품의 동작을 제어하고, 상기 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 복수의 부품은 수소탱크로부터 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 제어하는 수소 차단 밸브(FCV); 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소 공급량을 제어하는 수소 공급 밸브(FSV); 상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 제어하는 공기 차단 밸브(ACV); 및 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기압을 제어하는 공기압축기(ACP)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 수소 차단 밸브를 오픈하고, 상기 공기압축기를 통해 상기 공기 차단 밸브 전단에 상기 공기 공급압을 형성하고, 상기 수소 공급 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하고, 및 상기 공기 차단 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 공기 차단 밸브를 오픈한 후 제1 시간 내에 상기 상기 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값 이상으로 도달하는지 여부를 판단할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 개방회로전압(OCV)이 상기 제1 시간 내에 상기 기 설정된 값 이상으로 도달하는 경우 상기 연료전지를 정상으로 판단할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 연료전지가 정상으로 판단되지 않는 경우 상기 수소 차단 밸브, 상기 수소 공급 밸브, 상기 공기 차단 밸브 및 상기 공기압축기의 동작을 중단하도록 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 시동 과정은 복수의 시동 상태를 포함하고, 상기 제어부는 상기 시동 상태에 기초하여 상기 복수의 부품의 온오프를 더 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 시동 상태에 대응되는 값을 가지는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호의 값에 기초하여 상기 복수의 부품의 온오프를 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 시동 상태는, 상기 연료전지의 배터리 및 상기 제어부에 전력을 공급하는 점화 상태; 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 진단 상태; 및 상기 연료전지의 이상이 없다고 판단되면 상기 시동 과정을 완료하는 완료 상태를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 복수의 부품은 상기 연료전지 스택의 수소 또는 공기의 공급과 관련된 제1 부품 그룹; 및 상기 제1 그룹에 포함되지 않는 제2 부품 그룹을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 시동 상태가 상기 진단 상태일 때, 상기 제1 부품 그룹을 온시키고 상기 제2 부품 그룹을 오프시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하면 동작할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제2 조건은, 상기 DTC 코드에 기초하여 상기 연료전지의 COD 미수행 또는 히터 고장이 감지되는 조건일 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 연료전지의 이상이 판단되면 이상을 알리고 상기 시동 과정을 중단할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예에 따르면, 연료전지 진단 방법은, 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 복수의 부품의 동작을 제어하는 단계; 및 상기 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 복수의 부품은 수소탱크로부터 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 제어하는 수소 차단 밸브(FCV); 상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소압을 제어하는 수소 공급 밸브(FSV); 상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 제어하는 공기 차단 밸브(ACV); 및 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기압을 제어하는 공기압축기(ACP)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 복수의 부품의 동작을 제어하는 단계는, 상기 수소 차단 밸브를 오픈하는 단계; 상기 공기압축기를 통해 상기 공기 차단 밸브 전단에 공기압을 형성하는 단계; 상기 수소 공급 밸브를 오픈하여 연료전지 스택에 수소를 공급하는 단계; 및 상기 공기 차단 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 단계는, 상기 공기 차단 밸브를 오픈한 후 제1시간 내에 상기 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값 이상으로 도달하는지 여부를 판단하는 것일 수 있다.
실시예에 따르면, 연료전지 진단 방법은, 상기 연료전지의 이상이 판단되면 이상여부를 알리고 상기 시동 과정을 중단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 연료전지 진단 방법은, 상기 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들에 따른 연료전지 진단 시스템은, 연료전지를 구성하는 복수의 부품 각각의 동작 상태 및 동작 순서를 제어하여 시동 과정에서 연료전지 스택에 개방회로전압(OCV)이 생성되는 시점을 앞당겨 더 신속하게 연료전지의 진단을 가능하게 할 수 있다. 그에 따라, 진단 과정에서 소모되는 수소, 산소 및 전력을 줄일 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들에 따른 연료전지 진단 시스템은, 시동 단계를 구분하고, 진단 단계에서는 개방회로전압(OCV)와 관련이 없는 부품들의 전원을 오프시켜 소모 전력을 아끼며 보다 정확한 개방회로전압(OCV) 측정을 통해 이상 여부를 정확하고 효과적으로 판단할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시예들에 따른 연료전지 진단 시스템은, 제어부의 동작 조건을 설정하여 동작 조건을 만족하는 경우 연료전지 이상을 판단하여 효과적으로 연료전지를 진단할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 블록도이다.
도 3a는 일반적인 연료전지 시동 과정에서 잔존 수소에 의한 개방회로전압(OCV) 들뜸의 예시를 보여주는 도면이다.
도 3b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 개방회로전압(OCV)을 생성하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 3c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 시동 상태에 따른 복수의 부품 제어의 예시를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법의 복수의 부품의 동작 순서를 제어하는 흐름도이다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 블록도이다.
도 3a는 일반적인 연료전지 시동 과정에서 잔존 수소에 의한 개방회로전압(OCV) 들뜸의 예시를 보여주는 도면이다.
도 3b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 개방회로전압(OCV)을 생성하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 3c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 시동 상태에 따른 복수의 부품 제어의 예시를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법의 복수의 부품의 동작 순서를 제어하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나",“A 또는 B 중 적어도 하나”, "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나” 및 “A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, “기능적으로” 또는 “통신적으로”라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, “커플드” 또는 “커넥티드”라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서에서 설명되는 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
본 문서에서 사용되는 용어 "모듈", 또는 “...부”는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 기기(machine) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램 또는 애플리케이션)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서,‘비일시적’은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
도 1은 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10)을 포함할 수 있고, 연료전지 스택(10)의 수소극과 연결되어 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소가 이동되는 수소공급라인(11), 연료전지 스택(10)의 공기극과 연결되어 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기가 이동되는 공기공급라인(21), 반응 부산물인 수분(물)이나 미 반응 기체 등을 외부로 배출하기 위한 배출라인(31, 33, 35) 및 퍼지라인(41)을 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)(또는, '연료전지'로 참조될 수 있다)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(10)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 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함할 수 있다.
연료전지 스택(10)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급될 수 있고, 예를 들어, 수소는 수소극인 애노드로 공급되고, 공기는 공기극인 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.
수소공급라인(11)에는 수소차단밸브(Fuel Cut-Off Valve, FCV)(110), 수소공급밸브(Fuel Supply Valve, FSV)(120), 수소배출기(Fuel Ejector, FEJ) 등이 배치될 수 있다. 또한, 예를 들어, 수소공급라인(11)은 수소탱크와 연결될 수 있다.
수소차단밸브(FCV)(110)는 수소공급라인(11)에서 수소탱크와 수소공급밸브(FSV)(120) 사이에 배치될 수 있으며, 수소탱크로부터 배출된 수소가 연료전지 스택(10)으로 공급되는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 수소차단밸브(FCV)(110)는 연료전지 시스템의 시동 온(On) 상태에서 개방되고, 시동 오프(Off) 상태에서 폐쇄되도록 제어될 수 있다.
수소공급밸브(FSV)(120)는 수소공급라인(11)에서 수소차단밸브(FCV)(110)와 수소배출기(FEJ) 사이에 배치될 수 있으며, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소압력을 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 수소공급밸브(FSV)(120)는 수소공급라인(11)의 압력이 감소되면 개방되어 수소가 공급되도록 하고, 수소공급라인(11)의 압력이 증가되면 폐쇄되도록 제어될 수도 있다.
수소배출기(FEJ)는 수소공급라인(11)에서 수소공급밸브(FSV)(120)와 연료전지 스택(10) 사이에 배치될 수 있으며, 수소공급밸브(FSV)(120)를 통과한 수소에 압력을 가하여 연료전지 스택(10)으로 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
수소공급라인(11)은 연료전지 스택(10)의 출구와 수소배출기(FEJ)를 연결함으로써 수소의 순환루트를 형성할 수 있다. 따라서, 수소배출기(FEJ)에 의해 배출된 수소는 연료전지 스택(10) 내에서 공기와 반영하여 전기 에너지를 발생시키고, 미 반응된 수소는 연료전지 스택(10)의 출구로 배출되어 수소배출기(FEJ)로 재유입될 수 있다. 이 경우, 미 반응된 수소를 수소배출기(FEJ)로 재유입하여 다시 연료전지 스택(10)으로 공급되도록 함으로써 수소의 반응 효율을 증대시킬 수 있다.
연료전지 스택(10)의 수소극에서 미 반응된 수소가 재순환하는 과정에서 수소공급라인(11)에 존재하는 수분은 응축될 수 있다. 이때, 응축된 물(응축수)은 연료전지 스택(10)의 수소극에서 미 반응된 수소가 수소배출기(FEJ)로 이동되는 수소공급라인(11) 상의 일 지점과 가습기(Air Humidifier, AHF)를 연결하는 제1 배출라인(31)을 통해 배출될 수 있다.
제1 배출라인(31) 상에는 워터 트랩(Fuel Water Trap, FWT) 및 드레인 밸브(Fuel Drain Valve, FDV)가 배치될 수 있다.
워터 트랩(FWT)은 수소공급라인(11)의 일 지점에서 제1 배출라인(31)으로 유입된 응축수를 저장하는 역할을 수행할 수 있다.
드레인 밸브(FDV)는 워터 트랩(FWT)에 저장된 응축수를 제1 배출라인(31)을 따라 가습기(AHF)로 배출하는 역할을 수행할 수 있다. 여기서 드레인 밸브(FDV)는 워터 트랩(FWT)에 저장된 응축수가 일정 수위를 초과하기 전까지 닫힘 상태가 되고, 워터 트랩(FWT)에 저장된 응축수가 일정 수위를 초과하면 개방되어 제1 배출라인(31)을 따라 응축수가 배출되도록 제어될 수 있다.
공기공급라인(21)에는 공기압축기(Air Compressor, ACP)(140), 가습기(AHF) 및 공기차단밸브(Air Cut-off Valve, ACV)(130) 등이 배치될 수 있다.
공기압축기(ACP)(140)는 공기공급라인(21)에서 외부 공기(ambient air)를 흡입하는 공기흡입구와 가습기(AHF) 사이에 배치될 수 있으며, 외부공기를 흡입하여 압축하고, 압축된 공기를 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
가습기(AHF)는 공기공급라인(21)에서 공기압축기(ACP)(140)와 공기차단밸브(ACV)(130) 사이에 배치될 수 있으며, 공기압축기(ACP)(140)에 의해 흡입 및 압축된 공기의 습도를 조절하여 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 가습기(AHF)는 입구로 공기압축기(ACP)(140)에 의해 압축된 공기가 유입되면, 유입된 공기에 수분을 공급하여 습도를 조절할 수 있다. 일 예로, 가습기(AHF)는 제1 배출라인(31)을 통해 유입된 응축수 또는 연료전지 스택(10)의 공기극과 가습기(AHF)를 연결하는 제2 배출라인(33)을 통해 배출된 공기에 포함된 수분을 이용하여 공기압축기(ACP)(140)로부터 공급된 공기를 가습할 수 있다.
가습기(AHF)는 제1 배출라인(31)과 연결될 수 있다. 이에, 가습기(AHF)는 제1 배출라인(31)을 통해 유입된 응축수를 이용하여 공기압축기(ACP)(140)로부터 공급된 공기에 수분을 공급할 수 있다.
또한, 가습기(AHF)는 제2 배출라인(33)을 통해 연료전지 스택(10)의 공기 배출구와 연결될 수 있으며, 연료전지 스택(10)의 공기극에서 배출된 공기는 제2 배출라인(33)을 통해 가습기(AHF)로 유입될 수 있다. 여기서, 연료전지 스택(10)의 공기극에서 배출된 공기는 수분을 포함하고 있기 때문에, 가습기(AHF)는 연료전지 스택(10)의 공기극에서 배출된 공기와 공기압축기(ACP)(140)로부터 공급되는 공기의 수분 교환으로 가습이 이루어질 수 있다. 이와 같이, 가습기(AHF)에 의해 수분이 공급된 공기는 연료전지 스택(10)의 공기극으로 유입되어 수소와 반응한 다음 반응물로 물을 생성할 수 있다.
한편, 가습기(AHF)는 제3 배출라인(35)을 통해 외부 배출구와 연결될 수 있으며, 제2 배출라인(33)을 통해 유입된 공기를 제3 배출라인(35)을 통해 외부로 배출할 수 있다. 이때, 제3 배출라인(35)에는 공기배기밸브(Air Exhaust Valve, AEV)가 배치될 수 있다.
공기차단밸브(ACV)(130)는 연료전지 스택(10) 및 가습기(AHF)를 연결하는 공기공급라인(21) 상에 배치될 수 있으며, 가습기(AHF)로부터 배출된 수소가 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급되는 것을 차단하거나, 연료전지 스택(10)의 공기극으로 공급되는 공기의 압력을 조절할 수 있다. 일 예로, 공기차단밸브(ACV)(130)는 연료전지 시스템의 시동 온(On) 상태에서 개방되고, 시동 오프(Off) 상태에서 폐쇄되도록 제어될 수 있다.
또한, 공기차단밸브(ACV)(130)는 연료전지 스택(10)과 가습기(AHF)를 연결하는 제2 배출라인(33)과도 연결될 수 있다. 공기차단밸브(ACV)(130)는 연료전지 스택(10)의 공기극에서 배출된 공기가 제2 배출라인(33)을 통해 가습기(AHF)로 공급되는 것을 차단하거나, 연료전지 스택(10)의 공기극에서 가습기(AHF)로 배출되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
도 1에서는 공기차단밸브(ACV)(130)가 공기공급라인(21)과 제2 배출라인(33)에 통합 배치된 것을 도시하였으나, 공기공급라인(21) 상에 배치된 제1 공기차단밸브(미도시)와 제2 배출라인(33) 상에 배치된 제2 공기차단밸브(미도시)가 각각 분리된 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 수소배출기(FEJ)에서 연료전지 스택(10)의 수소극으로 공급되는 수소가 이동하는 수소공급라인(11) 상의 일 지점에는 퍼지라인이 연결될 수 있으며, 퍼지라인 상에는 퍼지 밸브(Fuel-line Purge Valve, FPV)가 배치될 수 있다.
퍼지 밸브(FPV)는 연료전지 스택(10) 및 수소공급라인(11) 등의 수소 농도를 관리하기 위해 개폐되는 밸브로서, 연료전지 스택(10) 및 수소공급라인(11)의 수소 농도가 소정 범위를 유지할 수 있도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
연료전지 스택(10)은 수소와 공기를 발전시켜 전기 에너지를 발생시키며, 이러한 연료전지 스택(10)이 정상 상태로 운전되는 동안 퍼지 밸브(FPV)는 닫힘 상태가 될 수 있다.
여기서, 연료전지 스택(10)을 공급되는 공기는 산소 외에 질소 등을 포함하는데, 수소극과 공기극의 질소 분압 차이에 의해 크로스 오버가 생겨 셀 전압이 감소할 수 있다. 이에, 퍼지 밸브(FPV)는 잔류 수소를 배출하여 수소극 내의 수소 농도를 높임으로써 질소 농도를 낮추어 스택 성능이 유지되도록 할 수 있다. 퍼지 밸브(FPV)는 연료전지 스택(10)에서 소정 기간 동안 생성된 전류를 적분하여 계산된 누적 전류가 목표값을 초과하는 경우 개방되어 수소를 퍼지함으로써 수소극 내의 수소 농도가 소정량 이상 유지되도록 제어될 수 있다.
도 2는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 연료전지 진단 시스템(1)은 복수의 부품(100) 및 제어부(200)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 복수의 부품(100)은 연료전지를 구성하는 전자 부품, 기계 부품을 비롯한 각종 부품을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 부품(100)은 가습기(AHF), 수소배출기, 수소 퍼지 밸브(FPV)와 같은 연료전지 동작과 관련된 부품 및 저전압 배터리, 고전압 배터리와 같은 연료전지에 전원을 공급하기 위한 부품 등 다양한 부품을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 복수의 부품(100)은 제1 부품 그룹(150) 및 제2 부품 그룹(160)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 부품 그룹(150)은 연료전지 스택(10)의 수소 또는 공기의 공급과 관련된 부품들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 부품 그룹(150)은 수소 차단 밸브(110), 수소 공급 밸브(120), 공기 차단 밸브(130) 및 공기압축기(140)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 제2 부품 그룹(160)은 제1 그룹에 포함되지 않는 부품들을 포함할 수 있다. 제2 부품 그룹(160)은 연료전지를 구성하나 연료전지 스택(10)으로의 수소 또는 공기의 공급과 관련 없는 일반적인 부품 예를 들어, 전원 부품, FPV 등을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택(10)의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 복수의 부품(100)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 연료전지의 시동 과정은 연료전지에 전력을 공급하는 순간부터 연료전지가 탑재된 차량 등의 구동을 하기 위한 준비가 완료된 순간까지의 일련의 과정을 포함할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 개방회로전압(OCV)은 연료전지 스택(10)에서 수소와 산소의 화학반응으로 전기 에너지를 생성할 때 연료전지 스택(10)의 양단에 걸리는 전압을 포함할 수 있다.
제어부(200)는 복수의 부품(100) 각각의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 복수의 부품(100)의 동작을 제어한다는 것은, 복수의 부품(100) 각각의 동작 상태를 제어하거나 복수의 부품(100)간에 일련의 동작 순서를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는 복수의 부품(100)에 포함된 공기압축기(140)의 개도율을 제어하거나, 복수의 부품(100)에 포함된 수소 차단 밸브(110), 수소 공급 밸브(120), 공기 차단 밸브(130), 공기압축기(140)의 동작 순서를 제어할 수 있다. 제어부(200)는 이와 같이 복수의 부품(100) 각각의 동작 상태 및 동작 순서를 제어하여 시동 과정에서 연료전지 스택(10)에 개방회로전압(OCV)이 생성되는 시점을 앞당겨 더 신속하게 연료전지의 진단을 가능하게 할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 개방회로전압(OCV)에 기초하여 연료전지의 이상여부를 판단할 수 있다. 제어부(200)는 연료전지 스택(10)에서 수소와 산소의 화학 반응에 의해 생성되는 개방회로전압(OCV)을 모니터링함으로써 연료전지의 전압 형성이 정상적으로 수행되는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지가 정상(이상이 없는 경우)일 때, 연료전지 스택(10)에서 1V의 개방회로전압(OCV)이 발생되어야 함에도 실제로는 0.2V의 개방회로전압(OCV)이 발생한다면 제어부(200)는 연료전지를 이상으로 판단할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(300)는 프로세서(processor)나 MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), CPU(Central Processing Unit), ECU(Electronic Contoller Unit)와 같은 하드웨어 장치이거나, 또는 프로세서에 의하여 구현되는 프로그램일 수 있다. 제어부(300)는 연료전지 진단 시스템(1)의 각 구성들과 연결되어 연료전지의 관리 및 운영에 관한 전반적인 기능을 수행할 수 있다. 일 예로, 제어부(300)는 연료전지의 전반적인 기능들을 제어하는 연료전지 제어기(Fuel cell Control Unit, FCU) 일 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(300)는 연료전지 진단 시스템(1)을 구성하는 각 구성 예를 들어, 복수의 부품(100), 연료전지 스택(10) 등과 유선 또는 무선으로 통신할 수 있으며, 일 예로 CAN 통신에 기초하여 통신할 수 있다.
실시예에 따르면, 복수의 부품(100)은 수소 차단 밸브(110), 수소 공급 밸브(120), 공기 차단 밸브(130) 및 공기압축기(140)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 수소 차단 밸브(110)는 수소탱크로부터 연료전지 스택(10)으로의 수소 공급을 제어할 수 있다. 예를 들어, 수소 차단 밸브(110)는 밸브를 열어 수소탱크의 수소를 연료전지 스택(10)으로 공급하거나, 밸브를 닫아 연료전지 스택(10)으로 수소의 공급을 차단할 수 있다. 이 때, 제어부(200)는 수소 차단 밸브(110)의 밸브 여닫음을 제어할 수 있다.
수소 공급 밸브(120)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소 공급량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 수소 공급 밸브(120)는 듀티비(duty ratio)에 따라 연료전지 스택(10)으로 주입되는 수소의 공급량을 제어할 수 있다. 듀티비는 0% 에서 100% 사이의 값을 가질 수 있고, 듀티비가 높을수록 더 많은 수소를 공급할 수 있다. 이 때, 제어부(200)는 수소 공급 밸브(120)의 듀티비를 제어하여 연료전지 스택(10)으로 공급되는 수소 공급량을 제어할 수 있다.
공기 차단 밸브(130)는 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 제어할 수 있다. 예를 들어, 공기 차단 밸브(130)는 밸브를 열어 공기압축기(140)로부터 전달된 공기를 연료전지 스택(10)으로 공급하거나, 밸브를 닫아 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 차단할 수 있다. 이 때, 제어부(200)는 공기 차단 밸브(130)의 밸브 여닫음을 제어할 수 있다. 또한, 공기 차단 밸브(130)는 밸브 개도율에 따라 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 양을 조절할 수 있고, 제어부(200)는 공기 차단 밸브(130)의 개도율을 제어하여 연료전지 스택(10)으로 주입되는 공기 공급량을 제어할 수 있다. 이 때, 개도율은 0%에서 100% 사이의 값을 가질 수 있다.
공기압축기(140)는 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기압을 제어할 수 있다. 이 때, 공기압축기(140)가 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기압을 제어한다는 것은, 연료전지 스택(10)과 연결되는 공기 차단 밸브(130)의 압력을 제어한다는 것을 포함할 수 있다. 공기압축기(140)는 펌프의 회전을 통해 공기를 밀어냄으로써 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기압을 형성할 수 있고, 공기 차단 밸브(130)가 열렸을 때 연료전지 스택(10)으로 공기가 공급될 수 있다. 제어부(200)는 공기압축기(140)의 회전수(rpm)를 제어하여 공기압을 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 수소 차단 밸브(110)를 오픈하고, 공기압축기(140)를 통해 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기 공급압을 형성하고, 수소 공급 밸브(120)를 오픈하여 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하고, 및 공기 차단 밸브(130)를 오픈하여 연료전지 스택(10)으로 공기를 공급하도록 제어할 수 있다.
일반적인 연료전지 시동 과정에서는 수소 차단 밸브, 수소 공급 밸브, 공기 차단 밸브의 순서로 동작을 하였으며, 이 경우, 이전 운행 후 남아있던 잔존 수소 및 잔존 산소의 반응으로 공기 차단 밸브가 열리는 시점에서 미세한 개방회로전압(OCV)이 발생하였다. 다만, 이를 연료전지의 진단에 활용하지 않고 시동 과정이 더 진행된 후에 이르러 공기압축기를 동작시켜 연료전지 스택에 공기를 주입하여 개방회로전압을 측정함으로써 이상여부 진단까지 오랜 시간이 걸릴 뿐 아니라, 수소 및 공기가 더 많이 낭비되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 연료전지 진단 시스템(1)은 복수의 부품(100)의 동작 순서를 수소 차단 밸브(110), 공기압축기(140), 수소 공급 밸브(120) 및 공기 차단 밸브(130)의 순서로 제어함으로써 일반적인 연료전지 시동 과정에서 잔존 수소와의 반응으로 미세한 개방회로전압(OCV)이 발생할 시점에 연료전지 이상 여부를 진단하기 충분한 개방회로전압(OCV) 발생을 유도하여 더 빠른 진단이 가능하게 할 수 있다. 연료전지 진단 시스템(1)은 더 빠른 진단을 통해 연료전지의 이상이 판단되면 즉시 복수의 부품(100)의 동작 및 시동 과정을 중단할 수 있고, 그에 따라 진단 시점 이후의 수소, 산소 및 전력이 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 공기 차단 밸브(130)를 오픈한 후 제1 시간 내에 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값 이상으로 도달하는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제1 시간은 연료전지 스택(10)에 공급된 수소와 산소가 반응하여 전압을 형성하는데 걸리는 시간(예를 들어, 0.1초)을 포함할 수 있다. 또한, 기 설정된 값은 연료전지 진단의 판단 기준이 되는 목표 전압값(예를 들어, 0.2V)일 수 있다.
이 때, 목표 전압값은 운행 중 연료전지의 동작을 위해 필요한 충분한 수소와 산소 공급에 의해 형성되는 개방회로전압(OCV) 값과 잔존 수소 및 잔존 산소의 반응에 의해 생성되는 개방회로전압(OCV) 값 사이의 값으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 운행 중 연료전지의 동작시 2V의 개방회로전압(OCV)이 생성되고 잔존 수소 및 잔존 산소의 반응에 의해 0.02V의 개방회로전압(OCV)이 생성되는 경우, 연료전지 진단 시스템(1)은 기 설정된 값을 0.2V로 설정할 수 있다. 연료전지 진단 시스템(1)은 시동 과정에서 연료전지의 이상을 신속하게 판단하는데 목적이 있으므로 수소 및 산소를 연료전지 동작시 실제로 필요한 양만큼 공급할 필요가 없으며, 수소 및 산소 소모를 줄이기 위해 연료전지 진단에 필요한 양만을 공급하여 그에 따른 개방회로전압(OCV) 달성 여부를 판단할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 개방회로전압(OCV)이 제1 시간 내에 기 설정된 값 이상으로 도달하는 경우 연료전지를 정상으로 판단할 수 있다. 연료전지 진단 시스템(1)은 연료전지가 정상이라면 개방회로전압(OCV)이 목표 전압값(기 설정된 값)에 도달할 수 있도록 수소 및 산소의 양을 조절하여 공급할 수 있고, 이 때, 개방회로전압(OCV)이 목표 전압값에 도달하지 못한다면 연료전지에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 연료전지가 정상으로 판단되지 않는 경우 수소 차단 밸브(110), 수소 공급 밸브(120), 공기 차단 밸브(130) 및 공기압축기(140)의 동작을 중단할 수 있다. 이 때, 연료전지가 정상으로 판단되지 않는 경우는 개방회로전압(OCV)이 제1 시간 내에 기 설정된 값에 도달하지 못하는 경우를 포함할 수 있다. 이 경우 수소, 산소 및 전력 소모를 방지하기 위해 제어부(200)는 복수의 부품(100)의 동작을 중단할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하면 동작할 수 있다. 연료전지 진단 시스템(1)은 연료전지의 시동 과정마다 변경된 동작 순서로 연료전지 이상 여부를 진단할 수도 있고, 이와 같이 특정 조건을 만족하는 경우에 한해 부품의 동작 순서를 변경하여 이상 여부를 진단하도록 동작할 수도 있다. 예를 들어, 연료전지의 이상 발생 확률이 높은 경우를 제어부(200)의 동작 조건으로 지정하여 동작 조건을 만족하는 경우에 제어부(200)를 동작시킬 수 있다. 이 때, 연료전지 진단 시스템(1)은 연료전지의 전반적 제어를 위한 연료전지 제어기(예를 들어, ECU, FCU 등)을 포함할 수 있고, 제어부(200)는 연료전지 제어기에 의해 동작될 수 있다. 이 때, 제1 조건 및 제2 조건을 모두 만족하지 않는 경우와 같이 동작 조건을 만족하지 않는 경우에 연료전지 진단 시스템(1)은 연료전지 이상 확률이 적다고 판단하여 부품의 동작 순서를 변경하지 않고 기존 동작 순서대로 연료전지 이상을 진단할 수 있다. 이 때 기존 방식에 의한 진단은 연료전지 제어기에 의해 수행될 수 있을 것이다.
예를 들어, 연료전지가 장시간 미가동되는 경우 잔존 수소가 수소 차단 밸브(110)를 통해 수소 공급 밸브(120)쪽으로 확산될 수 있으며, 이 때 시동시 잔존 수소에 의한 개방회로전압(OCV) 들뜸 현상이 더 크게 나타날 수 있어, 보다 효과적으로 이상여부 진단이 가능하다. 여기서 제2 시간은 실험 등을 통해, 잔존 수소가 확산으로 인해 수소 공급 밸브(120)로 이동되는데 걸리는 시간 등으로 설정될 수 있으며, 연료전지의 미가동시간은 연료전지 제어기에 의해 누적될 수 있을 것이다.
실시예에 따르면, 제2 조건은 DTC 코드에 기초하여 연료전지의 COD 절차 미수행 또는 히터 고장이 감지되는 조건일 수 있다. 여기서, DTC 코드는 진단 코드를 포함할 수 있으며, 연료전지 제어기에 의해 생성될 수 있다. 또한, COD(Cathode Oxygen Depletion) 절차는 연료전지 내부의 잔존 수소 및 잔존 산소를 제거하는 절차를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 진단 시스템(1)은 COD 절차가 수행되면 1의 값을 갖는 DTC 코드를 생성하고, 수행되지 않으면 0의 값을 갖는 DTC 코드를 생성하는 등으로 DTC 코드에 기초하여 COD 절차가 수행되었는지 판단할 수 있다.
또한, 히터는 저항체를 포함할 수 있으며, COD 절차에서 잔존 수소 및 잔존 산소 제거시 발생하는 열이 히터를 통해 방출될 수 있다. 이 때, 연료전지 진단 시스템(1)은 히터에서의 발열량 등에 기초하여 히터의 고장 여부를 판단할 수 있다.
이 때, 제1 조건 및/또는 제2 조건을 만족하는지 여부는 연료전지 진단 시스템(1)의 연료전지 제어기에 의해 판단될 수 있을 것이다. 또한, 연료전지 진단 시스템(1)은 제1 조건 및/또는 제2 조건의 판단 기초가 되는 운행 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스(미도시) 또는 메모리를 포함할 수 있을 것이다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 연료전지의 이상이 판단되면 이상을 알리고 시동 과정을 중단할 수 있다. 제어부(200)는 연료전지 이상을 음성 또는 화면(예를 들어, 영상, 이미지)로 알릴 수 있고 이를 위해 연료전지 진단 시스템은 스피커 또는 디스플레이를 포함할 수 있다.
도 3a는 일반적인 연료전지 시동 과정에서 잔존 수소에 의한 개방회로전압(OCV) 들뜸의 예시를 보여주는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 일반적인 연료전지 시동 과정에서는 연료전지 내부의 잔존 수소 및 잔존 산소의 반응으로 인해 미세한 개방회로전압(OCV)이 발생한다. 이는 개방회로전압(OCV)의 들뜸으로 참조될 수 있다. 도 3a에서, 약 5.5초에 개방회로전압(OCV)의 들뜸 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 3b는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 개방회로전압(OCV)을 생성하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 3b를 참조하면, 연료전지 진단 시스템(1)은 일반적인 시동 과정에서 개방회로전압(OCV)이 들뜨는 시점에 복수의 부품(100)을 제어하여 일부 수소 및 산소를 공급하여 개방회로전압(OCV)을 목표 전압값(기 설정된 값)으로 도달시켜 연료전지의 이상여부를 진단할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 연료전지 스택(10)에서 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값에 도달할 수 있도록 복수의 부품(100)을 제어하여 그에 대응되는 양의 수소 및 산소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는 도3b와 같이 공기 차단 밸브(ACV)(130)의 개도율을 제어하여 연료전지 스택(10)에 일정 공기를 공급하고 그에 따라 개방회로전압(OCV)이 목표 전압값(0.2V)에 도달하는지 여부를 판단할 수 있다. 이 때, 도 3b에서와 같이, 제어부(200)는 공기 차단 밸브(130)의 개도율을 약 20%로 제어하여 연료전지 진단을 위해 소모되는 공기를 조절할 수 있다.
도 3c는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 시스템의 시동 상태에 따른 복수의 부품 제어의 예시를 보여주는 도면이다.
도 3c를 참조하면, 제어부(200)는 시동 상태에 따라 복수의 부품(100)들의 동작을 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 연료전지의 시동 과정은 복수의 시동 상태를 포함할 수 있다. 복수의 시동 상태에 따라 연료전지를 구성하는 복수의 부품(100)의 온오프 및 동작이 달라질 수 있다. 제어부(200)는 시동 상태에 기초하여 복수의 부품(100)의 온오프를 더 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 시동 상태에 대응되는 값을 가지는 제어 신호를 생성하고, 제어 신호의 값에 기초하여 복수의 부품(100)의 온오프를 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(200)와 복수의 부품(100) 각각은 유선 또는 무선으로 통신할 수 있으며, 일 예로 CAN 통신 방식에 기초하여 통신할 수 있다.
실시예에 따르면, 시동 상태는, 연료전지의 배터리 및 제어부에 전력을 공급하는 점화 상태, 연료전지의 이상여부를 판단하는 진단 상태 및 연료전지의 이상이 없다고 판단되면 시동 과정을 완료하는 완료 상태를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 제어부(200)는 시동 상태가 진단 상태일 때, 제1 부품 그룹(150)을 온시키고, 제2 부품 그룹(160)을 오프시킬 수 있다. 시동 상태가 진단 상태일 때 연료전지의 이상 여부가 진단되며, 연료전지의 이상 여부 판단에는 수소와 산소의 공급과 관련된 부품들은 온될 필요가 있다. 이 때, 연료전지 진단에 관련이 없는 부품들에 의한 오차, 오류 등을 배제하고 효율적인 전력 소모를 위해 연료전지 진단과 직접적인 관련이 없는 제2 부품 그룹(160)을 오프시킬 수 있다.
실시예에 따르면, 제어 신호의 값은 시동 상태에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어 도 3c에서, 제어부(200)는 점화 상태에서 10, 진단 상태에서 30, 완료 상태에서 100의 제어 신호값을 가지도록 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 도 3c에서 제어 신호의 값은 enum으로 참조될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(200)는 수소 차단 밸브(110)를 열어 수소탱크에서 수소를 수소 공급 밸브(120)로 전달하고, 공기압축기(140)의 회전수를 제어하여 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기압을 형성할 수 있다. 이후, 제어부(200)는 수소 공급 밸브(120)의 듀티비를 제어하여 일시적으로 수소 공급 밸브(120)를 오픈한 후 닫음으로써 연료전지 스택(10)에 일부 수소를 공급하고, 공기 차단 밸브(130)의 개도율을 제어하여 연료전지 스택(10)에 일부 공기를 공급할 수 있다.
이 때, 제어부(200)는 수소 및 산소의 소모를 줄이기 위해, 연료전지 진단을 위한 개방회로전압(OCV) 목표 전압값에 도달하기 위해 필요한 양의 수소 및 산소만을 연료전지 스택(10)으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 제어부(200)는 수소 차단 밸브(120)의 듀티비를 제어하여 일시적으로 여닫도록 제어할 수 있고, 공기 차단 밸브(130)의 개도율을 일정 수준 이하(예를 들어, 20%)로 제어하여 일반적인 연료전지 동작시 공급되는 공기보다 더 적은 양의 공기를 공급할 수 있다.
상술한 제어부(200)의 연료전지 이상 여부 진단 과정은, 시동 상태가 진단 상태일 때 수행될 수 있다.
도 4는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 진단 방법은, 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계(S10), 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 복수의 부품의 동작을 제어하는 단계(S100), 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 연료전지의 이상여부를 판단하는 단계(S200) 및 연료전지의 이상이 판단되면 이상여부를 알리고 시동 과정을 중단하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
S10 단계에서, 연료전지 진단 시스템(1)은 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다. 이 때, 연료전지의 전체적인 동작을 제어하는 FCU, ECU 등이 이를 판단할 수 있을 것이다.
S100 단계에서, 제어부(200)는 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택(10)의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 복수의 부품(100)의 동작을 제어할 수 있다.
S200 단계에서, 제어부(200)는 연료전지 스택(10)의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 연료전지의 이상여부를 판단할 수 있다.
S300 단계에서, 제어부(200)는 연료전지의 이상이 판단되면 이상여부를 알리고 시동 과정을 중단할 수 있다.
도 5는 본 문서에 개시된 일 실시예에 따른 연료전지 진단 방법의 복수의 부품의 동작 순서를 제어하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, S100 단계는, 수소 차단 밸브(110)를 오픈하는 단계(S110), 공기압축기(140)를 통해 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기압을 형성하는 단계(S120), 수소 공급 밸브(120)를 오픈하여 연료전지 스택에 잔존 수소를 공급하는 단계(S130) 및 공기 차단 밸브(130)를 오픈하여 연료전지 스택에 공기를 공급하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
S110 단계에서, 제어부(200)는 수소 차단 밸브(110)를 오픈할 수 있다.
S120 단계에서, 제어부(200)는 공기압축기(140)를 통해 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기압을 형성할 수 있다. 제어부(200)는 공기압축기의 펌프 회전수를 제어하여 공기 차단 밸브(130) 전단에 공기를 위치시켜 공기압을 형성할 수 있다.
S130 단계에서, 제어부(200)는 수소 공급 밸브(120)를 오픈하여 연료전지 스택(10)에 수소를 공급할 수 있다.
S140 단계에서, 제어부(200)는 공기 차단 밸브(130)를 오픈하여 연료전지 스택(10)에 공기를 공급할 수 있다.
이상에서, 본 문서에 개시된 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 문서에 개시된 실시예들이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 문서에 개시된 실시예들의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소를 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 실시예들의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 문서의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택
100 : 복수의 부품
110 : 수소 차단 밸브
120 : 수소 공급 밸브
130 : 공기 차단 밸브
140 : 공기압축기
150 : 제1 부품 그룹
160 : 제2 부품 그룹
200 : 제어부
100 : 복수의 부품
110 : 수소 차단 밸브
120 : 수소 공급 밸브
130 : 공기 차단 밸브
140 : 공기압축기
150 : 제1 부품 그룹
160 : 제2 부품 그룹
200 : 제어부
Claims (20)
- 연료전지를 구성하는 복수의 부품; 및
상기 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 상기 복수의 부품의 동작을 제어하고, 상기 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 제어부를 포함하는 연료전지 진단 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 부품은 수소탱크로부터 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 제어하는 수소 차단 밸브(FCV);
상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소 공급량을 제어하는 수소 공급 밸브(FSV);
상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 제어하는 공기 차단 밸브(ACV); 및
상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기압을 제어하는 공기압축기(ACP)를 포함하는 연료전지 진단 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 수소 차단 밸브를 오픈하고, 상기 공기압축기를 통해 상기 공기 차단 밸브 전단에 상기 공기 공급압을 형성하고, 상기 수소 공급 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하고, 및 상기 공기 차단 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택으로 공기를 공급하도록 제어하는 연료전지 진단 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 공기 차단 밸브를 오픈한 후 제1 시간 내에 상기 상기 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값 이상으로 도달하는지 여부를 판단하는 연료전지 진단 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제어부는 상기 개방회로전압(OCV)이 상기 제1 시간 내에 상기 기 설정된 값 이상으로 도달하는 경우 상기 연료전지를 정상으로 판단하는 연료전지 진단 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 연료전지가 정상으로 판단되지 않는 경우 상기 수소 차단 밸브, 상기 수소 공급 밸브, 상기 공기 차단 밸브 및 상기 공기압축기의 동작을 중단하도록 제어하는 연료전지 진단 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시동 과정은 복수의 시동 상태를 포함하고,
상기 제어부는 상기 시동 상태에 기초하여 상기 복수의 부품의 온오프를 더 제어하는 연료전지 진단 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시동 상태에 대응되는 값을 가지는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호의 값에 기초하여 상기 복수의 부품의 온오프를 제어하는 연료전지 진단 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 시동 상태는,
상기 연료전지의 배터리 및 상기 제어부에 전력을 공급하는 점화 상태;
상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 진단 상태; 및
상기 연료전지의 이상이 없다고 판단되면 상기 시동 과정을 완료하는 완료 상태를 포함하는 연료전지 진단 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 복수의 부품은 상기 연료전지 스택의 수소 또는 공기의 공급과 관련된 제1 부품 그룹; 및
상기 제1 그룹에 포함되지 않는 제2 부품 그룹을 포함하는 연료전지 진단 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제어부는 상기 시동 상태가 상기 진단 상태일 때, 상기 제1 부품 그룹을 온시키고 상기 제2 부품 그룹을 오프시키는 연료전지 진단 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하면 동작하는 연료전지 진단 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제2 조건은, 상기 DTC 코드에 기초하여 상기 연료전지의 COD 미수행 또는 히터 고장이 감지되는 조건인 연료전지 진단 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 연료전지의 이상이 판단되면 이상을 알리고 상기 시동 과정을 중단하는 연료전지 진단 시스템. - 연료전지의 시동 과정에서 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)을 생성하기 위해 복수의 부품의 동작을 제어하는 단계; 및
상기 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 단계를 포함하는 연료전지 진단 방법. - 제15항에 있어서,
상기 복수의 부품은 수소탱크로부터 상기 연료전지 스택으로의 수소 공급을 제어하는 수소 차단 밸브(FCV);
상기 연료전지 스택으로 공급되는 수소압을 제어하는 수소 공급 밸브(FSV);
상기 연료전지 스택으로의 공기 공급을 제어하는 공기 차단 밸브(ACV); 및
상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기압을 제어하는 공기압축기(ACP)를 포함하는 연료전지 진단 방법. - 제16항에 있어서,
상기 복수의 부품의 동작을 제어하는 단계는,
상기 수소 차단 밸브를 오픈하는 단계;
상기 공기압축기를 통해 상기 공기 차단 밸브 전단에 공기압을 형성하는 단계;
상기 수소 공급 밸브를 오픈하여 연료전지 스택에 수소를 공급하는 단계; 및
상기 공기 차단 밸브를 오픈하여 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 진단 방법. - 제17항에 있어서,
상기 연료전지 스택의 개방회로전압(OCV)에 기초하여 상기 연료전지의 이상여부를 판단하는 단계는,
상기 공기 차단 밸브를 오픈한 후 제1시간 내에 상기 개방회로전압(OCV)이 기 설정된 값 이상으로 도달하는지 여부를 판단하는 것인 연료전지 진단 방법. - 제15항에 있어서,
상기 연료전지의 이상이 판단되면 이상여부를 알리고 상기 시동 과정을 중단하는 단계를 더 포함하는 연료전지 진단 방법. - 제15항에 있어서,
상기 연료전지의 미가동 시간이 제2 시간 초과인 제1 조건, 이전 운전 데이터의 DTC 코드에 기초한 제2 조건 중 적어도 하나의 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 연료전지 진단 방법.
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| KR1020220099023A KR20240020819A (ko) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 연료전지 진단 시스템 및 진단 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240020819A (ko) |
-
2022
- 2022-08-09 KR KR1020220099023A patent/KR20240020819A/ko unknown
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