KR100412007B1 - 연료 전지 멤브레인을 모니터링하기 위한 일체형 센서 및 모니터링 방법 - Google Patents

연료 전지 멤브레인을 모니터링하기 위한 일체형 센서 및 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

멤브레인 전극 어셈블리는 각 면상에 전극을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인(100)으로 구성된다. 폴리머 전해질 멤브레인은 표면상에 설치된 일체형 센서(115)를 갖는다. 이 센서는 멤브레인 전극 어셈블리의 물리적, 열적, 화학적 또는 전기적 상태를 모니터한다. 정보는 센서로부터 획득되어져서 결함있는 멤브레인 전극 어셈블리를 식별하기 위하여 사용되고, 연료 전지의 동작은 식별된 결함있는 멤브레인 전극 어셈블리에 기반을 두고 변경된다.

Description

연료 전지 멤브레인을 모니터링하기 위한 일체형 센서 및 모니터링 방법{INTEGRAL SENSORS FOR MONITORING A FUEL CELL MEMBRANE AND METHODS OF MONITORING}
연료 전지에서, 전기 에너지는 촉매와 함께 산화제와 연료의 반응으로서 생성되어진다. 일반적인 연료 전지는 이온 전도 전해질에 의해 분리된 연료 전극(애노드) 및 산화 전극(캐소드)으로 구성된다. 이 전극들은 외부 회로 도체에 의해 부하(전기 회로와 같은)에 접속된다. 이 회로 도체에서, 전류는 전자들의 흐름에 의해서 전송되는 반면에, 전해질에서는 산성 전해질에서의 수소 이온(H+), 또는 알칼리 전해질에서의 수산 이온(OH-)와 같은 이온 흐름에 의해 전류가 전송된다. 애노드에서는, 주입된 수소 가스가 수소 이온들 및 전자들을 생성하기 위해 이온화된다. 전해질은 전기적 도체가 아니기 때문에, 전자들이 외부 회로를 통해 애노드로부터 떨어져 흘러간다. 캐소드에서는, 산소 가스가 전해질을 통해 이동하는 수소 이온 및 외부 회로로부터 주입된 전자들과 반응하여, 부산물로서 물을 생성하고 이 물은 일반적으로 증기로 추출된다. 연료 전지의 잘 알려진 하나의 유형은 "멤브레인-전극 어셈블리(MEA)"가 있는데, 이것은 한쪽면에는 애노드, 다른 반대 면에는 캐소드를 가진 일반적으로 얇고, 양성자-투과형의 고체 폴리머 멤브레인 전해질이다. 이 MEA는 애노드 및 캐소드로서 집전기 역할을 수행하는, 한 쌍의 도전성 소자 사이에 배치되고, 각각의 애노드 및 캐소드 촉매들의 표면에 연료 전지의 기체 반응물들을 분산하기 위한 적절한 채널들 및/또는 개구들을 포함한다. 이러한 하나의 MEA 및 연료 전지는 미국 특허 번호 5,272,017에 언급되어 있다. 실제로, 다수의 이들 단위 연료 전지들은 연료 전지 스택 또는 어셈블리를 형성하기 위하여 통상 적층되어있거나 또는 '갱(gang)화' 되어 있다. 각각의 전지들은 스택안에서 한 셀의 애노드 집전기와 바로 이웃한 셀의 캐소드 집전기가 인접함으로써 직렬로 전기접속되어 있다. 스택내의 단위 전지들 중에서 단 하나의 셀이 성능 저하되거나 정지되면 연료 전지 어셈블리의 전체 성능을 저하시키고, 완전하게 동작을 못하게 될 수도 있다. 연료 전지는 촉매의 일산화탄소에 의한 작용저하, 셀들의 침수, 및 양성자 교환 멤브레인 주위, 또는 이를 통한 수소 가스의 누설등을 포함하는 많은 원인에 의해 불량이 된다. 멤브레인의 캐소드 측으로의 수소 기체의 이송은 불필요한 수소의 소비, 전지/스택 효율성들의 손실 및 전지 전압의 강하를 초래할 수 있다. 일산화탄소에 의한 작용 저하 및/또는 침수는 단위 전지 및/또는 스택 전압의 강하를 초래한다. 임의의 이런 상황들이 나타날때, 돌이킬 수 없는 전지/스택의 성능 저하를 막기 위한 보정 작업이 필요로된다. 만약 스택에서 멤브레인중의 하나가 성능 저하 또는 오동작한다면, 전지를 수리하기 위해 스택 전체를 제거하고 분해해야 한다. 어셈블리를 위해 용접 및/또는 접착제가 사용되는 스택 설계들의 경우에는 이 전체 스택이 파기할 수도 있다. 또한, 외부측과 내부층 사이의 온도 및 습기 차이 때문에 스택의 내측 전지들은 스택의 외측 전지들과는 같은 효율로 동작하지 않는다.
연료 전지 어셈블리의 동작동안 개개의 전지들의 성능을 모니터하고 각종의 환경적 조건들에 응답하여 연료 전지 스택을 최적화 하고 또는 성능 저하된 단위 전지에 대해 보상하기 위해 연료 전지 스택의 동작을 조정하는 방법이 있다면 아주 바람직할 것이다. 몇개의 종래 기술들에서 몇 미리초 동안의 동작으로부터 이 전지를 전기적으로 인터럽트하고 어떤 고정 점에서 이 전지의 전류 및 전압을 측정함으로써 이 문제를 풀기 위하여 시도되었다. 이 방법은 복잡한 스위칭 스킴이 필요한 단점이 있다. 이 전지는 테스트 부하에 스위칭되고, 측정되고, 그 다음에 다시 스위칭되어야 한다. 또한, 이 정보는 전류/전압(IV) 곡선상에 단일 점 또는 많아야 몇개의 점들에 한정되어 있고, 이는 실제 전지의 상태에 대해서는 거의 알려주는 바가 없다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고체 전해질과 일체화된 측정 수단을 갖는 연료 전지에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 일체형 센서를 가진 고체 전해질의 등각도.
도 2는 캐패시터의 필드선을 나타내하는 섹션2-2를 통한 도 1의 센서의 단면도.
도 3은 인터디지털 캐패시터를 이용한 복소 유전율의 측정을 설명한 흐름도.
도 4는 병렬 플레이트 방법을 이용한 복소 유전율의 측정을 설명한 흐름도.
도 5는 도 3 및 도 4에서 도시된 방법에 대한 상위 레벨 제어도.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지의 측정된 과도 응답을 이용한 연료 전지 최적화 방법의 블럭도.
도 7은 본 발명에 따른 AC 임피던스 및 위상 검출을 이용한 연료 전지 최적화 방법의 블럭도.
종래 기술의 결함들은 불충분하게 동작하는 전지들을 식별하기 위하여 연료 전지 스택의 동작동안 각각의 연료 전지들의 상태를 모니터하는 것이 유익하다는 결론을 이끌어냈다. 이 정보는 전지를 셧다운시키거나 또는 전지로 입력되는 연료 및 산화제를 조정하는데 사용되어 가장 효율성 있는 사용을 이룩하고 연료 전지 시스템의 최적의 성능을 이룩하기 위하여 멤브레인을 재조정하거나 또는 연료를 재분배할 수 있다. 유전율, 저항, 전기적 임피던스 또는 용량을 포함하는(그러나 이에 한정되지 않음) 요인들의 변화를 검출하는, 연료 전지 스택의 개별 MEA 전지들 상에 또는 그 근처에 위치하는 센서가 당해 개별 전지의 온도, 습도, 유량 등을 추론하는 데 사용될 수 있다. 전지에 관한 파라미터 (가령 연료 또는 산화제 유량) 또는 전체 시스템에 관한 파라미터 (전기적 부하 밸런스)들을 조절하여 최적 성능을 이룩하기 위해서 이 데이타를 이용해서 피드백 루프가 셋업될 수 있다. 본 발명은 연료 전지 스택에서 개개의 연료 전지들의 성능을 모니터링하고, 선택적으로 성능이 받아들일수 없는 레벨로 떨어질때, 자동적으로 수정 조치(가령, 오퍼레이터에게 경고하거나, 예방 또는 보정 작업 개시)를 취하는 방법 및 장치를 제공한다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 MEA 위에 일체로 배치된 센서를 통해 각각의 개별적인 연료 전지들내의 MEA의 물리적, 열적, 전기적 또는 화화적 상태를 측정하는 단계, 미리 결정된 기준을 측정된 상태와 비교함으로써 임의의 개별적인 연료 전지들이 받아들일수 없는지의 여부를 결정하는 단계, 및 측정된 상태가 하나 이상의 개별적인 연료 전지들이 받아들일수 없는 것을 나타낼 때 연료 전지 스택의 동작을 변경하는 단계를 제공한다. 개별적인 연료 전지들안의 각 MEA는 MEA의 물리적, 열적 화학적 또는 전기적 상태를 모니터링 하기 위해, 고체 폴리머 전해질 위에 일체형 센서를 갖는다.
스택은 일반적으로 다수의 개별적인 연료 전지들로 구성된다. 각 개별적인 전지는 (1) 멤브레인의 마주보는 제 1 및 제 2 표면에 고정된 애노드 및 캐소드를 갖는 양성자 교환 멤브레인, (2) 연료(일반적으로 수소)를 애노드와 접촉시키기 위한 애노드 근처의 제1 플로(flow) 채널, 및 (3) 산소 함유 가스(양호하게 공기)를 캐소드와 접촉시키기 위한 캐소드 근처의 제2 플로 채널을 포함한다. 각각의 MEA들 위의 센서들은 전지 전압들 뿐만 아니라 개별 전지 전압도 모니터한다. 다수의 측정, 계산, 및 소정의 기준치와의 비교는 스택의 상태를 결정하기 위해서 이루어지고, 이에 기초하여, 가령 스택의 오퍼레이터에게 임박했거나 예상되는 바람직하지 않은 상태를 알리는 것, 및/또는 이러한 상태를 완하시키기 위한 예방 작업을 자동적으로 개시하는 것과 같은 수정 조치가 취해진다. MEA의 일체형 센서를 형성하기 위하여 고체 전해질 위에 직접 재료가 증착될 수 있다. 예를 들어, 도전성 재료가 캐패시터들 또는 열전쌍(thermocouple)들을 형성하기 위하여 증착되고, 저항성 재료는 온도 센서들에 대한 저항들을 형성하기 위하여 증착되고, 압전 재료들은 음향 센서들을 만들기 위하여 증착될 수 있다. 다른 물질들 및 센서들은 형상 기억 합금, 자기 저항성, 자기 축성(magnetoconstrictive), 자성 및 강유전성들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
본 발명은 어느 특정 기하학적 구조에 국한되는 것은 아니다. 사실, 전지들이 개별적으로 제어되는한 본 발명은 스택 내의 개별 전지들 상에 또는 관모양 전지들에 사용될 수 있다. 센싱 동작을 수행하는 한 방법은 연료 전지 멤브레인의 복소 유전율을 측정하는 것이다. 검출된 응답을 이용함으로써 전지 성능은 최적화된다(온도, 습기, 산화제 플로, 산화제 압력, 연료 플로, 연료 압력, 연료 화학량론, 전기적 부하를 제어). 복소 유전율 측정을 이용하는 것은 많은 장점들을 제공한다:
1. 임의의 복잡한 고 출력 스위칭이 없이 전지가 동작하는 동안 성능을 측정하고 최적화시킬 수 있다.
2. 최적화는 전지 성능의 빠른 변화와 느린 변화 모두에 반응할 수 있다.
3. 최적화 루틴은 MEA의 캐소드 및 애노드 면의 습기의 정도를 결정할 수 있어 보다 나은 습기 제어, 멤브레인의 더 긴 수명, 및 더 좋은 연료 전지 성능을 허용한다.
4. 복소 유전율 테스트의 결과는 성능이 최적화되었는지의 여부와 또는 재료가 부적합한지의 여부를 나타낸다.
5. 고장난 전지는 시스템에 의해 식별되어 교체될 수 있다.
도 1을 참조하면, MEA(100)는 멤브레인과 쉽게 접촉하도록 위치한 인터디지털 캐패시터(110)를 갖는다. 이것은 스크린 프린팅, 박막 필름 증착, 무전해 도금등 다수의 방법으로 이루어질수 있다. 이것을 이룩하는데 가장 신속한 방법은 전극 재료를 생성하기 위해 채택된 프로세스를 이용하여 캐패시터를 형성하는 것이다. 예를 들어, 만약 MEA의 전극이 스크린 프린트된다면, 인터디지털 캐패시터(110) 또한 스크린 프린트되므로, 제조 단계가 줄어든다. 예를 들어, 도전성 잉크가 폴리머 전해질 멤브레인(PEM)으로 된 멤브레인 기판위에 증착될 수 있다. 인터디지테이트된 트레이스(interdigitated traces;115)들을 갖는 회로 또는 고체 형상으로 패턴화 될 수 있다. 증착은 애플리케이션에 따라, 기판의 한면 또는 두개의 면 위에서 이루어진다. 예를 들어, 만약 두개의 고체 패턴들이 AC 신호가 인가된 용량성 소자의 병렬 플레이트들을 형성하는 멤브레인의 어느 한쪽 면에 주입된다면, MEA의 두께를 통한 AC 임피던스가 측정된다. 센서를 패턴닝할때는, 전극으로부터 전기적으로 분리되어야하며, 이것을 이룩하는 쉬운 방법은 센서 주위에 빈 가장자리를 생성하는 것이다. 비록 도 1에 자세하게 도시되어 있지 않지만, 당업자는 MEA(100)의 표면의 나머지는 일반적으로 전극을 갖는다는 것을 인식할 것이다. 센서가 개구부의 MEA에 밀접하게 그리고 직접 부착되거나, 접착 또는 증착될 수 있도록 전극내 개구부를 형성할 수 있다. 센서 및 관련된 상호접속부를 둘러싸는 폴리머 멤브레인의 부분을 노출하고 있는 빈 영역은 전극으로부터 전기적으로 분리된다. 센서 부분은 PEM의 가장자리 근처에 위치할 수 있고 또는 회로 런너(120)는 기판의 가장자리로 확장되도록 패턴화 되어져서 전기적인 결합이 이루어진다(에지 카드 커넥터 또는 압착 엘러스토머 커넥터와 유사). 하나의 또 다른 구성은 MEA의 각 면 위에 판과 같은 센서를 사용하는 것으로, 멤브레인의 전기적인 특성들은 벌크(bulk)로 측정되어진다. 작은 "주의(keep out)" 구역이 양쪽 주변에서 패턴화되어, 센서들이 전극으로부터 전기적으로 분리된다. 이것은 표면의 나머지를 MEA의 활성 영역으로서 사용되도록 한다. 또한, 다수의 센서들은 표면에 분포되어서 멤브레인의 다른 부분들을 모니터한다. 캐패시터 구조는 사용가능한 표면 영역의 단지 작은 부분을 소비해야한다. 비록 인터디지테이트된 캐패시터가 도 1에 묘사되어있지만, 다른 캐패시터들의 배치들도 또한 실현될 수 있고, 본 발명의 청구항의 경계와 범위안에서 고려되어야 한다.
캐패시터의 인터디지테이트된 핑거(finger)들은 재료의 표면에서의 유전율에 아주 민감한 기하구조를 제공한다. 도 2의 단면도에 도시한 바와 같이, 전기력 선(210)들은 캐패시터의 핑거(215)들 사이에서 현저하게 나타난다. 전기력선(210)은 재료의 대부분에서 떨어진다. 최상층 인터디지테이트된 캐패시터(218)는 주로 멤브레인(200)의 최상층(애노드 면) 상의 유전율을 측정하는 반면에, 하층 캐패시터(219)는 캐소드 면 상의 유전율을 측정한다. 이것은 동작하는 동안 멤브레인의 습기의 정도가 양면상에서 똑같지 않기 때문에 매우 중요하다. 일반적으로 애노드 면은 우선 건조되는 경향이 있어서 이온 전도율이 감소한다. 동시에, 캐소드는 과수산화되는 경향이 있어서, 다공성을 감소시키며 캐소드로 흐르는 산화제의 플로를 막는다. 동작하는 동안, 전지는 캐소드 상에서 과도하게 수산화되고, 애노드면 상에서는 적게 수산화된다. 멤브레인의 양쪽면 상에 인터디지테이트된 캐패시터를 배치함으로써 애노드 및 캐소드 멤브레인 경계면들이 독립적으로 모니터된다.
MEA의 복소 유전율이 캐패시터와 함께 신호 발생기를 이용함으로써 결정되는 것이 도 3에 언급되어 있다. 신호 발생기(350)들은 캐패시터(326)의 플레이트들(325,330)에 인가되는 교류 전류(AC) 전압을 생성한다. 도면은 인터디지테이트된 캐패시터의 핑거들로서 플레이트들을(325,330) 묘사하고 있다는 점을 유의하여야 한다. 캐패시터 양단의 전류 및 전압이 측정되고(상대적인 위상에 따라), 신호 발생기(350)에서의 IV 측정 유닛은 전압 및 전류 측정값들을 저장된 값과 비교하여, 유전율(er) 및 손실 탄젠트(tan d)를 계산한다. 또한, 이들 계산값은 측정 값들의 차이에 비례하는 신호를 얻기 위하여 이들은 차동 비교기(360)에서 비교되어진다. 손실 탄젠트로부터, MEA의 수화의 정도가 결정된다(멤브레인에 수분이 많을수록 손실 탄젠트는 커진다). 차동 신호는 캐소드와 애노드 사이의 수화도의 차이에 비례한다. 다른 주파수에서의 유전율의 값은 멤브레인의 상태 및 수화량을 결정하기 위하여 사용된다. 이것은 유전율 응답이 주파수의 함수이기 때문이다. 다른 유전 메카니즘들은 다른 시간 스케일들에서 발생한다. 예를 들어, 이온 전도율은 쌍극자 응답보다 더 느린 응답을 갖는다. 이온 수송체로부터의 신호는 물의 쌍극자 응답보다 더 긴 R-C 시상수를 가지며 모델화될 수 있다. 이것은 멤브레인의 수화가 결정된다는 것을 뜻한다. 유사한 방법으로 애노드에서의 보다 빠른 화학 반응들은 캐소드에서의 보다 느린 산화 반응과 구분될 수 있다.
멤브레인의 표면에서 유전율을 측정할 뿐만 아니라, 벌크 유전율도 측정되어진다. 도 4에서 이 정리를 도시한다. 멤브레인(400)은 병렬 플레이트 캐패시터(426)의 두개의 플레이트들(425) 사이에 끼워져 있다. 신호 발생기(450)로부터 플레이트(425)들에 AC 신호를 인가하여 전류 및 전압을 측정한다(두 개의 신호의 위상에 따라). 벌크 재료의 손실 탄젠트 및 유전율은 전류, 전압, 및 상대적인 위상 각으로부터 결정된다. 이점에서, AC 신호는 표면보다는, 멤브레인 양단에 인가된다. 벌크 손실 탄젠트 및 유전율은, 벌크 재료의 평균 조건을 지시한다는 점만을 빼고는, 위에서 간략히 설명된 경우와 같은 정보를 제공한다.
도 5는 최적화 루틴의 상위 레벨 제어도이다. 유전율 측정(575)으로부터의 신호(570)(손실 탄젠트 및 유전율)는 신호 프로세서(580)로 보내진다. 신호 프로세서(580)는 위 문단에서 윤곽을 잡은 개념들에 기초하여 전지 성능을 결정하기 위해 응답을 룩업 테이블(look-up table) 또는 모델과 비교한다. 그 다음에 신호 프로세서(580)는 동작 파라미터들 또는 연료 전지(595)를 변경하기 위하여 제어기(590)에 적절한 명령을 보낸다. 예를 들어, 신호 프로세서가 시스템의 합성 응답과 모델을 비교했을때, 만일, 쌍극자 응답이 애노드에서 감소되었다는 것을 알게되었다면, 이것은 멤브레인이 애노드에서 건조되고 있다는 것을 의미한다. 전지의 온도는 원하는 범위안에 있음을 나타내고 캐소드의 유전율 응답은 캐소드가 적절히 수화되었다는 것을 나타낸다. 그 다음으로 제어기는 애노드로 가는 연료를 습하게 하려고 할 것이다. 다른 조건들은 같은 방식으로 조정된다.
일체형 센서를 통해 연료 전지 성능을 최적화하는 부가적인 방법은 인가된 펄스 또는 구형파에 대한 전지의 과도 응답(transient response)에 기초한 것이다. 도 6을 참조하면, 펄스 발생기(650)는 연료 전지(695)의 전극들 중의 하나에 구형파 펄스 또는 연속된 파형(651)을 인가하고 있으며 출력 펄스(652)가 검출기(660)에 의해 수신되고 있다. 출력 파형은 복소 신호이고, 그 퓨리에 성분들은 시스템의 응답을 나타낸다. 이 파형은 퓨리에 변환되고 기준 신호(653)의 퓨리에 성분들과 비교된다. 이 복소 응답은 전지의 직렬 및 병렬 RC 네트워크 모델과 비교된다. 이 해석은 디지털 신호 분석에서 행해지는 과도 해석과 동일하다. 이러한 종류의 해석은 종래 기술에서 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 추가적인 설명은 행하지 않을 것이다. 전극/이오노머(ionomer) 경계면은 멤브레인을 통한 이온 이동과는 다른 특성 응답을 제공하기 때문에, 경계면은 멤브레인과 직렬인 병렬 RC 조합으로 모델화되는 반면에 이온 이동은 직렬 저항으로서 모델화된다. 이온 이동으로부터의 신호는 물의 쌍극자 응답보다 더 긴 RC 시정수를 갖도록 모델화되어 있으며, 멤브레인의 수화가 모델로부터 결정될 수 있도록 해준다. 같은 방법으로 애노드에서 더 빠른 화학 반응은 캐소드에서 더 느린 산화 반응과는 구분될 수 있다. 또한 전극들의 조건이 결정될 수 있다.
검출기(660)로부터의 신호는 신호 프로세서(670)로 보내지고, 그 신호는 전지 성능을 측정하기 위하여 룩업 테이블 또는 모델과 비교된다. 그 다음에 신호 프로세서(670)는 시스템의 동작 파라미터들을 변경하기 위하여 인텔리전트(intelligent) 제어기(690)에 명령들을 송신한다. 예를 들어, 이 신호 프로세서는 시스템의 복소 응답을 모델과 비교하여 쌍극자 응답이 감소된 것을 알 수도 있다. 이것은 멤브레인이 건조되고 있다는 것을 뜻한다. 또한 전지의 온도를 측정해서 원하는 범위안에 있음을 알 수도 있다. 그 다음으로 신호는 제어기에 보내져서, 캐소드로의 공기 흐름이 감소됨으로써 수화는 증가할 것이다. 만약 공기 흐름을 감소시키는 것이 연료 전지의 출력 전력을 너무 많이 감소시킨다면, 제어기는 공기가 전지에 들어가기 전에 공기를 습윤 상태로 할 것이다. 다른 조건들도 유사한 방식으로 조정된다.
또한 다른 기술들에 대해 이미 차례로 들었던 장점에 더하여, 이 과도 응답 기술은 다수의 장점들을 제공한다.
1. 이 테스트는 전지의 전기적 성능과 더불어 재료의 상태를 판정할 수 있다.
2. 이 과도 응답 테스트의 결과는 성능을 최적화하기 위해 많은 입력 파라미터들 중 어느 것이 가장 변화되어야 하는지를 나타낼 것이다.
3. 이 테스트는 재료의 장애 모드가 무엇인지를 판정할 수 있어 근원적인 원인이 판정될 수 있다. 예를 들어, 촉매 장애인지 이오노미 장애인지가 식별될 수 있다.
도 7을 참조하면, 최적화된 연료 전지 성능에 대한 다른 방법으로써, 인가된 AC 신호에 대한 전지의 AC 응답에 기초하는 방법이 도시되어 있다. AC 신호(751)는 AC 소스(750)에 의해 연료 전지(795)의 전극들중의 하나에 인가되고, 응답(752)은 나머지 전극상의 위상 감응 검출기(760)에 의해 검출되어진다. 앞서 주목한 바와 같이, 검출기 또는 센서들은 고체 전해질 멤브레인 상에 일체적으로 배치되어 있다. 위상 감응 검출기(760)는 응답 신호(752)를 기준 신호(753)와 비교한다. 두개의 신호들(761,762)은 입력 신호(751)에 비해 하나는 동상(in-phase)이고 다른 하나는 이상(out-of-phase)으로 출력된다. 이들 신호들은 전지의 복소 응답을 나타낸다. 복소 응답은 앞에서 설명한 과도 검출 분석과 상당히 동일한 방식으로 전지의 직렬 및 병렬 RC 네트워크 모델과 비교된다. 위상 검출기(760)로부터의 신호는 신호 프로세서(770)로 송신되고, 이 프로세서는 명령들을 인텔리젼트 제어기(790)에 보낸다.
지금까지 센서들 및 이들의 동작을 설명하였고, 이제 이들 센서들을 이용하여 연료 전지를 동작시키는 방법에 대해 설명한다. 멤브레인 전극에 대해 설명하였으며 이 어셈블리의 물리적, 열적, 화학적 또는 전기적 상태는 적절한 센서 및 방법을 이용하여 모니터된다. 만약 연료 전지에서의 조건들이 제어기에 의해 비정상적 신호로 검출된다면, 그 다음에는 제어기가 모니터된 신호에 기초하여 결함있는 멤브레인 전극 어셈블리를 확인할 것이다. 이 제어기는 센서들의 동작, 센서 신호들의 획득, 연료 전지의 모니터링, 데이타 조작, 및 통신 알고리즘에 필요한 명령을 포함하고 있다. 센서는 알려져 있는 임의의 적절한 통신 프로토콜 수단을 통해 제어기와 통신한다. 제어기의 기능을 실행하기 위한 특정 프로그램은 종래의 정보 처리 언어들을 이용해서 당업자에 의해 이루어질 수도 있다. 전기 제어기는 시스템상에 위치한 연료 전지 스택 시스템의 전력 요구에 대한 동작 파라미터들을 제어하고 스택의 상태를 진단하도록 프로그램된 제어기에 기반을 둔 통상적인 범용 디지털 컴퓨터의 형태를 취하고 있다. 다수의 양호한 제어기들은 모토롤라사에 의해 제조되고, 당업자에게 잘 알려져 있다.
다음으로 제어기는, 식별된 손상된 멤브레인에 대응하여, 또는 연료 전지 어셈블리의 동작을 최적화하기 연료 전지의 동작을 위해 변경한다. 예를 들면, 연료 전지 어셈블리에서 개별의 단위 전지들은 결점이 없을 수도 있지만, 예를 들어, 국소적인 침수 또는 건조로 인해 간단하게 최적 이하에서(sub-optimally) 동작할 수 있다. 이 경우, 이들 단위 전지들은 제어기에 의해 전기적으로 스위치 되거나 또는 정지되고, 후에 최적 조건으로 되돌아갈 때, 다시 스위치되어진다. 선택적으로, 제어기는 또한 연료의 플로 또는 식별된 멤브레인 어셈블리에 대한 산화제를 변경하기 위하여 보정 조치(corrective measure)들을 초기화하거나, 또는 연료 전지 어셈블리의 전기적 출력을 감소시킨다. 이런 조치들은 적절한 동작을 취하도록 시각적 또는 청각적 경고들을 스택 오퍼레이터에게 일으키거나, 폐루프 피드백 시퀀스에서의 예방적 조처들을 자동적으로 초기화하는 것을 포함하고 있다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라, 어떤 증거들, 또는 스택의 예측된 상태의 사전 인디케이터도 센서들에 의해 제공될 수도 있으며, 상태가 심각해지기 전에, 문제를 보정하기에 충분한 시간 안에 이런 조건들을 완화시키기 위하여 자동적으로 적절한 동작을 트리거한다. 이들 조건들의 몇몇 예들은 일산화탄소의 작용저하, 폴리머 전해질 멤브레인의 건조, 수소 누설, 저급 연료 및 멤브레인에서의 천공들이다.
요약하면, MEA 멤브레인들 상에 일체화된 센서들은 복잡성 및 부품 수를 줄인다. 장치에 센서를 내장한 것은 근접성에 기인한 전기적인 손실을 줄이고 정확한 측정을 가능하게 한다. 센서와 멤브레인의 활성 영역 모두에 도전성의 전극 재료를 이용함으로써 제조가 더욱 간단해진다. 본 발명의 양호한 실시예가 도시되고 언급되었지만, 이것은 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 첨부된 청구항들에 의해 한정되고 있는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는, 많은 변경들, 변화, 변형들, 대체들 및 균등물들이 당업자에게 발생할 것이다.

Claims (6)

  1. 일체형 센서(integral sensor)를 갖는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)에 있어서,
    두개의 주 표면, 및 두개의 주 표면 각각 상에 전극을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인(polymer electrolyte membrane); 및
    상기 멤브레인 전극 어셈블리의 하나 또는 그 이상의 파라미터들을 모니터하기 위하여 상기 멤브레인 전극 어셈블리 내에 심어진(embedded) 센서- 상기 파라미터들은 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 온도, 수화(hydration), 이온 전도율, AC 임피던스, 비저항, 정전 용량, 유전율, 복소 유전율, 벌크 유전율, 및 응답으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨-
    를 포함하고, 상기 센서는 상기 폴리머 전해질 멤브레인의 상기 두개의 주 표면들 중 하나 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  2. 하나 또는 그 이상의 심어진 센서들을 구비한 멤브레인 전극 어셈블리에 있어서,
    전극을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인, 및
    상기 멤브레인 전극 어셈블리의 하나 또는 그 이상의 파라미터들을 모니터하기 위하여 상기 폴리머 전해질 멤브레인의 하나의 주 표면 위에 위치하는, 하나 또는 그 이상의 심어진 센서들을 포함하고,
    상기 파라미터들은 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 온도, 수화, 이온 전도율, AC 임피던스, 비저항, 정전 용량, 유전율, 복소 유전율, 벌크 유전율, 및 응답으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  3. 폴리머 전해질 멤브레인과 하나 또는 그 이상의 심어진 센서들을 각각 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리들을 상기 심어진 센서들과 함께 구비하는 연료 전지 어셈블리(fuel cell assembly)를 동작하는 방법에 있어서,
    상기 멤브레인 전극 어셈블리들내의 상기 폴리머 전해질 멤브레인들 상에 일체화되어 위치하는 상기 하나 또는 그 이상의 심어진 센서들을 통해, 하나 또는 그 이상의 상기 멤브레인 전극 어셈블리들의 하나 또는 그 이상의 파라미터들을 모니터하는 단계- 상기 파라미터들은 멤브레인 전극 어셈블리의 온도, 수화, 이온 전도율, AC 임피던스, 비저항, 정전 용량, 유전율, 복소 유전율, 벌크 유전율, 및 응답으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨-;
    상기 모니터된 파라미터들을 이용함으로써 최적 이하에서(sub-optimally) 동작하는 멤브레인 전극 어셈블리를 식별하는 단계; 및
    상기 식별된 최적 이하의 멤브레인 전극 어셈블리에 기초하여, 상기 연료 전지 어셈블리의 동작을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 연료 전지 스택에서 개별적인 연료 전지들을 모니터하고, 상기 모니터링에 응답하여 상기 스택의 동작을 변경하는 방법에 있어서,
    a. 상기 개별적인 연료 전지들 각각 내의 멤브레인 전극 어셈블리의 하나 또는 그 이상의 파라미터를 상기 멤브레인 전극 어셈블리 내에 심어진 센서를 통하여 측정하는 단계- 상기 파라미터들은 온도, 수화, 이온 전도율, AC 임피던스, 비저항, 정전 용량, 유전율, 복소 유전율, 벌크 유전율, 및 응답으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨-;
    b. 상기 측정된 파라미터들을 소정의 기준과 비교하는 단계; 및
    c. 단계(b)에서 행해진 상기 비교가 상기 측정된 파라미터들이 상기 소정의 기준을 만족시키지 못한 것을 나타낼 때 상기 연료 전지 스택의 동작을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 센서를 갖는 멤브레인 전극 어셈블리들을 구비한 연료 전지 어셈블리를 동작하는 방법에 있어서,
    상기 멤브레인 전극 어셈블리 각각 내에 심어진 하나 또는 그 이상의 센서들을 통해, 상기 멤브레인 전극 어셈블리들의 AC 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 측정된 AC 임피던스를 이용함으로써 최적 이하에서 동작하는 멤브레인 전극 어셈블리를 특정하는 단계; 및
    상기 특정된 최적 이하의 멤브레인 전극 어셈블리에 기초하여, 상기 연료 전지 어셈블리의 동작을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 연료 전지 어셈블리에 있어서,
    다수의 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하고, 상기 다수의 멤브레인 전극 어셈블리 각각은
    두개의 주 표면, 및 두개의 주 표면 각각 상에 전극을 갖는 폴리머 전해질 멤브레인; 및
    상기 멤브레인 전극 어셈블리의 하나 또는 그 이상의 파라미터들을 모니터하기 위하여 상기 멤브레인 전극 어셈블리 내에 심어진 센서- 상기 파라미터들은 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 온도, 수화, 이온 전도율, AC 임피던스, 비저항, 정전 용량, 유전율, 복소 유전율, 벌크 유전율, 및 응답으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨-
    를 포함하며, 상기 센서는 상기 폴리머 전해질 멤브레인의 상기 두개의 주 표면들 중 하나 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 어셈블리.
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