KR100974743B1 - 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전자가 원하는 시기 및 장소에서 연료전지의 멤브레인에 대한 건강 상태 즉, 멤브레인의 성능이 정상적으로 유지되는지를 자가 점검 차원에서 손쉽게 측정하여 확인할 수 있도록 한 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지에 수소 및 공기를 일정시간 동안 공급후, 공기 공급만을 차단하는 제1단계와; 연료전지에 전류를 인가하여 셀 전압을 강하시키는 제2단계와; 전압 강하를 위한 전자부하를 해지함과 함께 연료전지에 다시 공기를 일정시간 동안 공급후, 수소 및 공기 공급을 모두 차단하는 제3단계와; 상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 초기 감소속도를 측정하는 제4단계와; 상기 제1 및 제3단계를 일정시간 동안 운전한 후, 상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 최종 감소속도를 측정하는 제5단계와; 상기 OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도를 비교하여, 상기 멤브레인에 대한 점검여부를 결정하는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 방법및 장치를 제공한다.

연료전지, 멤브레인, 건강 상태, 측정, OCV, 전압

Description

연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법{Device and method for measuring performance of fuel cell membrane}

본 발명은 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운전자가 원하는 시기 및 장소에서 연료전지의 멤브레인에 대한 건강 상태 즉, 멤브레인의 성능이 정상적으로 유지되는지를 자가 점검 차원에서 손쉽게 측정하여 확인할 수 있도록 한 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극(연료극, 공기극)과 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막, 그리고 전극과 전해질 막 등을 지지하는 분리판 등을 포함하여 구성되어 있다.

고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있고, 또한 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친 환경적인 동력원이기 때문에 현재 자동차 업계 전반에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.

고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 연료극에 공급된 수소가 연료극(Anode)의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 공기극(Cathode)으로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.

연료극(Anode) : H₂ → 2H⁺ + 2e^-

공기극(Cathode) : 1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

실제 연료전지 차량에서는 수소 크로스오버(crossover)로 인해 전류를 인가 하지 않았음에도 불구하고 전압이 약 0.97~1.1V사이로 나타나는데, 이 전압은 공기극과 연료극 사이의 전위 차이이며, 이 전압을 OCV(open circuit voltage)라고 부른다.

상기 OCV는 연료전지에 어떤한 외부 전류가 인가되지 않았을 때의 전압이며, 연료극과 공기극에 사용되는 가스 즉, 수소 및 공기(산소) 농도에 의해 영향을 받는다.

따라서, 연료전지에 가스 공급이 중단되면, OCV는 서서히 감소하게 되는데, 그 이유는 연료극측에 있는 수소가 멤브레인을 통해 공기극측으로 넘어가게 되어(crossover), 공기를 소모시키기 때문에 발생한다.

이에, 멤브레인(Membrane) 즉, 고분자 전해질 막의 건강 상태(성능 유지 상태) 정도에 따라 연료극에서 공기극으로 넘어가는 수소 크로스오버(crossover)량은 다르게 나타날 수 있으며, 그 양의 다름으로 인해 OCV가 감소되는 속도 또한 달라질 수 있다.

상기 멤브레인의 건강(성능 유지) 상태가 좋지 않으면 당연히 셀 성능이 감소되고, 이것은 차량 출력 성능의 감소와 함께, 수소와 공기 만남으로 인한 안전상의 문제도 발생하기 때문에, 결국 멤브레인의 건강 상태를 체크하는 것은 중요한 항목중 하나라 하겠다.

한편, 크로스오버(Crossover)된 수소에 의해 공기가 소모되는 원리를 이용하여 OCV 감소속도를 측정하면, 별도의 장비나 장치 없이 연료전지에 사용되는 멤브레인의 건강 상태를 알 수 있다.

첨부한 도 1은 종래의 멤브레인 건강 상태를 측정하는 방법을 나타낸 도식도로서, 종래에는 연료전지(10)의 연료극(12)에 수소를 공급하고, 반면에 공기극(14)측에 질소를 공급하여, 외부에서 전압을 인가하여 발생되는 전류량으로 멤브레인(16)의 건강 상태를 측정하였다.

그러나, 종래의 멤브레인 건강 상태 측정 방법은 다음과 같은 단점이 있었다.

즉, 종래에는 멤브레인의 건강 상태를 알아보기 위해서 파워공급수단(18: power supply)과 같은 별도의 장비를 이용하고, 동시에 공기극(14)에 질소를 공급하기 위한 별도의 질소가스 공급수단(미도시됨)을 이용하여 멤브레인(16)의 건강 상태를 측정하였는 바, 이렇게 별도의 파워공급수단 및 불활성가스인 질소를 공급하는 별도의 질소가스 공급수단이 필요하여 설치 비용이 많이 들고, 또한 멤브레인의 건강 상태를 측정하는 절차가 복잡한 단점이 있었다.

또한, 종래의 방법을 사용하여 멤브레인의 건강 상태를 측정할 경우, 단위 셀 이외에는 분석이 불가능하다는 단점이 있다.

다시 말해서, 외부에서 전압을 인가해야 하기 때문에 여러 단위 셀들로 이루어진 스택에서 각 단위 셀마다 균등하게 전압 인가가 이루어지지 않기 때문에 여러 셀의 멤브레인 건강 상태를 한꺼번에 측정하기에는 불가능한 면이 있다.

따라서, 차량 상태에서 시시각각 멤브레인의 건강 상태를 확인할 수 없다는 치명적인 단점이 있으며, 이에 운전자가 스스로 연료전지 차량에 사용된 스택의 셀 상태를 확인하고, 점검 시기를 결정할 수 없는 것은 연료전지 차량 상용화에 있어 장애의 소지가 될 수 있다.

본 발명은 종래와 같이 연료전지의 멤브레인에 대한 건강 상태를 측정할 때 별도의 전압 인가 장비 구축, 질소와 같은 불활성 가스 사용, 단위 셀 용도로만 사용, 차량 장착용 스택에서 적용 불가능 등의 문제점이 발생되는 것을 해결하기 위 하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량에 탑재된 연료전지의 멤브레인에 대한 건강 상태 측정을 OCV 감소속도를 측정하는 방법으로 진행하되, 정비소 또는 운전자의 자의 자가 점검을 통해 손쉽게 측정하여 확인할 수 있도록 한 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지에 수소 및 공기를 일정시간 동안 공급후, 공기 공급만을 차단하는 제1단계와; 연료전지에 전류를 인가하여 셀 전압을 강하시키는 제2단계와; 전압 강하를 위한 전자부하를 해지함과 함께 연료전지에 다시 공기를 일정시간 동안 공급후, 수소 및 공기 공급을 모두 차단하는 제3단계와; 상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 초기 감소속도를 측정하는 제4단계와; 상기 제1 및 제3단계를 일정시간 동안 운전한 후, 상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 최종 감소속도를 측정하는 제5단계와; 상기 OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도를 비교하여, 상기 멤브레인에 대한 점검여부를 결정하는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 OCV 초기 감소속도와 대비하여 상기 OCV 최종 감소속도가 임계범위 이상 빠르면 멤브레인에 대한 점검이 결정되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 연료전지 멤브레인에 대한 건강 상태 측정을 위한 각 단계는 연료전지 차량의 주행 정지후, 운전자의 멤브레인 건강 상태 측정에 대한 의사 결정 이 있는 경우에만 OCV 감소속도 측정 제어기의 제어 동작으로 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 운전자의 멤브레인 건강 상태 측정에 대한 의사 결정을 입력하는 입력부와; 상기 입력부에 입력된 의사 결정 신호에 따라 동작하여, 연료전지 셀의 OCV 감소속도측정 및 멤브레인 점검 여부를 제어하는 OCV 감소속도 측정 제어기와; 연료전지에 수소 및 공기를 공급하고 차단하는 제어를 하는 연료제어기와; 전자부하로서 연료전지에 연결된 모터제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기에는 연료전지의 각 단위셀에 대한 OCV 감소속도를 운전자가 볼 수 있게 디스플레이하는 모니터링 수단이 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 OCV 감소속도 측정을 위한 유량 제어를 위해 상기 연료전지의 연료극 및 수소극의 입출구에는 OCV 측정 제어기의 제어로 개폐되는 솔레노이드 밸브가 장착된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

연료전지 차량에 탑재된 연료전지의 멤브레인에 대한 건강 상태를 정비소 또 는 운전자의 자가 점검을 통해 손쉽게 측정하여 확인할 수 있다.

즉, 연료전지 차량의 주행 정지후, 운전자가 멤브레인 건강상태 측정을 위한 결정을 하면, OCV 감소속도 측정 제어기에 의한 제어 동작으로 각 단위셀에 대한 OCV 감소속도 측정이 진행되고, 그 측정 결과가 모니터링 수단을 통해 디스플레이되도록 함으로써, 운전자가 손쉽게 연료전지의 멤브레인 건강 상태를 자가 점검할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정은 연료전지 차량의 주행 정지후, 운전자 또는 정비소 등에서 직접 자가 점검 차원에서 실시할 수 있고, 그 점검 결과 멤브레인의 상태가 정상인지 성능이 떨어진 상태인지를 손쉽게 결정할 수 있도록 한 점에 주안점이 있으며, 이를 위한 본 발명의 구성은 첨부한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정을 위한 구성도이다.

상기 연료전지 시스템에는 연료전지(10)의 연료극(12) 및 공기극(14)에 각각 수소 및 공기의 공급/차단 제어를 위한 연료제어기(24)와, 연료전지(10로부터 생성된 전기를 이용하여 모터의 구동 제어를 담당하는 모터제어기(20)가 포함되어 있 다.

본 발명에 따르면, 차량의 주행 정지 상태에서 연료전지 멤브레인(16)의 건강 상태 측정을 위해 OCV 감소속도를 측정하게 되는데, 이 OCV 감소속도의 측정 제어를 위한 OCV 감소속도 측정 제어기(22)가 상기 연료제어기(24)와 모터제어기(20)에 연결된다.

이에, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)는 연료전지 멤브레인(16)의 건강 상태 측정을 위해, 상기 연료제어기(24)와 모터제어기(20)를 일시적으로 동작시키게 된다.

특히, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)의 입력측에는 멤브레인 건강 상태 측정 입력부(30)가 연결되는 바, 이 입력부(30)는 운전자가 직접 조작할 수 있는 운전석 소정 위치에 조작버튼식으로 설치된다.

따라서, 상기 입력부(30)에 입력된 운전자의 의사 결정 신호에 따라 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)는 하기에서 상세하게 설명되는 바와 같이 연료전지(10)의 각 단위셀에 대한 OCV 감소속도 측정 및 멤브레인 점검 여부 등을 제어하는 기능을 하게 된다.

한편, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)에는 연료전지의 각 단위셀에 대한 초기 OCV 감소속도 및 최종 OCV 감소속도 등을 운전자가 볼 수 있게 디스플레이하는 모니터링 수단(26)이 연결되며, 이 모니터링 수단(26) 또한 운전석 소정 위치에 설치되도록 한다.

또한, 상기 OCV 감소속도 측정 과정중, 연료전지(10)의 연료극(12) 및 공기 극(14)에 대한 가스 공급 또는 차단을 위해 상기 연료전지(10)의 연료극(12) 및 수소극(14)의 입출구에는 OCV 감소속도 측정 제어기(22)의 제어로 개폐되는 솔레노이드 밸브(28)가 각각 장착된다.

여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명에 따른 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정 방법의 전체적인 흐름을 설명하는 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정 방법중 OCV 감소속도 측정 단계의 흐름을 설명하는 순서도이다.

먼저, 연료전지 차량의 주행 정지후, 운전자가 멤브레인 건강 상태 측정 입력부를 조작하여, 연료전지의 각 단위셀에 존재하는 멤브레인의 성능을 알고자 하는 의사를 표현한다.

이어서, 상기 멤브레인 건강 상태 측정 입력부를 통해 입력된 신호를 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)에서 수신하여, 멤브레인 건강 상태 측정을 위한 일련의 과정을 제어하게 된다.

여기서, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기의 제어 동작으로 진행되는 멤브레인 건강 상태 측정 과정을 단계별로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)의 제어신호를 수신한 연료제어기(24)가 동작하여, 연료전지(10)의 연료극(12) 및 공기극(14)에 각각 수소 및 공기를 일정시간 동안 공급한 후, 공기 공급만을 차단시키는 제1단계가 진행된다.

이어서, 제2단계로서 연료전지(10)에 대한 공기 공급이 차단됨과 함께 연료 전지(10)에 전류를 인가하여 각 단위 셀 전압을 강하시키게 되고, 이때 단위 셀 전압을 강하시키는 전자부하로서 상기 모터제어기(20)가 OCV 감소속도 측정 제어기(22)의 신호를 받아 일시적으로 동작하게 된다.

연이서, 제3단계로서 전압 강하를 위한 전자부하(20)를 해지함과 함께 상기 연료전지(10)의 공기극(14)에 다시 공기를 일정시간 동안 공급후, 수소 및 공기 공급을 모두 차단시킨다.

상기 공기 또는 수소 그리고 수소 및 공기를 차단하는 제어는 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22) 또는 OCV 감소속도 측정 제어기(22)의 신호를 받은 연료제어기(24)에서 상기 솔레노이드 밸브(28)를 적정 시점에서 개폐하여 이루어진다.

이어서, 상기 연료전지(10)의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 초기 감소속도를 측정하는 제4단계가 진행된다.

이때, 상기 OCV는 연료전지에 어떤한 외부 전류가 인가되지 않았을 때의 전압이며, 연료극과 공기극에 사용되는 가스 즉, 수소 및 공기(산소) 농도에 의해 영향을 받게 되므로, 연료전지에 가스 공급이 중단되면 OCV는 서서히 감소하게 된다.

따라서, 상기 OCV 초기 감소속도를 측정하기 바로 전에, 수소 및 공기 공급을 모두 차단시킨 상태이므로, 서서히 감소하는 OCV 초기 감소속도를 측정할 수 있다.

즉, 연료전지의 각 단위셀에 연결된 전압 측정 와이어를 통해 OCV 감소속도 측정 제어기로 전송되는 신호를 통해 OCV 초기 감소속도가 측정될 수 있다.

다음으로, 상기 제1단계 내지 제3단계를 일정시간 동안 운전한 후, 상기 연 료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 최종 감소속도를 측정하는 제5단계가 진행된다.

상기 OCV 최종 감소속도를 측정하는 제5단계는 상기의 제4단계와 같은 방법으로 진행되며, OCV 초기 및 최종 감소속도를 측정하는 종료 전압은 연료전지의 사양에 따라 다르게 정할 수 있으나 보통은 0.2~0.4V의 전압으로 설정한다.

이어서, 상기 OCV 감소속도 측정 제어기(22)에서, OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도를 비교하고, 그 비교 결과를 기반으로 하여 상기 멤브레인(16)에 대한 점검여부를 결정하는 제6단계에 대한 제어가 이루어진다.

첨부한 도 6은 OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도를 비교한 결과의 그래프로서, OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도가 0.2~0.4V의 전압까지 떨어질 때 속도를 비교해보면, OCV 초기 감소속도에 비하여 OCV 최종 감소속도가 더 빠름을 볼 수 있다.

따라서, 상기 연료전지의 각 단위셀중 OCV 감소속도가 가장 빠른 것을 기준으로 하여, 상기 OCV 초기 감소속도와 대비하여 상기 OCV 최종 감소속도가 멤브레인의 건강 상태가 불량임을 의미하는 임계범위 이상이면 멤브레인에 대한 점검이 결정되고, 임계범위 이내이면 차량 주행을 위한 멤브레인 성능 즉, 건강 상태가 좋은 것으로 판정한다.

바람직하게는, 상기 OCV 초기 감소속도와 대비하여 상기 OCV 최종 감소속도가 30%이상 빨라지면 멤브레인의 건강 상태를 불량으로 판정하여 해당 셀의 점검이 결정되고, 30% 미만이면 멤브레인의 성능이 양호한 수준인 것으로 판정한다.

이와 같은 연료전지(10)의 각 단위셀에 대한 OCV 초기 및 최종 감소속도, 그 비교 결과 등은 운전자가 볼 수 있도록 모니터링 수단(26)에 실시간으로 디스플레이된다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 운전자의 주기적인 멤브레인 건강 상태를 차량에서 스택을 탈거하지 않은 상태에서 손쉽게 측정할 수 있고, 이에 연료전지 스택의 상태 확인 및 해당 셀의 점검 여부를 정확하게 결정할 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정을 위한 구성도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정을 위한 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정 방법의 전체적인 흐름을 설명하는 순서도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정 방법중 OCV 감소속도 측정 단계의 흐름을 설명하는 순서도,

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 멤브레인의 건강 상태 측정 방법에 대한 결과를 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 12 : 연료극

14 : 공기극 16 : 멤브레인

18 : 파워공급수단 20 : 모터제어기

22 : OCV 감소속도 측정 제어기 24 : 연료제어기

26 : 모니터링 수단 28 : 솔레노이드 밸브

30 : 멤브레인 건강 상태 측정 입력부

Claims (7)

1. 연료전지에 수소 및 공기를 일정시간 동안 공급후, 공기 공급만을 차단하는 제1단계와;

   연료전지에 전류를 인가하여 셀 전압을 강하시키는 제2단계와;

   전압 강하를 위한 전자부하를 해지함과 함께 연료전지에 다시 공기를 일정시간 동안 공급후, 수소 및 공기 공급을 모두 차단하는 제3단계와;

   상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 초기 감소속도를 측정하는 제4단계와;

   상기 제1 및 제3단계를 일정시간 동안 운전한 후, 상기 연료전지의 셀 전압이 강하함에 따른 OCV 최종 감소속도를 측정하는 제5단계와;

   상기 OCV 초기 감소속도와 OCV 최종 감소속도를 비교하여, OCV 초기 감소속도에 비하여 OCV 최종 감소속도가 멤브레인의 이상을 나타내는 임계범위 이상 빠르면 멤브레인에 대한 점검이 결정되는 제6단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 연료전지 멤브레인에 대한 건강 상태 측정을 위한 각 단계는 연료전지 차량의 주행 정지후, 운전자가 임의로 멤브레인 건강 상태 측정 결정을 선택하는 경우, OCV 감소속도 측정 제어기의 제어 동작으로 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 건강 상태 측정 방법.
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