KR100985149B1 - 성능열화판정장치 및 성능열화판정방법 - Google Patents

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Abstract

종래에는, 연료전지에서 발생하는 이상을 판정하기 위한 방법으로 상기 연료전지의 전해질막의 저항을 이용하는 방법이 공지되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전해질막의 저항은 그 온도가 낮아지거나 그 습윤량이 감소함(즉, 건조상태)에 따라 증가하고, 온도가 상승하거나 습윤량이 증가함(즉, 습윤상태)에 따라 감소함으로써, 단순히 저항의 증가를 검출함으로써 성능의 열화 또는 성능의 단순한 강하가 발생하였는 지의 여부를 판정하기가 어려웠다. 이에 따라, 전해질막의 저항을 토대로 연료전지의 성능 열화를 판정하는 기준은, 전해질막이 건조상태에 접근하고 그 온도가 낮아짐에 따라 보다 높게 설정되고, 상기 전해질막이 습윤상태에 접근하고 그 온도가 높아짐에 따라 보다 낮게 설정된다. 결과적으로, 연료전지의 성능 열화가 그 운전상태에 관계없이 용이하게 판정될 수 있다.

Description

성능열화판정장치 및 성능열화판정방법{DEVICE AND METHOD FOR JUDGING DETERIORATION IN PERFORMANCE}
본 발명은 연료전지의 성능 열화(performance degradation)를 판정하는 기술에 관한 것이다.
연료전지에서 발생하는 이상을 검출하는 한 가지 공지된 방법은, 예컨대 일본특허공개공보 제2002-367650호에 개시된 바와 같이 연료전지의 AC 임피던스를 이용한다.
이러한 종래 기술의 방법은 정상 발전 상태에서의 특정 주파수에서 고체고분자형 연료전지 또는 연료전지스택의 AC 임피던스를 사전에 미리 측정하여, 상기 측정된 AC 임피던스를 기준임피던스값으로 설정한다. 그 후, 상기 방법은 발전 시 특정 주파수에서 상기 연료전지 또는 연료전지스택의 AC 임피던스를 측정하여, 상기 측정된 AC 임피던스를 상기 기준임피던스값과 비교한다. 상기 측정된 AC 임피던스와 상기 기준임피던스값간의 차이가 소정의 허용가능치를 초과하는 경우에는, 연료전지 또는 연료전지스택에 어떠한 이상이 발생한 것으로 판정하게 된다. 상기 연료전지의 확산저항(농도 분극)은 5 Hz의 주파수에서 측정된 AC 임피던스의 허수부로 특정된다. 상기 연료전지의 반응저항은 40 Hz의 주파수에서 측정된 AC 임피던스의 허수부로 특정된다. 상기 연료전지의 옴저항은 5 Hz의 주파수에서 측정된 AC 임피던스의 실수부로 특정된다.
상기 연료전지의 AC 임피던스는 연료전지의 성능 열화에 의해 변할 뿐만 아니라, 상기 연료전지의 운전 상태의 변동에 의해 정상 상태에서도 변할 수도 있다. 자동차의 에너지공급원으로서 연료전지의 적용 시, 상기 연료전지의 운전 상태(예컨대, 온도와 출력파워)는 상기 자동차의 구동 상태의 변동에 따라 현저하게 변한다. 이는 AC 임피던스의 현저한 변동을 유발한다.
상기 연료전지 또는 연료전지스택의 일부 이상(성능 열화) 발생으로 인한 AC 임피던스의 변동과 상기 연료전지의 운전상태의 변동으로 인한 AC 임피던스의 변동간의 소정의 허용가능치를 초과하는 기준임피던스값과 상기 측정된 AC 임피던스간의 큰 차이의 원인을 식별하기 어려울 수도 있다.
예를 들어, 상기 연료전지의 반응저항은 촉매 활성의 열화 뿐만 아니라, 온도 감소에 기초한 촉매 활성의 일시적인 감소에 의해 증가될 수도 있다. 종래 기술의 방법은 단순한 일시적인 성능 저하로부터 성능 열화(이상)를 식별할 수 없다. 이와 유사한 어려움들이 확산저항과 옴저항에 대해서도 발생한다.
본 명세서에 있어서, '성능 열화'라는 용어는 영구적이면서 치명적인 성능 저하를 의미하는 반면, '일시적인 성능 저하'라는 용어는 일부 조건에서는 성능 회복 가능성이 있는 단지 일시적인 성능 저하를 의미한다.
따라서, 연료전지의 운전상태의 변동에 관계없이, 상기 연료전지의 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있는 기술에 대한 요구가 있어 왔다.
상기 요구사항과 기타 관련된 요구사항들 가운데 적어도 일부를 성취하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태는 연료전지의 성능 열화를 판정하는 성능열화판정장치에 관한 것이다. 상기 성능열화판정장치는, 상기 연료전지의 AC 임피던스를 적어도 특정 주파수에 대하여 측정하도록 구성된 AC임피던스측정부; 상기 연료전지의 운전상태를 검출하도록 구성된 운전상태검출부; 및 상기 검출된 운전상태에 대응하는 열화기준값을 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교하여, 상기 비교 결과를 토대로 상기 연료전지의 성능 열화를 판정하도록 구성된 판정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 성능열화판정장치에서는, 상기 연료전지의 운전상태의 변동의 경우에도, 상기 판정장치가 상기 운전상태검출부에 의해 검출된 운전상태에 대응하는 열화기준값을 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교하여, 상기 비교 결과를 토대로 상기 연료전지의 성능 열화를 판정한다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치는, 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교될 변하는 운전상태에 대응하는 적절한 열화기준값을 이용한다. 따라서, 본 발명의 성능열화판정장치는 연료전지의 운전상태의 변동에 관계없이, 상기 연료전지의 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다. 이러한 형태는 연료전지의 운전상태의 변동에 기인하는 단순한 일시적인 성능 저하로부터 성능 열화를 분명하게 식별하여, 상기 연료전지의 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 바람직한 일 적용예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지에 포함된 전해질막의 습윤 상태(moisture state)를 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 옴저항값이다.
상기 옴저항의 값은 일반적으로 연료전지의 전해질막과 세퍼레이터(separators)의 열화에 의해 증가된다. 따라서, 이러한 형태의 성능열화판정장치는 연료전지의 전해질막과 세퍼레이터의 열화 발생을 식별하도록 옴저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있다.
본 발명의 성능열화판정장치에 있어서, 상기 열화기준값은 상기 전해질막의 건조 상태(drier state)에서 보다 높게 설정되는 것이 바람직하다.
상기 옴저항의 값은 전해질막의 건조 상태에서 증가한다. 따라서, 연료전지의 성능 열화의 정확한 판정을 위해서는 보다 큰 열화기준값이 필요하게 된다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도와 상기 연료전지로 공급되는 가스의 가습량 중 하나 이상을 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 옴저항값이다.
이러한 형태는 전해질막의 습윤 상태를 정확하게 특정하므로, 연료전지의 전해질막과 세퍼레이터에서의 열화 발생을 식별하도록 옴저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 또 다른 바람직한 적용예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 반응저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지의 촉매활성을 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 반응저항값이다. 상기 열화기준값은 촉매활성이 저하됨에 따라 증가하도록 설정된다.
상기 반응저항의 값은 일반적으로 상기 연료전지의 촉매 활성의 열화에 의해 증가된다. 따라서, 이러한 형태의 성능열화판정장치는 연료전지의 촉매 활성의 열화 발생을 식별하도록 반응저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
상기 반응저항의 값은 촉매 활성이 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 연료전지의 성능 열화의 정확한 판정을 위해서는 보다 큰 열화기준값이 필요하게 된다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 반응저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 압력 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 반응저항값이다.
이러한 형태는 촉매 활성을 정확하게 특정하므로, 연료전지의 촉매 활성의 열화 발생을 식별하도록 반응저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 또 다른 바람직한 적용예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 확산저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지의 가스확산상태를 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 확산저항값이다. 상기 열화기준값은 가스확산상태가 저하됨에 따라 증가하도록 설정된다.
상기 확산저항의 값은 일반적으로 상기 연료전지에 포함된 확산층의 열화에 의해 증가된다. 따라서, 이러한 형태의 성능열화판정장치는 연료전지의 확산층의 열화 발생을 식별하도록 확산저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
상기 확산저항의 값은 가스확산상태가 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 연료전지의 성능 열화의 정확한 판정을 위해서는 보다 큰 열화기준값이 필요하게 된다.
본 발명의 상기 실시형태에 따른 성능열화판정장치의 또 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 확산저항의 측정에 적합한 주파수이다. 상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지로 공급되는 공기의 유량, 상기 공기의 가습량 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출한다. 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 확산저항값이다.
이러한 형태는 가스확산상태를 정확하게 특정하므로, 연료전지의 확산층에서의 열화 발생을 식별하도록 확산저항을 토대로 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
본 발명의 성능열화판정장치에 있어서, 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 내부저항값일 수도 있다.
상기 내부저항의 사용은 연료전지의 성능 열화의 전반적인 판정을 가능하게 한다.
본 발명의 기술은 상술된 여하한의 형태들을 갖는 성능열화판정장치로 국한되지 않고, 성능열화판정장치에 채택된 판정유닛 뿐만 아니라 대응하는 여하한의 구성을 갖는 성능열화판정방법일 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지성능열화판정장치를 도시한 블럭도;
도 2는 도 1의 센서군(300)과 판정유닛(400)의 구조를 도시한 블럭도;
도 3은 연료전지의 내부저항에 대한 AC 임피던스의 상관관계를 도시한 도면;
도 4는 연료전지의 전해질막의 수분함유량과 온도에 대한 전해질막의 저항의 변동을 도시한 도면;
도 5는 옴저항을 토대로 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도;
도 6은 AC 임피던스의 측정값과 산출된 옴저항의 값을 도시한 도면;
도 7은 연료전지의 FC 온도 및 압력에 대한 반응저항의 변동을 도시한 도면;
도 8은 반응저항을 토대로 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도;
도 9는 AC 임피던스의 측정값과 산출된 반응저항의 값을 도시한 도면;
도 10은 정상 상태에서의 AC 임피던스의 궤적과 반응저항에 관련된 성능열화의 상태에서의 AC 임피던스의 궤적을 도시한 도면;
도 11은 연료전지의 공기유량과 가습량에 대한 확산저항의 변동을 도시한 도면;
도 12는 확산저항을 토대로 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도;
도 13은 AC 임피던스의 측정값과 산출된 확산저항의 값을 도시한 도면; 및
도 14는 내부저항을 토대로 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명을 실시하는 소정의 방법들을 첨부도면을 참조하여 다음과 같은 순서로 설명하기로 한다.
A. 실시예의 시스템 구성
B. 연료전지의 AC 임피던스 및 내부저항
C. 성능열화판정의 원리
D. 옴저항에 기초한 성능열화판정
E. 반응저항에 기초한 성능열화판정
F. 확산저항에 기초한 성능열화판정
G. 실시예의 효과
H. 기타 실시형태
H-1. 변형예 1
H-2. 변형예 2
H-3. 변형예 3
A. 실시예의 시스템 구성
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지성능열화판정장치를 도시한 블럭도이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 연료전지(100)는 자동차(도시안됨) 상에 상기 연료전지성능열화판정장치와 함께 탑재되어, 인버터(600)를 통해 상기 자동차에 구동력을 제공하는 모터(도시안됨)에 연결되어 있다. 상기 연료전지(100)는 산소와 수소의 전기화학반응을 통해 전력을 발생시키는 다수의 단위전지로 형성된 스택 구조를 가진다. 각각의 단위전지는 막전극접합체(membrane electrode assembly; 도시안됨) 및 상기 막전극접합체를 가로질러 배치된 한 쌍의 세퍼레이터(도시안됨)를 구비한다. 상기 막전극접합체는 프로톤-전도성 전해질막(도시안됨) 및 양자 모두 확산층과 촉매층으로 구성되어 상기 프로톤-전도성 전해질막의 대향하는 표면 상에 형성된 애노드와 캐소드(도시안됨)를 포함한다. 상기 실시예의 구조에 있어서, 상기 전해질막은 고체고분자막이고, 적절한 레벨의 프로톤 전도성을 유지하도록 가습된다.
상기 연료전지성능열화판정장치는 AC임피던스측정장치(200), 센서군(300), 판정유닛(400) 및 경보유닛(500)을 포함한다. 상기 AC임피던스측정장치(200)는 주 파수스윕모듈(frequency sweep module; 210)과 임피던스측정모듈(220)을 포함하고, 상기 연료전지(100)의 애노드측과 캐소드측 양자 모두 뿐만 아니라 상기 판정유닛(400)과 연결된다. 상기 센서군(300)은 상기 연료전지(100)의 내부와 외부에 배치되는 다수의 센서를 포함하고, 후술하는 바와 같이 상기 판정유닛(400)에 각각 연결된다.
상기 실시예의 AC임피던스측정장치(200), 센서군(300) 및 판정유닛(400)은 각각 본 발명의 AC임피던스측정부, 운전상태검출부 및 판정장치 또는 판정부와 등가이다.
도 2는 도 1의 센서군(300) 및 판정유닛(400)의 구조를 도시한 블럭도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 센서군(300)은 연료전지(100)의 발전전류를 측정하는 전류센서(310), FC 온도로서 연료전지(100)의 내부 온도, 보다 구체적으로는 상기 연료전지(100) 내의 냉각수의 온도를 측정하는 FC온도센서(320), 상기 연료전지(100)의 캐소드로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 공기유량계(330), 상기 연료전지(100)로 공급되는 가스(수소 또는 공기)의 압력을 측정하는 가스압력센서(340) 및 상기 연료전지(100)로 공급되는 반응가스(수소 또는 공기)의 가습량을 측정하는 가습량센서(350)를 포함한다.
상기 판정유닛(400)은 각종 처리, 계산, 판정 및 제어를 수행하는 CPU(410), 후술하는 열화판정기준테이블(422)을 저장하는 메모리(420), 상기 AC임피던스측정장치(200)의 측정 출력과 상기 센서군(300)의 측정 출력을 입력하여, 상기 입력된 데이터를 상기 CPU(410)로 전송하는 입력인터페이스(430) 및 상기 CPU(410)에 의해 제공된 경보 지시를 경보유닛(500)으로 전달하여, 상기 CPU(410)에 의해 제공되는 제어 지시를 상기 AC임피던스측정장치(200)로 전달하는 출력인터페이스(440)를 포함한다.
B. 연료전지의 AC 임피던스 및 내부저항
본 실시예의 동작 특성을 기술하기에 앞서, 연료전지(100)의 내부저항에 대한 AC 임피던스의 상관관계를 설명한다.
상기 연료전지(100)의 내부저항은 옴저항, 반응저항 및 확산저항의 합으로 표현된다.
내부저항 = 옴저항 + 반응저항 + 확산저항
상기 옴저항은 연료전지의 전해질막과 세퍼레이터의 전체 직류저항을 나타내고, 옴의 법칙을 따른다.
상기 반응저항은 촉매화학반응에 의해 발생한다. 반응가스로서 공기와 고도로 순수한 수소를 이용하는 본 실시예의 연료전지에서는, 캐소드(공기극)가 O2 + 4e- → 2O2 - 의 반응으로 인한 큰 반응저항(전압 강하)을 가지는 한편, 애노드(수소극)는 무시할 만하게 작은 반응저항을 가진다.
상기 확산저항은 활성재가 촉매에 도달하기 어려움에 의해 발생된다. 반응가스로서 공기와 고도로 순수한 수소를 이용하는 본 실시예의 연료전지에서는, 공급되는 공기가 O2 : N2 = 21 : 79 의 성분비를 가짐에 따라, 산소 O2 가 캐소드(공기 극) 상에서 소비되어 촉매의 표면에 도달하기 어렵게 된다. 이는 큰 확산저항을 유도하게 된다. 캐소드(공기극)에서는, 2H2 + O2 → 2H2O 의 반응에 의해 물 H2O 가 생성된다. 생성된 물은 산소 O2 의 확산과 간섭하여, 확산저항을 증가시킨다. 다른 한편으로, 애노드(수소극)에서는, 공급되는 수소 H2 의 순도가 실질적으로 100%와 같기 때문에, 확산저항이 무시할 만하게 작다.
상기 연료전지의 AC 임피던스는 일반적으로 주파수 스윕에 의해 복소 평면에서 도 3에 도시된 궤적을 그린다.
도 3은 연료전지의 내부저항에 대한 AC 임피던스의 상관관계를 보여준다. 도 3의 그래프에서, 가로축은 AC 임피던스(Z)의 실수부 Re(Z)를 나타내고, 세로축은 AC 임피던스(Z)의 허수부 -Im(Z)를 나타낸다. 주파수 ω를 0 에서 무한대 ∞ 로 스윕함으로써, 연료전지의 AC 임피던스를 발생시켜 도 3에 도시된 바와 같이 작은 반원호와 큰 반원호를 그리게 된다. 상기 AC 임피던스의 값은 0 Hz(ω = 0)의 주파수 ω에서 작은 반원호의 일 단부 A에 위치하고, 수십 Hz보다 높지 않은 범위의 주파수 ω의 변동을 가지고(예컨대, ω = ω1, ω2, ω3), 상기 단부 A에서 작은 반원호와 큰 반원호 사이의 접촉점인 단부 B의 부근으로 이동한다. 상기 AC 임피던스의 값은, 수십 Hz 내지 수백 Hz의 범위에 있는 주파수 ω의 변동을 가지고(예컨대, ω = ω4, ω5, ω6) 상기 단부 B의 부근에서 큰 반원호의 주변점 C의 부근으로 더욱 이동한 다음, 1 kHz보다 낮지 않은 주파수 ω의 변동을 가지고(예컨대, ω = ω7), 상기 주변점 C의 부근에서 큰 반원호의 단부 D의 부근으로 이동한다.
연료전지의 내부저항과 AC 임피던스간에는 다음과 같은 관계가 있다. 복소 평면의 원점에서 큰 반원호의 일 단부(ω = ∞)까지의 AC 임피던스(Z)의 실수부 Re(Z)의 거리는 상기 연료전지의 옴저항(Rohm)의 값에 대응한다. 일 단부(ω = ∞)에서 큰 반원호의 타 단부까지의 실수부 Re(Z)의 거리는 상기 연료전지의 반응저항(Ract)의 값에 대응한다. 일 단부에서 작은 반원호의 타 단부(ω = 0)까지의 실수부 Re(Z)의 거리는 상기 연료전지의 확산저항(Rgas)의 값에 대응한다. 상기 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)의 합은 상기 연료전지의 내부저항(Rin)과 같다.
따라서, 연료전지(100)의 AC 임피던스의 측정은 상기 연료전지(100)의 내부저항(Rin)을 구성하는 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)의 값들을 결정한다.
상기 옴저항, 반응저항 및 확산저항은 각각 500 Hz 보다 낮지 않은 주파수, 5 내지 500 Hz의 범위에 있는 주파수 및 5 Hz 보다 높지 않은 주파수에 대응한다.
C. 성능열화판정의 원리
상기 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)은 연료전지(100)의 성능 열화에 의해 증가될 수도 있다. 보다 구체적으로, 상기 옴저항(Rohm)은 전해질막과 세퍼레이터의 열화에 의해 증가되고, 상기 반응저항(Ract)은 촉매 활성의 열화에 의해 증가되며, 상기 확산저항(Rgas)은 확산층의 열화에 의해 증가된다.
성능열화판정의 절차는 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하여, 상기 옴저 항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)의 값들을 결정한다. 이들 저항(Rohm, Ract 및 Rgas)이 소정의 증가치를 가지는 것으로 판정하여, 상기 연료전지(100)의 성능 열화의 궤적을 식별한다.
하지만, 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)은 연료전지(100)의 동작 상태들에 따라 변경될 수도 있다. (성능 열화가 전혀 없는) 연료전지(100)의 정상 상태에서도, 상기 연료전지(100)는 연료전지(100)의 일부 동작 상태들의 일시적인 성능 저하를 가져, 상기 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 또는 확산저항(Rgas)을 증가시킬 수도 있다.
앞서 기술한 종래 기술의 단점과 같이, 저항의 값의 증가의 단순한 판정으로는 일시적인 성능 저하로부터 성능 열화를 식별할 수 없다.
본 실시예의 절차는 상기 연료전지(100)의 다양한 동작 상태들의 각 세트에 관하여 상기 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)에 대한 열화판정기준을 사전에 미리 설정한다. 상기 절차는 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하고, 상기 연료전지(100)의 동작 상태들을 판정하여 상기 판정된 동작 상태들에 대응하는 열화판정기준의 설정치를 특정하면서, 상기 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)의 값들을 결정한다. 그 후, 상기 절차는 특정된 열화판정기준의 설정치를 상기 결정된 각각의 저항들의 값들과 비교하여, 여하한의 저항이 대응하는 열화판정기준을 초과할 때 성능 열화의 발생을 판정한다.
이하, 옴저항(Rohm)에 기초한 성능열화판정, 반응저항(Ract)에 기초한 성능열화판정 및 확산저항(Rgas)에 기초한 성능열화판정을 순차적으로 설명하기로 한 다.
D. 옴저항에 기초한 성능열화판정
상기 옴저항은 연료전지(100)의 전해질막과 세퍼레이터의 전체 직류 저항이라고 볼 수 있다. 상기 전해질막의 직류 저항은 전해질막의 프로톤 전도성에 좌우되고, 상기 연료전지(100)의 성능에 영향을 미친다. 상기 프로톤 전도성은 전해질막의 보다 높은 온도에서 더욱 높고, 상기 전해질막의 보다 낮은 온도에서 보다 낮다. 상기 프로톤 전도성은 또한 전해질막의 보다 높은 수분함유량에서 또는 전해질막의 습윤 상태에서 보다 높은 한편, 상기 전해질막의 보다 낮은 수분함유량에서 또는 전해질막의 건조 상태에서 보다 낮다.
도 4는 연료전지의 전해질막의 수분함유량 및 온도에 대한 전해질막의 저항의 변동을 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막은 보다 낮은 온도와 보다 낮은 수분함유량(건조 상태)에서 보다 높은 저항을 가지는 한편, 보다 높은 온도와 보다 높은 수분함유량(습윤 상태)에서 보다 낮은 저항을 가진다. 상기 전해질막의 저항은 온도 증가에 따라 감소하는 데, 그 이유는 프로톤 전도성이 화학반응에 기인하는 이온 전도성이기 때문이다. 이는 정공 마이그레이션(hole migration) 또는 전자 마이그레이션(electron migration)과 같은 전기 전도성으로 인한 온도 감소에 따라 탄소 또는 금속의 저항을 감소시키는 현상과 뚜렷하게 다르다.
상기 전해질막의 수분함유량(즉, 전해질의 습윤 상태)은 연료전지(100)로 공 급되는 반응가스(수소 또는 공기)의 가습량의 변동에 따라 변한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 보다 적은 가습량은 보다 낮은 수분함유량(건조 상태)을 유도하고, 보다 많은 가습량은 보다 높은 수분함유량(습윤 상태)을 유도한다. 본 실시예의 성능열화판정에서는, 연료전지(100)의 냉각수 온도 또는 FC 온도가 전해질막의 온도로 사용된다.
따라서, 연료전지(100)에서는, 전해질막의 저항이 동작 상태로서 FC 온도와 공급되는 가스의 가습량으로부터 추정된다.
상기 세퍼레이터는 일반적으로 금속재 또는 탄소재로 제조되어, 공지된 저항을 가진다.
본 실시예의 절차는 (성능 열화가 전혀 없는) 연료전지(100)의 정상 상태에서의 FC 온도 및 가습량의 각각의 조합에 관하여 전해질막의 저항을 추정한다. 상기 가습량과 FC 온도의 다수의 통상적인 조합들이 제공되고, 상기 전해질막의 저항은 상기 다수의 통상적인 조합들 각각에 대응하여 추정된다. 상기 전해질막의 각각의 추정된 저항에 상기 세퍼레이터들의 저항을 더하여 옴저항의 값을 제공한다. 상기 옴저항의 각각의 값들에 소정의 마진을 추가로 더하여, 가습량과 FC 온도의 각각의 조합에 관하여 열화기준값을 판정한다. 키(key)로서 FC 온도 및 가습량을 갖는 다수의 판정된 열화기준값은 메모리(420) 내에 2차원 열화판정기준테이블(422)로 저장된다.
각각의 열화기준값은 보다 적은 가습량(즉, 전해질막의 건조 상태)에서 그리고 보다 낮은 FC 온도(즉, 전해질막의 보다 낮은 온도)에서 보다 높게 설정되고, 보다 많은 가습량(즉, 전해질막의 습윤 상태)에서 그리고 보다 높은 FC 온도(즉, 전해질막의 보다 높은 온도)에서 보다 낮게 설정된다.
도 5는 옴저항에 기초한 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 있어서, 연료전지(100)에 의한 발전 개시 시, 도 5의 처리 루틴은 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 수행된다. 도 5에 도시된 처리 루틴의 개시 시, 판정유닛(400)의 제어 하에 AC 임피던스측정장치(200)는 1 kHz 보다 낮지 않은 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하고(단계 S102), 상기 측정 결과를 판정유닛(400)으로 출력한다. 구체적인 절차에 따르면, 임피던스측정모듈(220)은 연료전지(100)의 캐소드와 애노드 사이에 교류 신호를 인가한다. 주파수스윕모듈(210)이 1 kHz 보다 낮지 않은 범위에서 주파수 ω를 스윕하는 동안, 상기 임피던스측정모듈(220)은 상기 연료전지(100)의 전류와 전압을 측정하여, 각각의 주파수에서 상기 연료전지(100)의 AC 임피던스를 판정하게 된다.
상기 판정유닛(400)은 AC임피던스측정장치(200)로부터 출력된 측정 결과, 즉 판정된 AC 임피던스로부터 옴저항(Rohm)을 계산한다(단계 S104).
도 6은 상기 옴저항의 계산된 값과 AC 임피던스의 측정값을 보여준다. 앞서 설명된 바와 같이, 상기 옴저항(Rohm)의 값은 복소 평면의 원점에서 큰 반원호의 일 단부(ω = ∞)까지의 AC 임피던스(Z)의 실수부 Re(Z)의 거리와 같다. 엄격히 말하면, 무한대 주파수(ω = ∞)에서 AC 임피던스(Z)의 값(∞)이 옴저항(Rohm)의 계산을 위해 사용되어야 한다. 하지만, 본 실시예의 절차는 kHz 정도의 고주파수 범위에서 AC 임피던스를 측정하고, 옴저항(Rohm)의 계산을 위해 AC 임피던스의 측정 값을 이용한다. 이는 주파수의 엄격한 정의가 본질적인 것이 아니라 '1 kHz 보다 낮지 않은 고주파수'가 옴저항(Rohm)의 판정에 충분하기 때문이다.
도 6의 예시된 예시에서는, ω = ω7 의 주파수에서의 AC 임피던스의 측정값 Z(ω7)은 1 kHz 보다 낮지 않은 주파수 범위에서 획득되고, 상기 옴저항(Rohm)은 측정된 AC 임피던스 Z(ω7)의 실수부 Re(Z(ω7))에 의해 판정된다.
이러한 임피던스 측정 시, FC온도센서(320)는 FC 온도를 측정하는 한편(단계 S106), 가습량센서(350)는 공급된 공기의 가습량을 측정한다(단계 S108). 상기 판정유닛(400)은 이들 측정 결과들을 획득한다. 측정된 FC 온도는 전해질막의 온도에 사용되고, 측정된 가습량은 전해질막의 습윤 상태를 간접적으로 나타내는 파라미터로서 사용된다.
상기 판정유닛(400)은 후속해서 메모리(420) 내에 저장된 열화판정기준테이블(422)을 참조하고, 상기 테이블에 저장된 다수의 열화기준값 가운데 상기 획득한 FC 온도와 상기 획득한 가습량의 조합에 대응하는 열화기준값(Rref)을 판독한다(단계 S110). 상기 판정유닛(400)은 그 후에 계산된 옴저항(Rohm)을 상기 열화판정기준테이블(422)로부터 판독된 열화기준값(Rref)과 비교하여, 상기 옴저항(Rohm)이 열화기준값(Rref)을 초과하는 지의 여부를 판정한다(단계 S112). 옴저항(Rohm)이 열화기준값(Rref)을 초과하면, 전해질막의 열화(즉, 낮아진 프로톤 전도성) 또는 세퍼레이터의 증가된 접촉 저항(즉, 세퍼레이터의 열화)이 있을 수도 있다. 상기 판정유닛(400)은 그 후에 경보유닛(500)을 제어하여 운전자에게 경보를 제공하게 된다(단계 S114). 다른 한편으로, 옴저항(Rohm)이 열화기준값(Rref)을 초과하지 않 으면, 성능 열화가 없을 수도 있다. 도 5의 처리 루틴은 그 후에 경보를 제공하지 않고 되돌아간다.
이러한 일련의 처리는 옴저항(Rohm)에 기초한 성능 열화를 판정한다.
E. 반응저항에 기초한 성능열화판정
반응저항은 연료전지(100)의 화학반응의 촉매 활성에 의해 지배된다. 상기 촉매 활성은 보다 높은 온도에서 보다 높고 보다 낮은 온도에서 보다 낮은 한편, 공급된 가스(공기)의 보다 높은 압력에서는 보다 높고 상기 공급된 가스(공기)의 보다 낮은 압력에서는 보다 낮다. 상기 촉매 활성 또한 연료전지(100)의 보다 작은 발전전류에서 보다 높고, 보다 큰 발전전류에서는 보다 낮다.
도 7은 연료전지의 압력과 FC 온도에 대한 반응저항의 변동을 보여준다. 도 7의 그래프에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(100)의 일정한 발전전류(고정된 전류값)의 조건 하에, 상기 반응저항은 보다 낮은 FC 온도와 보다 낮은 압력에서 보다 높고, 보다 높은 FC 온도와 보다 높은 압력에서 보다 낮다. 고정된 FC 온도와 고정된 압력의 조건 하에, 반응저항은 보다 큰 발전전류에서 보다 높고, 보다 작은 발전전류에서 보다 낮다.
상기 연료전지(100)에서는, 반응저항이 이렇게 동작 조건으로서 FC 온도, 공급된 가스의 압력 및 발전전류로부터 추정된다.
본 실시예의 절차는 (성능 열화가 전혀 없는) 연료전지(100)의 정상 상태에서의 FC 온도, 압력 및 발전전류의 각각의 조합에 관하여 반응저항을 추정한다. 상 기 FC 온도, 압력 및 발전전류의 다수의 통상적인 조합이 제공되며, 반응저항은 다수의 통상적인 조합들 각각에 대응하여 추정된다. 반응저항의 각각의 값들에 소정의 마진을 더하여, FC 온도, 압력 및 발전전류의 각각의 조합에 관한 열화기준값들을 판정한다. 키로서 상기 FC 온도, 압력 및 발전전류를 갖는 다수의 판정된 열화기준값들은 메모리(420) 내에 3차원 열화판정기준테이블(422)로서 저장된다.
각각의 열화기준값은 보다 낮은 FC 온도, 보다 낮은 압력 및 보다 큰 발전전류에서 보다 높게 설정되고, 보다 높은 FC 온도, 보다 높은 압력 및 보다 작은 발전전류에서 보다 낮게 설정된다. 다시 말해, 열화기준값이 보다 낮은 촉매 활성에서는 보다 높게 설정되고, 보다 높은 촉매 활성에서는 보다 낮게 설정된다.
도 8은 반응저항에 기초한 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에서는, 도 5의 처리 루틴과 같이, 연료전지(100)에 의한 발전 개시 시, 도 8의 처리 루틴은 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 수행된다. 도 8에 도시된 처리 루틴의 개시 시, 판정유닛(400)의 제어 하에 AC임피던스측정장치(200)는 수십 Hz 내지 수백 Hz의 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하고(단계 S202), 상기 측정 결과를 판정유닛(400)으로 출력한다. 상기 판정유닛(400)은 상기 AC임피던스측정장치(200)로부터 출력된 측정 결과, 즉 판정된 AC 임피던스로부터 반응저항(Ract)을 계산한다(단계 S204).
도 9는 반응저항의 계산된 값과 AC 임피던스의 측정값을 보여준다. 앞서 설명된 바와 같이, 반응저항(Ract)의 값은 큰 반원호의 일 단부(ω = ∞)에서 타 단부까지의 AC 임피던스(Z)의 실수부 Re(Z)의 거리와 같다. 상기 반응저항(Ract)은 다음과 같은 2가지 방법 중 한 가지에 의해 계산될 수도 있다.
1) 제1방법은 수십 Hz 내지 수백 Hz의 주파수 범위에서 특정 주파수로서 AC 임피던스의 허수부의 국부적인 최대값(즉, 큰 반원호의 정점)을 갖는 주파수(예컨대, ω = ω5)를 선택하고, 상기 선택된 주파수에서 AC 임피던스의 측정값 Z(ω5)을 획득한다. 상기 제1방법은 그 후에 상기 측정값 Z(ω5)으로부터 허수부 -Im(Z(ω5))를 추출하여, 반응저항(Ract)을 판정하도록 상기 허수부 -Im(Z(ω5))를 배가시킨다. 이는 AC 임피던스의 허수부의 국부적인 최대값(큰 반원호의 정점)이 도 9에 도시된 바와 같이 반응저항의 1/2(-Im(Z(ω5)) = 1/2Ract)에 대응하기 때문이다.
2) 제2방법은 수십 Hz 내지 수백 Hz의 주파수 범위에서 특정 주파수로서 AC 임피던스의 허수부의 상대적으로 작은 값들을 갖는 2개의 주파수(예컨대, ω = ω4, ω6)를 선택하고, 상기 선택된 주파수에서 AC 임피던스의 측정값 Z(ω4) 및 Z(ω6)을 획득한다. 상기 제2방법은 그 후에 상기 측정값 Z(ω4) 및 Z(ω6)으로부터 각각의 실수부 Re(Z(ω4)) 및 Re(Z(ω6))를 추출하여, 반응저항(Ract)을 판정하도록 그들의 차이 Re(Z(ω4)) - Re(Z(ω6))를 계산한다.
이러한 임피던스 측정 시, FC온도센서(320)는 FC 온도를 측정하는 한편(단계 S206), 가스압력센서(340)는 공급된 가스(공기)의 압력을 측정하고(단계 S208), 전류센서(310)는 발전전류를 측정한다(단계 S210). 상기 판정유닛(400)은 이들 측정 결과들을 획득한다. 측정된 FC 온도, 압력 및 발전전류는 앞서 언급된 바와 같이 촉매 활성을 나타내는 파라미터들로서 사용된다.
상기 판정유닛(400)은 후속해서 메모리(420) 내에 저장된 열화판정기준테이블(422)을 참조하고, 상기 테이블에 저장된 다수의 열화기준값 가운데 상기 획득한 FC 온도, 획득한 압력 및 획득한 발전전류의 조합에 대응하는 열화기준값(Rref)을 판독한다(단계 S212). 상기 판정유닛(400)은 그 후에 계산된 반응저항(Ract)을 상기 열화판정기준테이블(422)로부터 판독된 열화기준값(Rref)과 비교하여, 상기 반응저항(Ract)이 열화기준값(Rref)을 초과하는 지의 여부를 판정한다(단계 S214).
도 10은 정상 상태에서의 AC 임피던스의 궤적과 반응저항에 관련된 성능 열화의 상태에서의 AC 임피던스의 궤적을 보여준다. 도 10의 그래프에, T1은 정상 상태에서의 AC 임피던스의 궤적을 나타내고, T2는 반응저항에 관련된 성능 열화의 상태에서의 AC 임피던스의 궤적을 나타낸다. Ract1, Ract2 및 Rref는 각각 정상 상태에서의 반응저항의 값, 성능 열화의 상태에서의 반응저항의 값 및 열화기준값을 나타낸다.
반응저항(Ract)이 열화기준값(Rref)을 초과하면(Ract2 > Rref), 촉매 활성의 열화가 있을 수도 있다. 상기 판정유닛(400)은 그 후에 경보유닛(500)을 제어하여 운전자에게 경보를 제공하게 된다(단계 S216). 다른 한편으로, 반응저항(Ract)이 열화기준값을 초과하지 않으면(Ract1 < Rref), 성능 열화가 전혀 없을 수도 있다. 도 8의 처리 루틴은 그 후에 경보를 제공하지 않고 되돌아간다.
이러한 일련의 처리는 반응저항(Ract)에 기초한 성능 열화를 판정한다.
F. 확산저항에 기초한 성능열화판정
확산저항은 연료전지(100)로 공급되는 가스 확산의 곤란함 또는 보다 구체적으로는 공기에 포함된 산소 O2 가 촉매에 도달하는 곤란함을 나타낸다. 도 11의 그래프에 도시된 바와 같이, 연료전지(100)의 일정한 발전전류(고정된 전류값)의 조건 하에, 상기 확산저항은 공급된 공기의 보다 높은 유량에서 보다 낮고 상기 공급된 공기의 보다 낮은 유량에서는 보다 높은 한편, 공급된 공기의 보다 적은 가습량에서는 보다 낮고 상기 공급된 공기의 보다 많은 가습량에서는 보다 높다.
도 11은 연료전지의 가습량과 공기유량에 대한 확산저항의 변동들을 보여준다.
상기 연료전지(100)에서는, 확산저항이 이렇게 동작 조건으로서 공기유량, 가습량 및 발전전류로부터 추정된다.
본 실시예의 절차는 (성능 열화가 전혀 없는) 연료전지(100)의 정상 상태에서의 공기유량, 가습량 및 발전전류의 각각의 조합에 관하여 확산저항을 추정한다. 상기 공기유량, 가습량 및 발전전류의 다수의 통상적인 조합들이 제공되고, 상기 확산저항은 상기 다수의 통상적인 조합들 각각에 대응하여 추정된다. 상기 확산저항의 각각의 값들에 소정의 마진을 더하여, 공기유량, 가습량 및 발전전류의 각각의 조합에 관하여 열화기준값을 판정한다. 키로서 상기 공기유량, 가습량 및 발전전류를 갖는 다수의 판정된 열화기준값은 메모리(420) 내에 3차원 열화판정기준테이블(422)로 저장된다.
각각의 열화기준값은 보다 적은 공기유량과 보다 많은 가습량에서 보다 높게 설정되고, 보다 많은 공기유량과 보다 적은 가습량에서 보다 낮게 설정된다. 다시 말해, 상기 열화기준값은 연료전지(100)로 공급되는 가스(구체적으로는, 공기 내에 포함된 산소 O2)의 보다 불량한 확산 상태에서 보다 높게 설정되고, 상기 공급되는 가스의 보다 양호한 확산 상태에서 보다 낮게 설정된다.
도 12는 확산저항에 기초한 성능열화판정의 처리 루틴을 도시한 흐름도이다. 본 실시예에서는, 도 5 및 도 8의 처리 루틴과 같이, 연료전지(100)에 의한 발전 개시 시, 도 12의 처리 루틴이 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 수행된다. 도 12에 도시된 처리 루틴의 개시 시, 판정유닛(400)의 제어 하에 AC임피던스측정장치(200)는 수십 Hz 보다 높지 않은 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하고(단계 S302), 상기 측정 결과를 상기 판정유닛(400)으로 출력한다. 상기 판정유닛(400)은 AC임피던스측정장치(200)로부터 출력된 측정 결과, 즉 판정된 AC 임피던스로부터 확산저항(Rgas)을 계산한다(단계 S304).
도 13은 확산저항의 계산된 값과 AC 임피던스의 측정값을 보여준다. 앞서 설명한 바와 같이, 확산저항(Rgas)의 값은 작은 반원호의 일 단부에서 타 단부(ω = 0)까지의 AC 임피던스(Z)의 실수부 Re(Z)의 거리와 같다. 상기 반응저항(Ract)과 동일한 방식으로, 확산저항(Rgas)은 다음과 같은 2가지 방법 중 한 가지에 의해 계산될 수도 있다.
1) 제1방법은 수십 Hz 보다 높지 않은 주파수 범위에서 특정 주파수로서 AC 임피던스의 허수부의 국부적인 최대값(즉, 작은 반원호의 정점)을 갖는 주파수(예 컨대, ω = ω2)를 선택하고, 상기 선택된 주파수에서 AC 임피던스의 측정값 Z(ω2)을 획득한다. 상기 제1방법은 그 후에 상기 측정값 Z(ω2)으로부터 허수부 -Im(Z(ω2))를 추출하여, 확산저항(Rgas)을 판정하도록 상기 허수부 -Im(Z(ω2))를 배가시킨다. 이는 AC 임피던스의 허수부의 국부적인 최대값(작은 반원호의 정점)이 도 13에 도시된 바와 같이 확산저항의 1/2(-Im(Z(ω2)) = 1/2Rgas)에 대응하기 때문이다.
2) 제2방법은 수십 Hz 보다 높지 않은 주파수 범위에서 특정 주파수로서 AC 임피던스의 허수부의 상대적으로 작은 값들을 갖는 2개의 주파수(예컨대, ω = ω1, ω3)를 선택하고, 상기 선택된 주파수에서 AC 임피던스의 측정값 Z(ω1) 및 Z(ω3)을 획득한다. 상기 제2방법은 그 후에 상기 측정값 Z(ω1) 및 Z(ω3)으로부터 각각의 실수부 Re(Z(ω1)) 및 Re(Z(ω3))를 추출하여, 확산저항(Rgas)을 판정하도록 그들의 차이 Re(Z(ω1)) - Re(Z(ω3))를 계산한다.
이러한 임피던스 측정 시, 공기유량계(330)는 공급된 공기의 유량을 측정하는 한편(단계 S306), 가습량센서(350)는 공급된 공기의 가습량을 측정하고(단계 S308), 전류센서(310)는 발전전류를 측정한다(단계 S310). 상기 판정유닛(400)은 이들 측정 결과들을 획득한다. 측정된 공기유량, 가습량 및 발전전류는 앞서 언급된 바와 같이 가스(즉, 공급된 공기에 포함된 산소)의 확산 상태를 나타내는 파라미터들로서 사용된다.
상기 판정유닛(400)은 후속해서 메모리(420) 내에 저장된 열화판정기준테이블(422)을 참조하고, 상기 테이블에 저장된 다수의 열화기준값 가운데 상기 획득한 공기유량, 획득한 가습량 및 획득한 발전전류의 조합에 대응하는 열화기준값(Rref)을 판독한다(단계 S312). 그런 다음, 상기 판정유닛(400)은 계산된 확산저항(Rgas)을 상기 열화판정기준테이블(422)로부터 판독된 열화기준값(Rref)과 비교하여, 상기 확산저항(Rgas)이 열화기준값(Rref)을 초과하는 지의 여부를 판정한다(단계 S314).
확산저항(Rgas)이 열화기준값(Rref)을 초과하면, 확산층이 불량한 발수성 또는 클로깅(clogging)을 당할 수도 있고 열화가 있을 수도 있다. 상기 판정유닛(400)은 그 후에 경보유닛(500)을 제어하여 운전자에게 경보를 제공하게 된다(단계 S316). 다른 한편으로, 확산저항(Rgas)이 열화기준값을 초과하지 않으면, 성능 열화가 전혀 없을 수도 있다. 도 12의 처리 루틴은 그 후에 경보를 제공하지 않고 되돌아간다.
이러한 일련의 처리는 확산저항(Rgas)에 기초한 성능 열화를 판정한다. 연료전지(100)의 동작 상태들의 변동으로 인한 플러딩(flooding)의 발생은 일시적인 성능 저하로 간주된다.
G. 실시예의 효과
상술된 바와 같이, 본 실시예의 절차는 연료전지의 동작 상태, 예컨대 FC 온도, 가습량, 압력, 발전전류 및 공기유량의 변동에 관계없이, 상기 연료전지에서 발생하는 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있다. 이러한 형태는 연료전지의 동작 상태의 변동에 기인하는 단순한 일시적인 성능 저하로부터 성능 열화를 분명하게 식별하므로, 연료전지의 성능 열화를 용이하게 판정할 수 있게 된다.
H. 기타 실시형태
상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 모든 실시형태에서 고려되어야 한다. 본 발명의 요지의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서, 수많은 수정, 변경 및 변형이 가능하다.
H-1. 변형예 1
본 실시예의 절차는 연료전지(100)의 내부저항(Rin)을 구성하는 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas) 각각을 토대로 성능 열화를 판정한다. 한 가지 가능성 있는 변형예는 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)의 합으로서 내부저항(Rin)을 토대로 성능 열화를 판정할 수도 있다.
열화기준값은 FC 온도, 가습량, 압력, 발전전류 및 공기유량의 각각의 조합에 대하여 사전에 미리 결정된다. 키로서 이들 5가지 파라미터를 갖는 다수의 판정된 열화기준값들은 메모리(420) 내에 5차원 열화판정기준테이블(422)로서 저장된다. 그런 다음, 도 14에 도시된 성능열화판정의 루틴에 따라 성능열화판정이 수행된다.
도 14는 내부저항에 기초한 성능열화판정의 루틴을 도시한 흐름도이다. 이러한 변형예에서는, 연료전지(100)에 의한 발전 개시 시, 도 14의 처리 루틴이 규칙적인 간격 또는 불규칙적인 간격으로 수행된다. 도 14에 도시된 처리 루틴의 개시 시, 판정유닛(400)의 제어 하에 AC임피던스측정장치(200)는 연속해서 수십 Hz 보다 높지 않은 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하고(단계 S402), 수십 Hz 내지 수백 Hz의 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정하며(단계 S404), 1 kHz 보다 낮지 않은 주파수 범위에서 연료전지(100)의 AC 임피던스를 측정한다(단계 S406). 상기 AC임피던스측정장치(200)는 이들 측정 결과들을 상기 판정유닛(400)으로 출력한다.
상기 판정유닛(400)은 AC임피던스측정장치(200)로부터 출력되는 측정 결과, 즉 판정된 AC 임피던스로부터 옴저항(Rohm), 반응저항(Ract) 및 확산저항(Rgas)을 계산하고(단계 S408), 이들 저항들의 합으로서 내부저항(Rin)을 특정한다(단계 S410).
이러한 임피던스 측정 시, FC온도센서(320)는 FC 온도를 측정하는 한편(단계 S412), 가습량센서(350)는 공급된 공기의 가습량을 측정하며(단계 S414), 가스압력센서(340)는 공급된 가스의 압력을 측정하고(단계 S416), 전류센서(310)는 발전전류를 측정하며(단계 S418), 공기유량계(330)는 공급된 공기의 유량을 측정한다(단계 S420). 상기 판정유닛(400)은 이들 측정 결과들을 획득한다.
상기 판정유닛(400)은 후속해서 메모리(420) 내에 저장된 열화판정기준테이블(422)을 참조하고, 상기 테이블에 저장된 다수의 열화기준값 가운데 상기 획득한 FC 온도, 획득한 가습량, 획득한 공급가스의 압력, 획득한 발전전류 및 획득한 공기유량의 조합에 대응하는 열화기준값(Rref)을 판독한다(단계 S422). 상기 판정유닛(400)은 그 후에 계산된 내부저항(Rin)을 상기 열화판정기준테이블(422)로부터 판독된 열화기준값(Rref)과 비교하여, 상기 내부저항(Rin)이 열화기준값(Rref)을 초과하는 지의 여부를 판정한다(단계 S424). 내부저항(Rin)이 열화기준값(Rref)을 초과하면, 연료전지(100)의 일부 성능 열화가 있을 수도 있다. 상기 판정유닛(400)은 그 후에 경보유닛(500)을 제어하여 운전자에게 경보를 제공하게 된다(단계 S426). 다른 한편으로, 내부저항(Rin)이 열화기준값(Rref)을 초과하지 않으면, 성능 열화가 없을 수도 있다. 도 14의 처리 루틴은 그 후에 경보를 제공하지 않고 되돌아간다.
이러한 일련의 처리는 내부저항(Rin)에 기초한 성능 열화를 판정한다.
H-2. 변형예 2
상술된 실시예에 있어서, 옴저항(Rohm)에 기초한 성능열화판정은 연료전지(100)의 동작 상태를 나타내는 2가지 파라미터로서 FC 온도 및 가습량을 이용한다. 반응저항(Ract)에 기초한 성능열화판정은 연료전지(100)의 동작 상태를 나타내는 3가지 파라미터로서 FC 온도, 압력 및 발전전류를 이용한다. 확산저항(Rgas)에 기초한 성능열화판정은 연료전지(100)의 동작 상태를 나타내는 3가지 파라미터로서 공기유량, 가습량 및 발전전류를 이용한다. 상술된 변형예 1에서는, 내부저항(Rin)에 기초한 성능열화판정은 연료전지(100)의 동작 상태를 나타내는 5가지 파라미터로서 FC 온도, 가습량, 압력, 발전전류 및 공기유량을 이용한다. 하지만, 이러한 파라미터들의 명세가 제한적인 것은 아니다. 각각의 성능열화판정은 상술된 다수의 파라미터들 대신에 연료전지(100)의 동작 상태를 나타내는 1이상의 파라미터를 이용할 수도 있고, 또는 상기 파라미터들 대신에 또는 그 이외에 여하한의 추가적인 파라미터를 이용할 수도 있다. 상기 FC 온도는 공급된 가스의 온도로 대체될 수도 있다.
H-3. 변형예 3
상술된 실시예에 있어서, 자동차 상에 탑재된 연료전지는 성능열화판정의 목표이다. 하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술은 기타 다양한 타입의 연료전지, 예컨대 고정식 연료전지 또는 휴대용 연료전지의 성능 열화를 판정하도록 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 연료전지의 성능 열화를 판정하는 성능열화판정장치에 있어서,
    상기 연료전지의 AC 임피던스를 상기 연료전지의 내부저항에 대응하는 주파수 범위 내에서의 적어도 특정 주파수에 대하여 측정하도록 구성된 AC임피던스측정부;
    상기 연료전지의 운전상태를 검출하도록 구성된 운전상태검출부; 및
    상기 연료전지의 운전상태에 관한 사전 결정된 다수의 열화기준값 가운데 상기 검출된 운전상태에 대응하는 열화기준값을 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교하여, 상기 비교 결과를 토대로 상기 연료전지의 성능 열화를 판정하도록 구성된 판정부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지에 포함된 전해질막의 습윤상태를 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 옴저항값인 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열화기준값은 상기 전해질막의 건조상태에서 보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도와 상기 연료전지로 공급되는 가스의 가습량 중 하나 이상을 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 옴저항값인 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 반응저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지의 촉매활성을 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 반응저항값이고,
    상기 열화기준값은 촉매활성이 저하됨에 따라 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 반응저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 압력 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 반응저항값인 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 확산저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 적어도 상기 연료전지의 가스확산상태를 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 확산저항값이고,
    상기 열화기준값은 가스확산상태가 저하됨에 따라 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 확산저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지로 공급되는 공기의 유량, 상기 공기의 가습량 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출하며,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 확산저항값인 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 내부저항값인 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항, 반응저항 및 확산저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 운전상태검출부는, 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 가습량, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 압력, 상기 연료전지의 발전전류 및 상기 연료전지로 공급되는 공기의 유량 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 성능열화판정장치.
  11. 연료전지의 성능 열화를 판정하는 판정유닛에 있어서,
    상기 판정유닛은, 상기 연료전지의 운전상태에 관한 사전 결정된 다수의 열화기준값 가운데 상기 연료전지의 검출된 운전상태에 대응하는 열화기준값을 상기 연료전지의 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교하여, 상기 비교 결과를 토대로 상기 연료전지의 성능 열화를 판정하는 것을 특징으로 하는 판정유닛.
  12. 연료전지의 성능 열화를 판정하는 성능열화판정방법에 있어서,
    (a) 상기 연료전지의 AC 임피던스를 상기 연료전지의 내부저항에 대응하는 주파수 범위 내에서의 적어도 특정 주파수에 대하여 측정하는 공정;
    (b) 상기 연료전지의 운전상태를 검출하는 공정;
    (c) 상기 연료전지의 운전상태에 관한 사전 결정된 다수의 열화기준값 가운데 상기 검출된 운전상태에 대응하는 열화기준값을 상기 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값과 비교하는 공정; 및
    (d) 상기 비교 결과를 토대로, 상기 연료전지의 성능 열화를 판정하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 성능열화판정방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공정 (a)의 AC 임피던스의 측정을 위한 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 공정 (c)의 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 옴저항값이며,
    상기 공정 (b)는 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도와 상기 연료전지로 공급되는 가스의 가습량 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 성능열화판정방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 공정 (a)의 AC 임피던스의 측정을 위한 특정 주파수는 상기 연료전지의 반응저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 공정 (c)의 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 반응저항값이며,
    상기 공정 (b)는 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 압력 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 성능열화판정방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 공정 (a)의 AC 임피던스의 측정을 위한 특정 주파수는 상기 연료전지의 확산저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 공정 (c)의 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 확산저항값이며,
    상기 공정 (b)는 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지로 공급되는 공기의 유량, 상기 공기의 가습량 및 상기 연료전지의 발전전류 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 성능열화판정방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 공정 (a)의 AC 임피던스의 측정을 위한 특정 주파수는 상기 연료전지의 옴저항, 반응저항 및 확산저항의 측정에 적합한 주파수이고,
    상기 공정 (c)의 측정된 AC 임피던스로부터 도출된 값은 상기 연료전지의 내부저항값이며,
    상기 공정 (b)는 상기 연료전지의 운전상태로서, 상기 연료전지의 내부 온도, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 가습량, 상기 연료전지로 공급되는 가스의 압력, 상기 연료전지의 발전전류 및 상기 연료전지로 공급되는 공기의 유량 중 하나 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는 성능열화판정방법.
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