KR101155111B1 - 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법. - Google Patents

연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법. Download PDF

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Abstract

연료전지 건전성 판별을 위한 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법에 관한 기술이 개시된다. 이러한 기술에 따르면, 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 값 또는 시정수 값을 입력받는 단계; 및 상기 입력된 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화하여, 연료전지의 운전시간에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하는 단계를 포함하는 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법이 제공된다.
연료전지, 임피던스

Description

연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법.{METHOD FOR GENERATING STANDARD INFORMATION FOR ESTIMATING STATE OF HEALTH OF FUEL CELL AND METHOD FOR ESTIMATING STATE OF HEALTH OF FUEL CELL USING THE INFORMATION}
본 발명은 연료전지 건전성 판별 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 건전성 판별을 위한 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템의 상용화를 위해서 선결되어야 할 가장 중요한 두 가지 요소는 가격과 신뢰성이다. 가격은 기술개발과 대량 생산을 통하여 멀지 않은 장래에 적정하게 낮추어 질 것으로 예상된다. 그러나 신뢰성의 확보는 많은 기술적 향상을 전제로 하며, 생산 기술 및 품질관리에도 많은 영향을 받게 된다는 점에서, 현재 연료전지의 신뢰성 확보에는 많은 어려움이 있다.
연료전지를 이용한 전원 시스템을 제작하여 사용할 경우, 사용(운전) 중인 연료전지의 상태를 비파괴 방식으로 체크하여 연료전지 수명을 예측하거나 연료전지의 건전성을 미리 파악하는 것은, 연료전지 시스템의 신뢰성을 향상시키고, 불필요한 사후 수리비용의 감소와 번거로움을 제거할 수 있다.
도 1은 연료전지의 건전성 확보를 위한 종래의 배터리(연료전지) 고장 진단방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 배터리 고장 진단방법은 배터리의 고장진단을 위해 다수의 셀로 이루어진 모듈단위의 배터리를 충전시킨다(S101). 그리고 충전되는 배터리의 각 모듈의 전압을 측정하고, 측정된 전압을 이용하여 평균 전압과 최대 전압 또는 최소 전압을 계산한다(S103). 그리고 평균 전압과 최대 전압간의 절대치 또는 평균 전압과 최소 전압간의 절대치를 계산(S105)한다. 계산된 절대 값과 설정 전압을 비교(S107)하여 배터리의 고장 발생 여부를 판단(S109)하고, 고장이 발생할 가능성이 있는 경우 배터리에 조치를 취한다(S111).
이러한 종래의 연료전지 건전성 판별 방법은 일반적으로 시간에 따른 무부하 전압(OCV(Open Circuit Voltage))의 감소율을 측정하여 연료전지의 건전성을 판별한다. 종전의 연료전지 건전성 판별 방법은 대부분 무부하 전압만 관찰하여 고장의 유무 및 수명을 판별하였기 때문에 연료전지의 건전성을 파악하는 데에 여러가지 문제가 따른다. 배터리의 경우 부하의 연결을 제거하면, 자기회복에 의해 전압이 상승하는 효과가 생기고, 내부 전하가 거의 없는 상태에서도 전압이 나타나며, 특히 배터리 내부에 심각한 문제가 있는 경우에도 무부하 전압은 이상 없이 나타나 는 등의 비선형적인 특징을 갖고 있기 때문이다. 연료전지 역시 정격부하에서 무부하로 또는 그 반대의 부하 변동시 일시적 전압의 과다 상승이나 하강 현상이 관찰된다. 따라서 무부하 전압의 측정을 통해 연료전지의 건전성을 판별하는 방법에는 큰 오차와 발생할 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 연료전지에 대한 보다 정확한 건전성 판별 결과를 제공하기 위해 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 값 또는 시정수 값을 입력받는 단계; 및 상기 입력된 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화하여, 연료전지의 운전시간에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하는 단계를 포함하는 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지의 건전성 판별을 위한 건전성 판별 기준 정보를 입력받는 단계; 상기 연료전지에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 임피던스 정보를 입력받는 단계; 및 상기 건전성 판별 기준 정보와 상기 측정 임피던스 정보를 비교하여, 상기 연료전지에 대한 건전성을 판별하는 단계를 포함하며, 상기 건전성 판별 기준 정보는 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 정보의 근사화로부터 생성되는, 연료전지 운전시간에 따른 근사화된 임피던스 정보인 연료전지 건전성 판별 방법을 제공한 다.
본 발명에 따르면, 복수의 연료전지에 대한 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화하여 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성함으로써, 보다 정확한 연료전지의 건전성 판별을 위한 기준 정보를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 연료전지 건전성 판별 기준 정보와 연료전지의 측정 임피던스 정보를 비교함으로써, 연료전지의 건전성을 정확하게 판별할 수 있으며, 연료전지 양산시에 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법을 이용함으로써, 제품의 균일성을 보장할 수 있다.
먼저 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법에 대한 개념을 설명하면 다음과 같다.
연료전지를 사용함에 따라, 연료전지는 서서히 노화가 진행되고 연료전지의 성능은 저하된다. 여기서, 노화가 진행되고, 성능이 저하된다는 의미는 연료전지에 의해 발생되는 전압 또는 전류 값이 감소한다는 의미이다. 연료전지의 운전(사용)시간이 누적될수록 연료전지의 성능을 감소시키는 여러가지 요인들이 있는데, 촉매 지지체의 부식이나 산화에 의한 촉매성능의 저하, 연료전지 내부의 수분조절 실패 에 따른 플러딩(Flooding) 또는 드라잉(Drying) 효과에 의한 저항의 증가 또는 물질전송저항 증가, 전극상에서의 반응면적 감소에 의한 전압강하 및 이들의 혼합된 형태 등으로 인해 연료전지의 성능이 감소된다.
연료전지의 성능 저하에 따라 연료전지 내부 임피던스 값, 즉 연료전지의 애노드(anode) 전극, 캐소드(cathode) 전극 및 전해질막(membrane)의 임피던스 값은 일정 특성을 가지고 가변한다. 예를 들어, 연료전지의 성능 저하에 따라 캐소드의 저항 값은 증가하며, 캐소드의 커패시턴스는 감소한다. 즉, 연료전지의 임피던스 값은 연료전지의 성능 및 노화 상태를 나타낸다.
본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법은 복수의 연료전지 사용에 따른 임피던스 값의 변화를 정량화함으로써, 연료전지의 건전성을 판별하기 위한 기준 정보를 생성한다. 그리고 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 건전성 판별 대상 연료전지의 측정 임피던스 값과 기준 정보를 비교함으로써, 연료전지의 건전성을 판별한다.
종래의 경우 연료전지의 무부하 전압을 측정하고, 측정된 무부하 전압을 이용하여 연료전지의 건전성을 판별하였는데, 무부하 전압은 연료전지 내부의 화학 반응이 전체 전극에서 일어나고 있는 상태에서 측정되는 전압이 아니므로 연료전지의 전극 또는 전해질막 등의 문제가 무부하 전압에 반영되지 않았다. 따라서 무부하 전압을 이용한 연료전지 건전성 판별 방법은 정확하지 못한 문제가 있었다.
본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 사용중인 연료전지의 임피던스 값을 측정하고, 측정된 임피던스 값과 건전성 판별의 기준이 되는 기준 정보를 비교한다. 상기된 바와 같이, 사용중인 연료전지의 임피던스는 연료전지의 사용에 따른 연료전지의 성능 저하, 노화 상태를 반영하기 때문에 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 정확한 건전성 판별 결과를 제공할 수 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 시스템은 임피던스 측정장치(201), 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203), 건전성 판별 장치(205), 기준 연료전지(207) 및 판별대상 연료전지(209)를 포함한다.
임피던스 측정장치(201)는 기준 연료전지(207) 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 값을 측정하고, 측정된 임피던스 값을 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)로 전송한다. 여기서, 기준 연료전지(207)는 복수의 연료전지를 포함하는 연료전지를 나타내며, 임피던스 측정장치(201)는 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 운전중인 기준 연료전지(207)의 임피던스 값을 측정할 수 있다. 전기화학 임피던스 분광법은 주파수가 다른 미소한 교류신호를 대상물질에 부여하여 임피던스를 계측하는 방법이다.
건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 임피던스 측정장치(201)로부터 전송되며, 기준 연료전지(207)의 노화 상태를 나타내는 임피던스 값을 근사화하여, 연료전지의 운전시간에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성한다. 기준 연료전지(207) 각각의 임피던스 값은 모두 다르며, 예측이 불가능하기 때문에 임피던스 값을 근사화하여 예측이 가능하도록 정량화하는 것이다. 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하는데 이용되는 기준 연료전지(207)에 포함된 연료전지의 개수가 많을수록 연료전지 건전성 판별 기준 정보의 신뢰도는 높아질 수 있다.
건전성 판별 장치(205)는 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)로부터 생성된 연료전지 건전성 판별 기준 정보와 임피던스 측정장치(201)로부터 생성되며, 판별대상 연료전지(209)의 노화 상태를 나타내는 임피던스 값을 비교하여 판별대상 연료전지(209)의 건전성을 판별한다. 건전성 판별 장치(205)는 특정 시점에서의 판별대상 연료전지(209)의 임피던스 값과 특정 시점에서의 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 비교하여 판별대상 연료전지(209)의 건전성을 판별할 수 있다.
건전성 판별 장치(205)가 임피던스 측정장치(201)로부터 판별대상 연료전지(209)의 임피던스 값을 수신하여 건전성을 판별하기 전에, 연료전지 건전성 판별 기준 정보는 미리 생성되어 건전성 판별 장치(205)에 저장될 수 있다. 즉, 예를 들어 판별대상 연료전지(209)가 차량에 장착되어 동력원으로 이용되는 경우, 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 저장하는 건전성 판별 장치(205)와 임피던스 측정장치(201)가 함께 차량에 장착됨으로써 판별대상 연료전지(209)의 건전성이 판별될 수 있다.
본 발명에 따르면, 운전중인 기준 연료전지(207)의 임피던스 값을 이용하여, 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성한다. 그리고 본 발명에 따르면, 연료전지 건전성 판별 기준 정보와 측정대상 연료전지의 임피던스 값을 비교하여 측정대상 연료전지의 건전성을 판별한다. 전술된 바와 같이, 운전중인 연료전지의 성능 및 노화 상태를 반영하는 임피던스 값을 이용하여 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하고, 연료전지의 건전성을 판별함으로써 보다 정확하게 연료전지의 건전성을 판별할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별방법을 이용하면, 연료전지 셀이나 스택의 양산시에 불량한 셀이나 스택을 출하 전에 감지할 수 있어서 출하되는 제품의 균일성을 보장할 수 있고 실제 연료전지 사용시에 연료전지의 일정한 성능을 유지할 수 있도록 하는 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별방법을 연료전지를 이용하는 전력 시스템에 내장할 경우, 연료전지의 운전 중에 연료전지의 고장을 진단할 수 있게 되어 연료전지 시스템에 발생하는 문제의 소지를 사전에 차단하여 동작 안정성을 높일 수 있으며, 이로 인한 불필요한 사후 수리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 애노드, 캐소드 및 전해질막을 포함하는 연료전지에 대한 등가 임피던스 모델은 애노드, 캐소드 및 전해질막에 대응되는 임피던스를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 보다 자세히, 애노드 및 캐소드는 저항과 커패시터를 포함하는 등가 임피던스로 구성될 수 있으며, 전해질막은 저항을 포함하는 등가 임피던스로 구성될 수 있다. 임피던스 개념은 실수부(저항)과 허수부(리액턴스)를 포함하므로 전해질막에 대한 등가 임피던스는 허수부가 제로(0)인 임피던스 값을 가진다고 할 수 있다. 또한 저항의 저항 값과 커패시터의 커패시턴스 값의 곱은 시정수(time constant) 를 나타내며, 임피던스 값으로부터 실수부인 저항 값과 허수부인 커패시턴스 값은 산출될 수 있으므로, 임피던스 값은 시정수 값을 포함한다고 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법은 단계 S301로부터 시작된다. 여기서, 복수의 연료전지는 도 2의 기준 연료전지(207)와 대응된다.
단계 S301에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 값 또는 시정수 값을 입력받는다. 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 일실시예로서 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 운전중인 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정장치(201)로부터 임피던스 값 또는 시정수 값을 입력받을 수 있다.
전술된 바와 같이, 연료전지에 대한 등가 임피던스 모델은 애노드, 캐소드 및 전해질막에 대응되는 임피던스를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 임피던스 값은 등가 임피던스 모델의 캐소드, 애노드 및 전해질막 중 하나 이상에 대한 임피던스 값이며, 시정수 값은 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 시정수 값일 수 있다.
그리고 단계 S303에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 입력된 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화하여, 운전시간에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성한다. 연료전지 건전성 판별 기준 정보는 연료전지의 건전성 판별을 위한 기준 정보로서, 운전시간에 따른 근사화된 임피던스 값 또는 시정수 값을 나타낸다. 복수의 연료전지에 대한 임피던스 값은 각각 다르며 예측하기 어려우므로 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 이를 근사화하여, 예측 가능하도록 정량화된 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성한다.
보다 자세히, 단계 S303은 단계 S305 및 단계 S307을 포함할 수 있다.
단계 S305에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 입력된 임피던스 값 또는 시정수 값을 커브피팅(curve fitting)하여, 운전시간에 따른 근사화된 임피던스 값 또는 시정수 값을 나타내는 건전성 판별 기준 수식을 산출한다. 즉, 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 커브피팅을 통해 운전시간에 따른 근사화된 임피던스 값 또는 시정수 값을 나타내는 건전성 판별 기준 수식을 산출한다. 여기서, 건전성 판별 기준 수식은 운전시간에 대한 1차 이상의 다항식 또는 지수함수 또는 로그함수 일 수 있다.
단계 S307에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 건전성 판별 기준 수식을 이용하여 운전시간에 따른 건전성 판별 기준 정보를 생성한다. 전술된 바와 같이, 건전성 판별 기준 수식은 운전시간에 대한 다항식이므로 임의의 운전시간에 따른 건전성 판별 기준 정보가 생성될 수 있다.
한편, 단계 S303에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 입력된 임피던스 값 또는 시정수 값 중에서, 복수의 연료전지 각각에 대한 브레이크 인(break in) 구간에 입력되지 않은 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화할 수 있다. 연료전지는 생산되어 초도 사용시점에서부터 일반적으로 단기간 성능이 향상된 이후 성능이 저하되는데, 단기간 성능이 향상되는 구간을 브레이크 인 구간이라 한다. 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 브레이크 인 구간을 제외한 구간의 임피던스 값 또는 시정수 값을 근사화함으로써 보다 신뢰성있는 건전성 판별 기준 정보를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법은 단계 S309 및 단계 S311을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법은 단계 S309 및 단계 S311를 더 포함함으로써 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명을 판별할 수 있는 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 제공할 수 있다.
단계 S309에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 일실시예로서 캐소드에 대한 시정수 값의 역수를 산출한다. 전술된 바와 같이, 캐소드에 대한 시정수 값은 연료전지의 운전시간에 따라 상승하므로 산출된 역수 값은 연료전지의 운전시간에 따라 하강하는 값이 된다.
단계 S311에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 산출된 캐소드에 대한 시정수 값의 역수를 근사화하여, 운전시간에 따른 복수의 연료전지의 근사화된 잔여 수명을 나타내는 연료전지 수명 기준 수식을 산출한다. 즉, 연료전지 수명 기준 수식을 이용하여 복수의 연료전지의 근사화된 수명을 산출할 수 있다. 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 단계 S305와 유사하게 산출된 역수를 근사화한다. 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 산출된 역수를 선형회귀분석하여 1차 다항식 또는 지수함수 또는 로그함수 등의 형태의 연료전지 수명 기준 수식을 산출할 수 있다. 전술된 바와 같이, 산출된 역수 값은 연료전지의 운전에 따라 하강하는 값이 되므로 연료전지의 운전 시점부터, 산출된 역수 값이 0이되는 지점까지를 복수의 연료전지의 근사화된 수명이라고 판단할 수 있다.
복수의 연료전지에 대한 수명은 각각 다르며 예측하기 어려우므로, 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 캐소드에 대한 시정수 값의 역수를 근사화하여, 정량화된 연료전지의 잔여 수명을 나타내는 연료전지 수명 기준 수식을 산출한다.
즉, 본 발명에 따르면, 연료전지의 잔여 수명을 판별할 수 있는 연료전지 건전성 판별 기준 정보가 제공될 수 있다. 한편, 연료전지 수명 기준 수식을 산출하기 위해 단계 S309 및 단계 S311에서 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)는 애노드, 캐소드 또는 전해질막의 임피던스 값을 이용하거나 애노드에 대한 시정수 값을 이용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 단계 S401로부터 시작된다.
단계 S401에서 건전성 판별 장치(205)는 연료전지의 건전성 판별을 위한 건전성 판별 기준 정보를 입력받는다. 여기서, 건전성 판별 기준 정보는 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 임피던스 정보가 근사화된 임피던스 정보로서, 도 2의 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)가 생성하는 건전성 판별 기준 정보와 대응된다.
단계 S403에서 건전성 판별 장치(205)는 연료전지(도 2의 측정대상 연료전지(209)에 대응됨)에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 측정 임피던스 정보를 입력받는다. 이 때, 측정 임피던스 정보는 임피던스 측정장치(201)로부터 수신될 수 있다.
단계 S405에서 건전성 판별 장치(205)는 건전성 판별 기준 정보와 측정 임피던스 정보를 비교하여, 연료전지에 대한 건전성을 판별한다. 상기된 바와 같이, 연료전지의 임피던스 값은 연료전지의 노화 상태를 나타내기 때문에, 건전성 판별 장치(205)는 임피던스 측정장치(201)로부터 수신된 특정 시점의 측정 임피던스 정보와 건전성 판별 기준 정보에 포함된 특정 시점의 임피던스 정보를 비교함으로써 특정 시점에서 연료전지에 대한 건전성을 판별할 수 있다.
여기서, 근사화된 임피던스 정보 또는 측정 임피던스 정보는 등가 임피던스 모델의 캐소드, 애노드 및 전해질막 중 하나 이상에 대한 임피던스 값 또는 상기 캐소드 또는 상기 애노드에 대한 시정수 값일 수 있다. 도 2에서 전술된 바와 같이, 임피던스 값은 시정수 값을 포함한다고 할 수 있기 때문에 임피던스 정보 개념에는 임피던스 값 및 시정수 값이 포함될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 단계 S407 및 단계 S409를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 방법은 단계 S407 및 단계 S409를 더 포함함으로써 연료전지 수명 기준 정보를 이용하여 연료전지의 잔여 수명을 판별할 수 있다.
단계 S407에서 건전성 판별 장치(205)는 연료전지의 운전시간에 따른 근사화된 수명을 나타내는 연료전지 수명 기준 정보를 입력받는다. 여기서, 연료전지 수명 기준 정보는 일실시예로서, 캐소드에 대한 시정수 값의 역수의 근사화로부터 생성되는 정보이며, 도 2의 건전성 판별 기준 정보 생성 장치(203)로부터 연료전지 수명 기준 정보를 입력받을 수 있다. 즉, 연료전지 수명 기준 정보는 도 3의 연료전지 수명 기준 수식일 수 있다.
단계 S409에서 건전성 판별 장치(205)는 연료전지 수명 기준 정보 및 건전성 판별 기준 정보를 이용하여, 연료전지에 대한 잔여 수명을 판단한다. 단계 S409에 대한 설명은 도 5 및 도 6에서 자세히 설명하기로 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 먼저 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법을 설명하고, 연료전지 건전성 판별 방법을 설명하기로 한다.
도 5에서는 정격전류(2.34A)로 운전하는 고온형 무가습 연료전지에 대한 경우가 일실시예로서 설명된다. 또한 도 5에서는 고온형 무가습 연료전지에 대한 등가 임피던스 모델(501)의 측정 시간에 따른 임피던스 값은 0.01Hz부터 10kHz까지의 주파수 영역에서 임피던스 측정장치(201)로부터 측정된 임피던스 값이 일실시예로서 설명된다. 또한 도 5에서는 캐소드에 대한 시정수 값이 이용된 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 방법이 일실시예로서 설명된다.
"표준 연료전지의 성능 구간"에서 실선은 임의 전류에 대해 측정된 시정수 값을 나타내며, 점선은 측정된 시정수 값을 커브피팅한 결과를 나타낸다. 연료전지의 노화가 진행될수록 캐소드에 대한 시정수 값이 증가함을 알 수 있다. 여기서, 임의 전류에 대해 측정된 시정수 값은 실험 상 하나의 연료전지에 대해 측정된 시정수 값을 나타낸다.
커브피팅한 결과는 도 5 및 [표 1]에 도시된 바와 같이 다항식으로 표현될 수 있다. 커브피팅 결과의 정확도(correlation)를 높이기 위해, 정격전류(2.34A)로 운전하는 연료전지에서 시정수 값(실선)의 측정시에는 연료전지에 흐르는 전류를 [표 1]과 같이 가변하여 시정수 값을 측정하였으며, 연료전지에 흐르는 전류가 3A인 경우 커브피팅 결과의 정확도가 가장 높은 것을 알 수 있다.
운전시간에 따른 Cathode의 Time Constant의 Fitting 결과 수식 및 정확도
Current
[A]		 at4+bt3+ct2+dt+e 정확도
[%]
a b c d e
0.5 -5.5E-14 2.8E-10 -4.8E-07 3.3E-04 1.2E-01 98.3
1.0 -3.5E-14 1.8E-10 -3.0E-07 2.2E-04 6.5E-02 99.3
1.5 -2.5E-14 1.3E-10 -2.1E-07 1.6E-04 5.5E-02 99.3
2.0 -2.0E-14 1.0E-10 -1.7E-07 1.3E-04 5.3E-02 99.6
3.0 -2.2E-14 1.0E-10 -1.7E-07 1.3E-04 5.2E-02 99.7
4.0 -1.6E-14 8.4E-11 -1.5E-07 1.3E-04 5.7E-02 99.6
5.0 -1.6E-14 8.4E-11 -1.5E-07 1.3E-04 7.0E-02 98.3
연료전지에 흐르는 전류가 3A인 경우의 근사화된 시정수 값을 나타내는 건전성 판별 기준 수식은 [수학식 1]과 같다. 즉, [수학식 1]은 운전시간(t)에 따른 근사화된 시정수 값을 나타낸다.
Figure 112009055507780-pat00001
"표준 연료전지의 열화 구간"에서, 0에서 약 600시간까지는 상기된 브레이크 인 구간으로서, "표준 연료전지의 열화구간"에서는 브레이크 인 구간을 제외한 시정수 값의 역수(실선) 및 시정수 값의 역수의 선형회귀분석 결과(점선)가 도시된다. 선형회귀분석 결과는 연료전지에 흐르는 전류가 2A인 경우가 일실시예로서 도 6에 자세히 도시되어 있다. 선형회귀분석 결과는 상기된 바와 같이, 연료전지 수명 기준 수식과 대응되며 연료전지 수명 기준 수식은 [수학식 2]와 같다.
Figure 112009055507780-pat00002
[수학식 2]의 좌변을 0으로 하여 연료전지의 운선시간(t), 즉 수명 시간을 구하면 연료전지의 모든 기능이 소실되어 완전 파괴에 이르는 시간이 약 6167시간으로 계산됨을 알 수 있다. 그리고 상기의 과정에 따라 다수의 연료전지에 대해 수명시간을 측정하면, 측정된 다수의 연료전지 수명시간은 [수학식 3]과 같이 와이블 분포(Weibull distribution)에 따른 수명분포를 나타낸다. 분포의 형태에 따라 파라미터 값(η, β)이 달라지며, [수학식 3]의 파라미터 값(η, β)로부터 [수학식 4]를 이용하면, 도 10과 같은 수명분포를 얻을 수 있다.
Figure 112009055507780-pat00003
Figure 112009055507780-pat00004
Figure 112009055507780-pat00005
이하에서는, 생성된 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용하는 연료전지 건전성 판별 방법을 구체적 실시예에 따라 설명하기로 한다.
연료전지 건전성 판별 방법에 따른 건전성 판별 결과 및 잔여 수명은 [수학식 5], [수학식 6], [수학식 7]로 판단할 수 있다.
Figure 112009055507780-pat00006
Figure 112009055507780-pat00007
Figure 112009055507780-pat00008
여기서, τ는 특정 시점에서 측정된 판별대상 연료전지(209)의 시정수 값을 나타내며, τstandard는 건전성 판별 기준 수식에 따른 특정 시점의 시정수 값을 나타낸다. 그리고 Lrem[hr]은 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명시간을 나타내며, Lavg 는 연료전지 수명 기준 수식에 따른 수명시간을 나타낸다. 그리고 K는 판별대상 연료전지(209)의 시정수 값이 측정된 측정 시점을 나타낸다.
case I의 경우, 판별대상 연료전지(209)의 시정수 값과 건전성 판별 기준 수식에 따른 시정수 값이 일치하므로 판별대상 연료전지(209)는 건전하다고 판별될 수 있다. 그리고 상기된 바와 같이, 연료전지 수명 기준 수식에 따른 기준 연료전지(207)의 수명은 약 6167시간이므로 판별대상 연료전지(209)의 임피던스 측정 시점이 0시를 기준으로 1000시일 경우, 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명 시간은 약 5167시간이 된다.
case II의 경우 판별대상 연료전지(209)의 시정수 값이 건전성 판별 기준 수식에 따른 시정수 값보다 작고, 시정수 값이 클수록 연료전지의 노화가 많이 진행된 것이므로 판별대상 연료전지(209)는 매우 건전한 상태로 판별될 수 있다. 그리고 판별대상 연료전지의 임피던스 측정 시점이 1000시일 경우, 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명 시간은 case I의 잔여 수명 시간보다 긴 시간이 된다.
case III의 경우 판별대상 연료전지(209)의 시정수 값이 건전성 판별 기준 수식에 따른 시정수 값보다 크므로 판별대상 연료전지(209)는 건전하지 않은 상태로 판별될 수 있다. 그리고 판별대상 연료전지(209)의 임피던스 측정 시점이 1000시일 경우, 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명 시간은 case I의 잔여 수명 시간보다 짧은 시간이 되며, 판별대상 연료전지(209)의 노화가 기준 연료전지보다 빠르게 진행된다고 판단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 방법을 나타내는 흐름도이다.
임피던스 측정장치(201)는 사용중인 판별대상 연료전지(209)의 교류 임피던스를 측정(S701)하고, 건전성 판별 장치(205)는 등가 임피던스 모델의 측정된 시정수 값을 커브피팅하여 운전시간에 따른 근사화된 시정수 값을 생성(S703)한다. 건전성 판별 장치(205)는 측정된 시정수 값과 근사화된 시정수 값의 비율을 계산(S705, S707)한다. 건전성 판별 장치(205)는 측정된 시정수 값과 근사화된 시정수 값이 동일한 경우, 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명시간을 계산(S709)하고, 판별대상 연료전지(209)가 건전하다고 판단(S711)한다.
건전성 판별 장치(205)는 측정된 시정수 값과 근사화된 시정수 값이 일치하지 않는 경우, 판별대상 연료전지(209)의 잔여 수명시간을 계산(S713)하고, 측정된 시정수 값과 근사화된 시정수 값의 비율에 따라(S715) 판별대상 연료전지(209)의 상태가 매우 건전한 상태이거나 비건전한 상태라고 판단(S717, S719)한다.
도 8 및 도 9는 도 5의 등가 임피던스 모델의 캐소드의 임피던스 값을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 등가 임피던스 모델의 캐소드의 저항 값 및 커패시턴스 값은 연료전지의 운전시간에 따라 증가 또는 감소한다. 따라서 도 6 및 도 7에서 설명된 바와 같이, 캐소드의 저항 및 커패시턴스를 이용하여 연료전지의 건전성을 판별할 수 있다. 또한 등가 임피던스 모델의 애노드 또는 전해질막의 임피던스 정보를 이용하여 연료전지의 건전성을 판별할 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 이용한 연료전지 건전성 판별 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체(CD, DVD와 같은 유형적 매체뿐만 아니라 반송파와 같은 무형적 매체)를 포함한다.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 연료전지의 건전성 확보를 위한 종래의 배터리(연료전지) 고장 진단방법을 나타내는 흐름도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 시스템을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법을 나타내는 흐름도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 방법을 나타내는 흐름도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법 및 연료전지 건전성 판별 방법을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 구체적 실시예에 따른 연료전지 건전성 판별 방법을 나타내는 흐름도,
도 8 및 도 9는 도 5의 등가 임피던스 모델의 캐소드의 임피던스 값을 나타내는 도면,
도 10은 다수의 연료전지에 대한 수명분포를 나타내는 도면이다.

Claims (10)

  1. 복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 시정수 값을 입력받는 단계; 및
    상기 입력된 시정수 값을 커브피팅하여, 상기 연료전지의 운전시간에 따른 근사화된 시정수 값을 나타내는 건전성 판별 기준 수식을 산출하는 단계; 및
    상기 건전성 판별 기준 수식을 이용하여 상기 운전시간에 따른 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시정수 값은
    상기 등가 임피던스 모델의 캐소드 또는 애노드에 대한 시정수 값인
    연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료전지 건전성 판별 기준 정보를 생성하는 단계는
    상기 입력된 시정수 값 중에서, 상기 복수의 연료전지 각각에 대한 브레이크 인(break in) 구간에 입력되지 않은 시정수 값을 근사화하는
    연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 시정수 값을 입력받는 단계는
    전기화학적 임피던스 분광법에 의해 생성되는 시정수 값을 입력받는
    연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 캐소드에 대한 시정수 값의 역수를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 캐소드에 대한 시정수 값의 역수를 근사화하여, 상기 운전시간에 따른 상기 복수의 연료전지의 근사화된 수명을 나타내는 연료전지 수명 기준 수식을 산출하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지 건전성 판별 기준 정보 생성 방법.
  7. 연료전지의 건전성 판별을 위한 건전성 판별 기준 정보를 입력받는 단계;
    상기 연료전지에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시정수 값을 입력받는 단계; 및
    상기 건전성 판별 기준 정보와 상기 측정 시정수 값을 비교하여, 상기 연료전지에 대한 건전성을 판별하는 단계
    를 포함하며,
    상기 건전성 판별 기준 정보는
    복수의 연료전지 각각에 대한 등가 임피던스 모델의 측정 시간에 따른 시정수 값을 커브피팅하여, 상기 연료전지의 운전시간에 따른 근사화된 시정수 값을 나타내는 건전성 판별기준 수식을 산출하고, 상기 건전성 판별 기준 수식을 이용하여 생성된, 상기 연료전지 운전시간에 따른 근사화된 시정수 값인
    연료전지 건전성 판별 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 시정수 값은
    상기 등가 임피던스 모델의 캐소드 또는 애노드에 대한 시정수 값인
    연료전지 건전성 판별 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 건전성을 판별하는 단계는
    상기 캐소드에 대한 시정수 값을 비교하여 상기 연료전지에 대한 건전성을 판별하는
    연료전지 건전성 판별 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 연료전지의 상기 운전시간에 따른 근사화된 수명을 나타내는 연료전지 수명 기준 정보를 입력받는 단계; 및
    상기 연료전지 수명 기준 정보 및 상기 건전성 판별 기준 정보를 이용하여, 상기 연료전지에 대한 잔여 수명을 판단하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 연료전지 수명 기준 정보는
    상기 캐소드에 대한 시정수 값의 역수의 근사화로부터 생성되는
    연료전지 건전성 판별 방법.
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