KR101316243B1 - 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 운행에 지장을 주지 않고, 차량의 일상적인 운행과정 속에서 차량에 탑재되어 있는 연료전지스택의 전해질막 상태를 신속하고 정확하게 진단할 수 있도록 함으로써, 연료전지차량의 상품성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법을 제공한다.

Description

연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법{Diagnosis Method for Membrane of Fuel Cell Stack}

본 발명은 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법에 관한 것으로서, 차량에 탑재되는 연료전지스택의 전해질막이 손상되었는지를 보다 용이하게 판단할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

종래에 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법은 연료전지스택에 수소와 공기를 공급하여 정상적인 발전상태가 되도록 하면서 OCV(Open Circuit Voltage)가 형성되도록 한 후, 수소나 공기의 공급을 차단하여 연료전지스택의 전압이 특정 전압까지 하락하는 시간을 측정하여, 그 시간에 따라 전해질막의 상태를 진단하였다.

즉, 전해질막이 손상된 경우에는 수소나 공기의 공급 차단에 의해 전압이 하락하는 시간이 정상적인 경우에 비하여 상대적으로 빠르기 때문에, 이러한 특성을 이용하여, 연료전지스택의 전해질막을 진단하도록 한 것이다.

그런데, 상기한 바와 같이 연료전지스택의 전해질막의 고장을 진단하는 방법은, 그 진단을 위해 상기와 같은 별도의 시험 프로세스를 진행해야 하는 문제점이 있다.

즉, 실제 운행하고 있는 차량에 탑재된 연료전지스택의 경우, 상기와 같은 전해질막의 고장여부를 진단하기 위해서는 별도로 당해 차량의 연료전지스택에 대하여 상기한 바와 같은 시험 프로세스를 진행해야 하므로, 차량의 운행이 제한되어야만 진단이 가능하여, 차량의 운행에 지장을 초래하게 된다는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 차량의 운행에 지장을 주지 않고, 차량의 일상적인 운행과정 속에서 차량에 탑재되어 있는 연료전지스택의 전해질막 상태를 신속하고 정확하게 진단할 수 있도록 함으로써, 연료전지차량의 상품성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법은

연료전지스택을 탑재한 차량의 셧다운시로부터 소정의 시간 동안 적어도 2회 이상 연료전지스택의 전압을 측정하는 제1단계와;

상기 측정된 다수의 전압과 그 전압의 측정시간들을 상기 연료전지스택의 특성방정식에 대입하여, OCV와 시정수를 구하는 제2단계와;

상기 제2단계에서 구해진 OCV와 시정수를 정상상태의 연료전지스택에서 구해진 표준OCV 및 표준시정수와 비교하는 제3단계와;

상기 3단계 수행결과, 상기 구해진 OCV와 시정수가 상기 표준OCV 및 표준시정수보다 소정수준이상 작으면, 상기 측정 대상 연료전지스택의 전해질막에 손상이 있는 것으로 판단하는 제4단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 차량의 운행에 지장을 주지 않고, 차량의 일상적인 운행과정 속에서 차량에 탑재되어 있는 연료전지스택의 전해질막 상태를 신속하고 정확하게 진단할 수 있도록 함으로써, 연료전지차량의 상품성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법의 순서도를 예시한 도면,

도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 연료전지스택을 탑재한 차량의 셧다운시로부터 소정의 시간 동안 적어도 2회 이상 연료전지스택의 전압을 측정하는 제1단계(S10)와; 상기 측정된 다수의 전압과 그 전압의 측정시간들을 상기 연료전지스택의 특성방정식에 대입하여, OCV와 시정수를 구하는 제2단계(S20)와; 상기 제2단계(S20)에서 구해진 OCV와 시정수를 정상상태의 연료전지스택에서 구해진 표준OCV 및 표준시정수와 비교하는 제3단계(S30)와; 상기 3단계 수행결과, 상기 구해진 OCV와 시정수가 상기 표준OCV 및 표준시정수보다 소정수준이상 작으면, 상기 측정 대상 연료전지스택의 전해질막에 손상이 있는 것으로 판단하는 제4단계(S40)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은 측정대상 연료전지스택이 작동하다가 작동을 멈추기 시작하는 초기의 일정시간 동안 당해 연료전지스택의 OCV와 시정수를 구하여, 표준이 되는 정상적인 연료전지스택의 표준값들과 비교함으로써, 측정대상 연료전지스택의 전해질막 손상 여부를 진단하도록 한 것이다.

여기서, 상기 차량의 셧다운(Shut Down)이란 차량이 일시적인 정차상태에 접어드는 경우를 제외하고, 차량이 주행 등을 마치고 완전한 정차상태, 예컨대 주차상태 등으로 접어드는 상황을 말하는 바, 차량에 탑재된 연료전지스택의 작동이 멈추어지게 되는 상황을 말한다.

상기와 같이 차량의 셧다운이 일어나면, 연료전지스택으로 공급하던 수소와 공기의 공급이 차단되므로, 연료전지스택은 점차 그 전압이 떨어지게 되며, 본 발명에서는 이러한 전압을 복수회 측정하여 당해 연료전지스택의 특성을 구한 후 정상적인 연료전지스택의 특성과 비교하도록 하는 것이다.

상기 제1단계(S10)의 소정의 시간은, 차량의 셧다운시로부터 수초 이내의 시간으로 설정되는 바, 본 실시예에서는 차량의 셧다운시로부터 수초 이내의 시간, 예컨대 4~5초, 동안 매초마다 연료전지스택의 전압을 측정하도록 한다.

상기와 같이 측정된 연료전지스택의 전압과 그 측정시간을 상기 제2단계(S20)의 특성방정식에 대입하여, 당해 연료전지스택의 OCV와 시정수를 구하는 바, 상기 제2단계(S20)의 특성방정식은, V=전압, K=OCV, A=시정수, t=시간일 때,

V(t)= K*exp(-1/A*t)로 표현된다.

즉, 여기서, 상기 전압과, 시간은 상기 제1단계(S10)에서 측정된 값들이며, 상기 제1단계(S10)에서는 복수개의 시점에 복수개의 전압이 측정되므로, 이들을 상기 특성방정식에 대입하여, 연립하면 상기 K와 A를 구할 수 있는 것으로, 일명 커브피팅의 방법으로 구하는 것이다.

상기한 바와 같이 구해진 OCV와 시정수는 상기 측정대상 연료전지스택의 전해질막이 손상된 경우라면, 표준OCV 및 표준시정수에 비해 그 크기가 상당히 작게 나오게 되므로, 이를 이용하여 연료전지스택의 전해질막 상태를 추정 및 진단하는 것이다.

상기 제4단계(S40)에서 상기 측정대상 연료전지스택의 전해질막 상태가 손상된 것으로 판단하도록 하는 소정수준은, 상기 구해진 OCV와 시정수가 상기 표준OCV 및 표준시정수보다 예컨대 20~30%이상 작으면 전해질막의 손상으로 판단하도록 할 수 있을 것이며, 상기 소정수준은 실험 및 해석에 의하여 적절히 선택될 수 있을 것이다.

참고로, 상기한 바와 같이 측정대상 연료전지스택의 OCV 및 시정수에 의해 전해질막의 상태를 진단할 수 있는 이론적 배경은 다음과 같다.

도 2는 연료전지셀의 수소와 공급이 중단된 후의 시간에 따른 셀전압의 변화를 도시한 그래프로서, 정상셀의 경우에는 부드럽고 완만한 S자형 곡선을 그리면서 셀전압이 하강하는 것을 확인할 수 있으며, 고장셀의 경우에는 급격한 S자형 곡선을 그리고, 고장셀이 포함된 다수개의 셀을 측정한 경우에는 셀전압이 상기 정상셀의 곡선과 고장셀의곡선 사이에서 두 개의 S자가 연결된 형태의 곡선을 그리면서 하강하는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 고장셀이 일부 포함된 다수개의 셀에서 측정되는 전압이 도시된 바와 같은 양상을 보이는 것은, 수소와 공기의 중단 초기에는 고장셀 내부의 반응가스 농도하락 및 상대극으로의 CROSS OVER반응에 의해, 다소 고장셀만의 셀전압 특성과 유사하게 셀전압이 하락하다가 주변셀의 공기 및 수소의 확산 및 대류에 의한 공급으로 주변셀들과 함께 셀전압이 하락하면서 다소 정상셀의 하락추세와 비슷한 양상을 띠게 되는 것으로 볼 수 있다.

상기한 바와 같이 연료전지스택을 구성하는 각 셀의 전해질막에 손상이 발생하게 되는 경우에는, 수소와 공기의 공급 중단 후 그 전압이 감소해가는 추세가 정상적인 경우와 다르게 형성되므로 이와 같은 전압감소 추세의 변화 정도를 가지고 연료전지스택의 전해질막이 손상되었는지의 여부를 진단할 수 있다는 것이다.

도 3은 실제 특정 연료전지스택의 일부 셀에서 전해질막이 손상된 경우, 수소와 공기의 공급이 중단된 이후 시간의 경과에 따른 전압의 변화를 도시한 것으로서, 도 2의 고장셀이 포함된 다수개의 셀을 측정한 결과와 거의 동일한 양상을 보임을 알 수 있다.

도 3에서 전압 변화 곡선은 각 변곡점을 기준으로 4개의 구간으로 나누어져 있는데, 이들 중 수소와 공기의 공급이 중단된 직후의 구간Ｉ의 곡선만을 선택하여, 세로축을 기준으로 대칭이동시킨 후 그 곡선의 시작점을 직교좌표의 원점으로 이동시키면, 도 4에 도시된 것과 유사한 형태의 그래프를 얻을 수 있다.

도 4의 그래프는 시간 지연이 있는 임의 시스템의 특성곡선을 도시한 것으로서, 연료전지스택도 공급 가스 및 전기 화학 반응에 의해 셀전압이 변화하는 시간 지연이 있는 시스템으로 볼 수 있으며, 따라서 상기 도 3의 구간Ｉ의 곡선을 상기와 같이 변환한 것을 연료전지스택의 특성곡선으로 보고 그에 따라 시정수를 구하면, 연료전지스택의 특성을 파악할 수 있다는 것이다. 참고로, 도 4에서 특성방정식은 V= Ke-^Lt/(At+1)이고, 여기서, K=이득, L=지연시간, A=시정수이다.

S10; 제1단계
S20; 제2단계
S30; 제3단계
S40; 제4단계

Claims (4)

1. 연료전지스택을 탑재한 차량의 셧다운시로부터 소정의 시간 동안 적어도 2회 이상 연료전지스택의 전압을 측정하는 제1단계와;
   상기 측정된 다수의 전압과 그 전압의 측정시간들을 상기 연료전지스택의 특성방정식에 대입하여, OCV와 시정수를 구하는 제2단계와;
   상기 제2단계에서 구해진 OCV와 시정수를 정상상태의 연료전지스택에서 구해진 표준OCV 및 표준시정수와 비교하는 제3단계와;
   상기 3단계 수행결과, 상기 구해진 OCV와 시정수가 상기 표준OCV 및 표준시정수보다 소정수준이상 작으면, 상기 측정 대상 연료전지스택의 전해질막에 손상이 있는 것으로 판단하는 제4단계;를 포함하고,
   상기 제2단계의 특성방정식은, V=전압, K=OCV, A=시정수, t=시간일 때,
   V(t)= K*exp(-1/A*t)인 것
   을 특징으로 하는 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계의 소정의 시간은, 차량의 셧다운시로부터 수초 이내의 시간으로 설정되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계에서는 차량의 셧다운시로부터 수초 이내의 시간 동안 매초마다 연료전지스택의 전압을 측정하는 것
   을 특징으로 하는 연료전지스택의 전해질막 고장 진단 방법.
4. 삭제

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