KR101416399B1 - 연료 전지 스택의 고장 진단 장치 - Google Patents

연료 전지 스택의 고장 진단 장치 Download PDF

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Abstract

고장 진단 장치는 연료 전지 스택의 고장 진단을 하기 위하여, 연료 전지 스택에 연결되어 있으며, 인가되는 교류 신호에 따라 스위칭되어 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흐르는 교류 전류 흡입부와 교류 신호를 생성하여 교류 전류 흡입부로 공급하는 교류 신호 발생부를 포함한다. 교류 신호에 따라 연료 전지 스택으로부터의 전류가 교류 전류 흡입부로 흡입됨에 따라 진단 처리부로 입력되는 스택 전류가 교류 성분을 포함한다.

Description

연료 전지 스택의 고장 진단 장치{Apparatus for diagnosing fault of fuel cell stack}
본 발명은 연료 전지 스택(fuel cell stack)의 고장을 진단하는 장치에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치라고 할 수 있다. 기본적으로 산화, 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 차이점이 있다. 최근에는 연료 전지에 대한 실용화가 이루어지고 있으며, 연료 전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료 전지는 복수의 단위 셀 들이 연속적으로 배치된 스택 어셈블리(Stack Assembly)로 구성되며, 이를 연료 전지 스택(fuel cell stack) 이라고 한다. 연료 전지 스택의 단위 셀들에 연료인 수소와 산화제인 산소를 제공하여 전기 에너지를 생산한다. 연료 전지 스택을 구성하는 단위 셀들 중에서 어느 하나의 셀에서 성능저하가 발생되거나 고장이 발생되면 연료 전지 스택의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생한다.
종래에는 연료 전지 스택의 각 단위 셀에서 출력되는 전압을 측정하여 연료 전지 스택의 성능을 진단하는데, 이러한 진단 방법으로는 THDA(total harmonic distortion analysis) 방법이 있다. 이 방법은 스택 전압의 주파수 분석을 통하여 왜곡(distortion)율을 산출하여 셀전압을 진단한다. 이를 위하여, 연료 전지 스택으로 교류 전류를 주입한다. 교류 전류를 주입하면 연료 전지 스택에서 부하로 흐르는 전류도 교류 전류의 성분이 나타난다. 이러한 연료 전지 스택의 전압을 측정하고 측정된 전압의 주파수 분석을 토대로 고장 여부를 진단한다.
그러나 이러한 고장 진단을 위하여 연료 전지 스택으로 교류 전류를 주입하기 위하여, 직류 전압을 승압하는 DC(direct current)to DC 컨버터와 승압된 직류 전압을 교류로 변환하는 DC to AC(alternating current) 인버터가 필수적이다. 이러한 컨버터와 인버터를 필수적으로 구비해야 함으로 연료 전지 스택의 고장 진단을 위한 장치의 구성이 복잡해지고, 부품이 많이 소요되어 제품 가격이 상승하게 된다.
또한 이러한 고장 진단 장치에서는 교류 전류를 직류 전류에 주입할 때 디커플링(decoupling) 시켜주는 커패시터가 요구된다. 교류 전류가 이 커패시터를 통과할 때 신호의 왜곡이 발생하여 정현파의 교류 전류를 인가하기 어려운 단점이 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보다 간단한 구조로 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단할 수 있는 고장 진단 장치를 제공하는 것이다.
위의 과제를 위한 본 발명의 특징에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치는, 상기 연료 전지 스택에 연결되어 있으며, 인가되는 교류 신호에 따라 스위칭되어 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흐르는 교류 전류 흡입부; 상기 교류 신호를 생성하여 상기 교류 전류 흡입부로 공급하는 교류 신호 발생부; 및 상기 연료 전지 스택의 스택 전압 또는 스택 전류를 측정하고, 측정된 스택 전압 또는 스택 전류를 토대로 상기 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단하는 진단 처리부를 포함한다.
상기 교류 신호 발생부는 상기 진단 처리부에서 출력되는 제어 신호에 따라 주파수를 가변시켜 교류 신호를 생성할 수 있다.
한편 상기 교류 전류 흡입부는 콜렉터 단자가 상기 연료 전지 스택의 제1 단자에 연결되어 있으며, 에미터 단자는 상기 연료 전지 스택의 제2 단자에 연결되어 있고, 베이스 단자는 상기 교류 신호 발생부의 출력 단자에 연결되어 있는 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 제1 단자와 상기 연료 전지 스택의 제2 단자 사이에 부하가 연결되어 있으며, 상기 진단 처리부로 입력되는 스택 전류는 상기 교류 전류 흡입부로 흐르는 흡입 전류와 상기 부하를 통하여 흐르는 부하 전류의 합일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치는, 상기 연료 전지 스택의 양단자 사이에 연결되어 있으며, 인가되는 교류 신호에 따라 스위칭되면서 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흡입되어 흐르는 교류 전류 흡입부; 상기 연료 전지 스택의 양단자 사이에 연결되어 있으며, 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흐르는 부하부; 상기 교류 신호를 생성하여 상기 교류 전류 흡입부로 공급하는 교류 신호 발생부; 및 상기 교류 전류 흡입부를 통하여 흐르는 흡입 전류와 상기 부하부를 통하여 흐르는 부하 전류를 포함하는 스택 전류를 측정하고, 상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 측정하고, 측정된 스택 전압 또는 스택 전류를 토대로 상기 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단하는 진단 처리부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 보다 간단한 구조로 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단할 수 있다.
특히, DC(direct current)to DC 컨버터와 승압된 직류 전압을 교류로 변환하는 DC to AC(alternating current) 인버터를 사용하지 않고도, 연료 전지 스택의 전류가 교류 성분을 가지도록 할 수 있다. 그러므로 고장 진단 장치의 구조가 간단해지고 소요되는 부품도 간단해져 고장 진단 장치의 제조 원가를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스택 전류의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 연료 전지 스택의 각 셀의 동작 상태에 따른 전압 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치의 구조를 나타낸 도이다.
첨부한 도 1에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치(1)는, 연료 전지 스택(2)에 연결된 교류 전류 흡입부(11), 교류 전류 흡입부(11)를 동작시키는 교류 신호를 발생시키는 교류 신호 발생부(12), 연료 전지 스택(2)의 전압 및 전류를 측정하여 고장 진단을 수행하는 진단 처리부(13)를 포함한다.
연료 전지 스택(2)의 고장 진단을 위하여, 연료 전지 스택(2)에 연결되어 연료 전지 스택(2)으로부터 출력되는 전류가 흐르며 스택 전류가 교류 성분을 가지도록 하는 교류 전류 흡입부(11)는 트랜지스터(TR1)를 포함한다. 한편 고장 진단 장치(1)에 부하부 즉 부하(R1)가 포함 또는 연결되며, 부하(R1)는 연료 전지 스택으로부터 생성된 전기를 이용하는 모든 부품을 간략하게 나타낸 것이다. 부하는 연료 전지의 동력을 소모하는 것으로 예를 들어, 인버터, 모터, DC-DC 컨버터, 배터리 등이 포함될 수 있다.
트랜지스터(TR1)의 콜렉터 단자는 연료 전지 스택(2)의 제1 단자(예를 들어, + 단자)에 연결되어 있으며, 에미터 단자는 연료 전지 스택(2)의 제2 단자(예를 들어, - 단자)에 연결되어 있으며, 베이스 단자는 교류 신호 발생부(12)의 출력 단자에 연결되어 있다.
부하(R1)의 일측 단자는 연료 전지 스택(2)의 제1 단자에 연결되어 있으며, 부하(R1)의 타측 단자는 연료 전지 스택(2)의 제2 단자에 연결되어 있다.
이에 따라, 연료 전지 스택(2)으로부터 출력되는 스택 전류는 트랜지스터(TR1)를 통하여 흐르게 되며, 또한 부하(R1)를 통하여 흐르게 된다. 트랜지스터(TR1)를 통하여 흐르는 전류는 흡입 전류라고 명명되며, 부하(R1)를 통하여 흐르는 전류는 부하 전류라고 명명된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스택 전류의 특성을 나타낸 그래프이다.
흡입 전류는 도 2의 (a)에서와 같이, 트랜지스터(TR1)의 스위칭 동작에 따라 교류 성분을 가지며, 부하 전류는 도 2의 (b)와 같이 직류 성분을 가진다. 트랜지스터(TR1)의 동작에 따라 연료 전지 스택(2)으로부터 출력되는 스택 전류는 트랜지스터(TR1)를 통하여 흐르게 됨으로써, 교류 성분을 가지게 된다. 따라서 스택 전류는 도 2의 (c)와 같이 부하 전류와 흡입 전류의 합으로 나타낼 수 있다.
교류 신호 발생부(12)는 교류 전류 흡입부(11)의 트랜지스터(TR1)를 구동시키기 위한 교류 신호((또는 구동 전류라고 명명될 수 있음)를 발생시켜 트랜지스터(TR1)의 베이스 단자로 출력한다. 이러한 교류 신호는 매우 작은 전력으로도 스택 전류가 교류 성분으로 나타날 수 있도록 한다. 트랜지스터(TR1)에 흐르는 전류는 트랜지스터의 증폭 영역의 전류로서, 베이스 단자로 인가되는 전류에 대하여 증폭비만큼 증폭된 전류가 흐르게 된다.
이러한 교류 신호 발생부(12)는 진단 처리부(13)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 교류 신호를 발생할 수 있다. 진단 처리부(13)는 제어 신호를 통하여 교류 신호 발생부(12)에서 출력되는 전류의 주파수를 조절할 수 있다. 교류 전류 흡입부(11)의 트랜지스터(TR1)로 공급되는 교류 신호는 Itext = Imax × sinωt로 나타낼 수 있으며, 주파수 ω 가 제어 신호에 따라 달라진다. 교류 신호 발생부(12)는 예를 들어, 구동 전류 제어부(131)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 10Hz의 교류 신호를 생성하여 교류 전류 흡입부(11)로 제공할 수 있다.
이와 같이, 연료 전지 스택(2)의 전류가 교류 전류 흡입부(11)의 트랜지스터(TR1)을 통해 흐르도록 하면 되기 때문에, 연료 전지 스택(2)에 주입할 만큼의 전력이 필요하지 않으며, 단지 트랜지스터의 베이스 단자로 입력되는 교류 신호를 정현파 형태로만 흘려주면 되기 때문에, 고장 진단 장치(1)의 구성이 간단해지고, 품도 적게 소요된다. 또한 교류 전류를 직류전류에 주입하지 않고 직접 교류 전류가 트랜지스터(TR1)로 흐르도록 하기 때문에 디커플링 커패시터가 불필요하다. 그러므로 교류 전류의 왜곡이 없어 정현파에 가까운 교류전류를 흐르게 할 수 있다.
한편 진단 처리부(13)는 연료 전지 스택(2)의 스택 전압 또는/및 스택 전류를 측정하고 이를 토대로 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단한다.
다음에는 이러한 구조를 토대로 본 발명의 실시 예에 따른 연료 전지 스택의 고장 진단 장치의 동작에 대하여 설명한다.
고장 진단 장치(1)는 연료 전지 스택의 고장을 진단하기 위하여, 소정 주파수의 교류 전류를 생성하여 교류 전류 흡입부(11)로 공급한다.
교류 신호 발생부(12)에서 출력되는 소정 주파수 예를 들어, 10Hz의 교류 신호가 교류 전류 흡입부(11)의 트랜지스터(TR1)로 공급됨에 따라 트랜지스터(TR1)가 턴온 또는 턴오프되는 스위칭 동작을 수행하면서, 연료 전지 스택(2)으로부터 출력되는 스택 전류가 교류 전류 흡입부(11)를 따라 흐르게 된다. 또한 스택 전류는 부하(R1)를 따라 흐르게 된다.
이에 따라 진단 처리부(13)로 입력되는 스택 전류는 도 2와 같이 트랜지스터(TR1)을 통하여 흐르는 교류 성분의 흡입 전류와 부하(R1)를 통하여 흐르는 직류 성분의 부하 전류를 포함하는 형태가 된다. 진단 처리부(13)는 스택 전압 및 스택 전류를 측정하고 이를 토대로 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단한다.
예를 들어, 진단 처리부(13)는 스택 전압을 측정하고 이를 토대로 왜곡율을 산출하고 이를 토대로 고장 여부를 진단할 수 있다. 왜곡율을 산출하는 방법으로 THDA((total harmonic distortion analysis)이 사용될 수 있다.
도 3은 연료 전지 스택의 각 셀의 동작 상태에 따른 전압 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
일반적으로 정현파의 전류를 연료 전지 스택으로 공급하는 경우, 연료 전지 스택에서 정상적으로 동작하는 셀의 전압은 첨부한 도 3의 점선과 같이 선형 구간에서 변화되고, 비정상적으로 동작하는 셀의 전압은 도 3의 실선과 같이, 비선형적인 구간에서 변화된다. 이에 따라 정상적인 셀의 전압은 전류 변화에 따른 왜곡이 적은 반면에 비정상적인 셀의 전압은 셀 전류 변화에 따른 전압 진폭이 크고 왜곡이 큼을 알 수 있다. 그러므로 스택 전압의 주파수 분석을 통해 왜곡율을 산출하고 이를 토대로 셀전압 하락 여부를 진단하여 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단할 수 있다. 이러한 고장 진단 방법은 하나의 예로서, 다른 방법들(예를 들어, 스택 전압과 스택 전류를 토대로 임피던스를 측정하여 고장 여부를 진단하는 방법)이 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 연료 전지 스택의 고장 진단을 하는 장치에서,
    상기 연료 전지 스택에 연결되어 있으며, 인가되는 교류 신호에 따라 스위칭되어 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흐르는 교류 전류 흡입부;
    상기 교류 신호를 생성하여 상기 교류 전류 흡입부로 공급하는 교류 신호 발생부; 및
    상기 연료 전지 스택의 스택 전압 또는 스택 전류를 측정하고, 측정된 스택 전압 또는 스택 전류를 토대로 상기 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단하는 진단 처리부;를 포함하되,
    상기 교류 전류 흡입부는
    콜렉터 단자가 상기 연료 전지 스택의 제1 단자에 연결되어 있으며, 에미터 단자는 상기 연료 전지 스택의 제2 단자에 연결되어 있고, 베이스 단자는 상기 교류 신호 발생부의 출력 단자에 연결되어 있는 트랜지스터를 포함하는,
    고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 교류 신호 발생부는 상기 진단 처리부에서 출력되는 제어 신호에 따라 주파수를 가변시켜 교류 신호를 생성하는, 고장 진단 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서
    상기 연료 전지 스택의 제1 단자와 상기 연료 전지 스택의 제2 단자 사이에 부하가 연결되어 있으며,
    상기 진단 처리부로 입력되는 스택 전류는 상기 교류 전류 흡입부로 흐르는 흡입 전류와 상기 부하를 통하여 흐르는 부하 전류의 합인, 고장 진단 장치.
  5. 연료 전지 스택의 고장 진단을 하는 장치에서,
    상기 연료 전지 스택의 양단자 사이에 연결되어 있으며, 인가되는 교류 신호에 따라 스위칭되면서 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흡입되어 흐르는 교류 전류 흡입부;
    상기 연료 전지 스택의 양단자 사이에 연결되어 있으며, 상기 연료 전지 스택으로부터의 전류가 흐르는 부하부;
    상기 교류 신호를 생성하여 상기 교류 전류 흡입부로 공급하는 교류 신호 발생부; 및
    상기 교류 전류 흡입부를 통하여 흐르는 흡입 전류와 상기 부하부를 통하여 흐르는 부하 전류를 포함하는 스택 전류를 측정하고, 상기 연료 전지 스택의 스택 전압을 측정하고, 측정된 스택 전압 또는 스택 전류를 토대로 상기 연료 전지 스택의 고장 여부를 진단하는 진단 처리부;를 포함하되,
    상기 교류 전류 흡입부는
    콜렉터 단자가 상기 연료 전지 스택의 제1 단자에 연결되어 있으며, 에미터 단자는 상기 연료 전지 스택의 제2 단자에 연결되어 있고, 베이스 단자는 상기 교류 신호 발생부의 출력 단자에 연결되어 있는 트랜지스터를 포함하는, 고장 진단 장치.
  6. 삭제
KR1020120143882A 2012-12-11 2012-12-11 연료 전지 스택의 고장 진단 장치 KR101416399B1 (ko)

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