KR101418178B1 - 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치 - Google Patents

연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치에서 실행되는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 교류 전류 발생기에 의해 발생된 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 단계, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계 및 상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 특정 주파수를 추출하는 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하고 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성함으로써 고조파 성분이 제거된 합성 전류를 생성하여 연료전지 스택에 인가시킬 수 있다.

Description

연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치{METHOD FOR GENERATING INJECTED CURRENT OF FUEL CELL STACK AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
한편, 연료전지 차량에서는 셀의 전압을 스택 성능 및 운전상태, 고장 여부 등을 파악하는데 사용하고 있고, 더불어 반응가스의 유량 제어 등 시스템의 다양한 제어에 사용하고 있는바, 대표적으로 분리판을 커넥터 및 도선으로 셀 전압 측정장치에 연결하여 측정하고 있다.
종래의 셀 전압 측정장치(CVM:Cell Voltage Monitoring)는 스택 내의 모든 셀 또는 2개 셀의 전압을 직접 측정하는 것으로, 측정 정보를 모든 셀의 전압을 취합하는 주 제어기(상위 제어기)가 통합 처리하며, 고장 원인보다는 고장 결과로 인해 나타나는 전압 강하를 감시하는 방식이다.
이러한 셀 전압 측정장치는 배터리에 대한 측정에도 사용되고 있다. 종래의 셀 전압 측정장치는 직접적으로 셀 전압을 측정하므로 고장 셀의 위치 측정이 가능한 장점은 있으나, 매우 복잡한 회로 구성을 가지므로 장치의 조립 및 유지에 어려움이 있을 뿐만 아니라 가격이 고가이고, 스택의 고장 원인을 파악하는 것이 불가능한 단점이 있다.
또한 종래 기술로 전기화학적 임피던스 분광법(EIS:Electrochemical Impedance Spectroscopy)이 이용되고 있는데, 이는 주로 전기화학분야에서 전극 반응이나 복합체의 특성을 파악하는데 이용되는 방법이다. 임피던스 분광법은 시스템 응답의 분석을 통해 복합체의 성질 및 구조, 반응에 관한 종합적인 정보를 얻을 수 있으며, 응용 화학분야나 의공학, 생체공학 분야에서도 매우 유용한 툴로 이용되고 있다.
그러나, 전기화학적 임피던스 분광법은 오프라인(Off-line)용으로 오랜 검사시간이 필요하고, 실시간 검출이 불가하며, 가격이 고가일 뿐만 아니라 단위 셀의 검사에만 사용이 가능하다.
한편, 다중 주파수를 합성한 교류 전류를 연료전지 스택에 인가하여 연료전지 스택의 고장을 진단하는 방법이 있다. 하지만, 이 방법은 PWM(Pulse Width Modulation) 에 따라 다중 주파수를 합성한 교류 전류를 생성한다. 하지만, PWM에 의한 교류 전류에는 고조파 성분이 많이 발생한다는 문제점이 존재한다.
본 발명의 일 실시예는 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하고 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성함으로써 고조파 성분이 제거된 합성 전류를 생성하여 연료전지 스택에 인가시킬 수 있는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예들 중에서, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치에서 실행되는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 교류 전류 발생기에 의해 발생된 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 단계, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계 및 상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 필터들은 특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 필터들은 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 제1 주파수를 추출하는 제1 주파수 필터 및 임피던스를 산출하는데 사용되는 제2 주파수를 추출하는 제2 주파수 필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 단계는 상기 교류 전류를 제1 주파수 필터에 통과시켜 상기 제1 주파수 전류를 추출하는 단계 및 상기 교류 전류를 제2 주파수 필터에 통과시켜 제2 주파수 전류를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 및 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용되는 주파수를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들 중에서, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치는 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 발생시키는 교류 전류 발생기, 상기 서로 다른 주파수의 교류 전류에서 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 복수의 필터들 및 상기 제1 주파수 전류 및 상기 제2 주파수 전류를 합성하여 합성 주파수 전류를 생성하여 상기 연료전지 스택에 인가시키는 전류 합성부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 복수의 필터들은 특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 필터들은 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 제1 주파수를 추출하는 제1 주파수 필터 및 임피던스를 산출하는데 사용되는 제2 주파수를 추출하는 제2 주파수 필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 주파수 필터는 상기 교류 전류에서 특정 주파수만을 통과시켜 상기 제1 주파수 전류를 추출하고, 상기 제2 주파수 필터는 상기 교류 전류에서 특정 주파수만을 통과시켜 제2 주파수 전류를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 및 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용되는 주파수를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 연료전지 스택 고장 진단부를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 특정 주파수를 추출하는 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하고 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성함으로써 고조파 성분이 제거된 합성 전류를 생성하여 연료전지 스택에 인가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 과정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 동작 장치의 연결 상태도이다.
도 2는 도 1에 있는 복수의 필터들에 입력되는 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 도 1에 있는 복수의 필터에서 출력되는 전류의 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 동작 과정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 동작 장치의 연결 상태도이고, 도 2는 도 1에 있는 복수의 필터들에 입력되는 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에 있는 도 1에 있는 복수의 필터에서 출력되는 전류의 각각 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 연료전지 스택의 동작 장치(100)는 연료전지 스택(110), 전류 발생부(120), 제1 주파수 필터(130) 및 제2 주파수 필터(140)을 포함한다.
연료전지 스택(110)은 다수의 단위 셀 들이 연속적으로 배열되어 구성되며, 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 인가 받으면 운행이 시작된다.
일 실시예에서, 연료전지 스택(110)은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)을 산출하는데 사용되는 주파수 또는 임피던스를 산출하는데 사용되는 주파수가 합성된 형태의 합성 전류를 인가 받으면 운행이 시작될 수 있다.
전류 발생부(120)는 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성하여 도 2의 그래프(200)와 같은 합성 전류를 발생시킨다.
제1 주파수 필터(130) 및 제2 주파수 필터(140) 각각은 전류 발생부(120)에 의한 합성 전류에서 기 설정된 주파수를 추출하는 필터이다. 제1 주파수 필터(130) 및 제2 주파수 필터(140) 각각은 서로 다른 주파수가 필터되도록 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 주파수 필터(130) 및 제2 주파수 필터(140) 각각은 기 설정된 주파수 각각을 추출하는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 주파수 필터(130)는 전류 발생부(120)에 의한 합성 전류에서 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 도 3의 그패프(310)와 같은 제1 주파수를 추출할 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수 필터(130)는 합성 전류에서 10Hz에 해당하는 전류를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 주파수 필터(140)는 전류 발생부(120)에 의한 합성 전류에서 임피던스를 산출하는데 사용되는 도 3의 그패프(320)와 같은 제2 주파수를 추출할 수 있다. 예를 들어, 제2 주파수 필터(130)는 합성 전류에서 300Hz에 해당하는 전류를 추출할 수 있다.
제1 주파수 필터(130) 및 제2 주파수 필터(140) 각각에서 추출된 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류는 합성되어 연료전지 스택(110)에 인가될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법의 일 실시예를 설명하는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 스택의 동작 장치(100)는 서로 다른 주파수 영역의 전류를 합성한 합성 전류를 특정 주파수를 추출하는 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출한다(단계 S410). 연료전지 스택의 동작 장치(100)는 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시킨다(단계 S420). 연료전지 스택의 동작 장치(100)는 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시킨다(단계 S430).
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 연료전지 스택 고장 진단 장치
110: 연료전지 스택
120: 전류 발생부
130: 제1 주파수 필터
140: 제2 주파수 필터

Claims (12)

  1. 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치에서 실행되는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법에 있어서,
    교류 전류 발생기에 의해 발생된 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 복수의 필터들 각각에 통과시켜 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 단계;
    상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 합성하여 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계; 및
    상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 필터들은 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 제1 주파수를 추출하는 제1 주파수 필터 및 임피던스를 산출하는데 사용되는 제2 주파수를 추출하는 제2 주파수 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 필터들은
    특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 단계는
    상기 교류 전류를 제1 주파수 필터에 통과시켜 상기 제1 주파수 전류를 추출하는 단계; 및
    상기 교류 전류를 제2 주파수 필터에 통과시켜 제2 주파수 전류를 추출하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은
    고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 및 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용되는 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  7. 서로 다른 주파수 영역에 해당하는 교류 전류를 발생시키는 교류 전류 발생기;
    상기 서로 다른 주파수의 교류 전류에서 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류를 추출하는 복수의 필터들; 및
    상기 제1 주파수 전류 및 상기 제2 주파수 전류를 합성하여 합성 주파수 전류를 생성하여 연료전지 스택에 인가시키는 전류 합성부를 포함하고,
    상기 복수의 필터들은 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 제1 주파수를 추출하는 제1 주파수 필터 및 임피던스를 산출하는데 사용되는 제2 주파수를 추출하는 제2 주파수 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 필터들은
    특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 주파수 필터는 상기 교류 전류에서 특정 주파수만을 통과시켜 상기 제1 주파수 전류를 추출하고, 상기 제2 주파수 필터는 상기 교류 전류에서 특정 주파수만을 통과시켜 제2 주파수 전류를 추출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은
    고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 및 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용되는 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 연료전지 스택 고장 진단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치.
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