KR101438955B1 - 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치 - Google Patents

라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치 Download PDF

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Abstract

라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 연료전지에서 방사되는 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 안테나부; 상기 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환하는 신호변환부; 상기 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출하는 온도값 산출부; 및 상기 산출된 온도값(Tout)으로부터 상기 연료전지의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치 {APPARATUS FOR DIAGNOSING TROUBLE OF FUEL CELL USING RADIOMETER}
본 발명은 연료전지 관련 기술로서, 보다 상세하게는 연료전지의 고장 여부를 진단할 수 있는 장치에 관한 것이다.
최근 석탄, 석유 등의 화석에너지의 고갈 문제, 이러한 화석에너지의 환경오염 문제 등이 대두되면서 연료전지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
연료전지는 전기화학반응을 통하여 연료가 가지고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 생산하는 전지이다. 이러한 연료전지는 일반 가정, 차량, 휴대용 장치 등 많은 분야에 적용되고 있다.
연료전지의 대표적인 예로, PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 제시할 수 있다. PEMFC 기본적으로 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 GDL(Gas Diffusion Layer), 그리고 반응가스들과 냉각수를 이동시키는 분리판을 포함하다.
연료전지는 이러한 MEA, GDL 및 분리판을 단위 셀로 하여 많은 셀들이 적층된 스택(Stack)구조를 갖는다.
한편, 연료전지가 정상적으로 동작하는지를 진단할 필요가 있다.
일반적으로 연료전지 진단은 THD(Total Harmonic Distortion)를 이용한 방법으로 수행되고 있다.
그러나, THD를 이용한 방법의 경우, 차량의 노이즈 및 DC 성분을 제거하기 위한 복잡한 필터 설계가 필수적이며, 따라서 필터 설계 등으로 많은 부품이 요구되며 또한 PCB 면적이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0128942호 (2006.12.14. 공개)에 개시된 연료전지 전력과 관리 시스템, 및 그를 제어 및/또는 동작하기 위한 기술이 있다.
본 발명은 연료전지 구동시에 연료전지에서 자연방사하는 열을 이용하여 연료전지의 고장여부를 쉽게 진단할 수 있는 연료전지 고장 진단 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 연료전지에서 방사되는 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 안테나부; 상기 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환하는 신호변환부; 상기 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출하는 온도값 산출부; 및 상기 산출된 온도값(Tout)으로부터 상기 연료전지의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 안테나부는 미리 정해진 검출 각도(θ)로 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출할 수 있다. 이 경우, 상기 안테나부는 일부 회전 및 정지하는 것을 반복하고, 정지 상태에서 열잡음 신호(Fin)를 검출할 수 있다.
또한, 상기 신호변환부는 상기 안테나부로부터 고주파 대역의 열잡음 신호(Fin)를 입력받는 입력부와, 상기 입력부로부터 상기 열잡음 신호(Fin)를 DC의 전압값(Vout)으로 변환하는 F-V 변환부를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 연료전지에서 방사되는 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 안테나부; 상기 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환하는 신호변환부; 상기 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출하는 온도값 산출부; 및 상기 산출된 온도값(Tout)을 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 출력부는 상기 온도값(Tout)에 대응하는 색을 화면에 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 라디오메타를 이용하여, 연료전지에서 자연방사하는 열잡음으로부터 연료전지의 온도에 따른 고장여부를 쉽게 진단할 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 안테나부의 검출 각도 조절을 통하여 연료전지를 구성하는 각각의 단위 셀의 고장 여부까지 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2의 출력부의 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 연료전지 고장 진단 장치는 안테나부(110), 신호변환부(120), 온도값 산출부(130) 및 고장여부 판단부(140)를 포함한다.
안테나부(110)는 연료전지(101)에서 방사되는 열잡음 신호(thermal noise)(Fin)를 검출한다.
열잡음 신호란 열에 의하여 전자나 이온이 불규칙한 운동을 함으로써 나타나는 신호를 의미한다.
연료전지의 경우, 수십 ℃에서 구동하는 것부터 수백 ℃ 에서 구동하는 것까지 다양하며, 정해진 온도에서 정상적으로 작동한다. 이 경우, 해당 온도에 대응하는 특정한 주파수 대역의 열잡음 신호가 방사된다. 그러나, 연료전지의 온도가 정상 온도보다 높아지거나 낮아지는 경우, 다른 주파수 대역의 열잡음 신호가 방사되며, 이 경우 연료전지에 고장이 발생했다고 볼 수 있다.
이는 연료전지 내 많은 단위 셀에 대하여도 적용할 수 있다. 즉, 다른 단위 셀들에 비하여 특정 단위 셀에서 온도가 높아지거나 낮아지는 경우에는 그 특정 단위 셀의 경우, 상이한 열잡음 신호를 방사한다.
이러한 열잡음 신호는 안테나부(110), 신호처리부(120) 등을 포함하는 라디오메타(radiometer)를 통하여, 전압값(Vout), 최종적으로는 전압값(Vout)에 해당하는 온도값(Tout)으로 나타난다. 따라서, 온도값(Tout)에 따라서, 연료전지의 고장 여부 혹은 단위 셀의 고장 여부를 쉽게 판단할 수 있다.
이러한 고장 여부 진단에 의하여, 연료전지의 단위 셀의 교체, 냉각수 라인의 수리 등의 후처리가 수행될 수 있다.
한편, 안테나부(110)는 미리 정해진 검출 각도(θ)로 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출할 수 있다. 검출 각도(θ)가 대략 120° 이상과 같이 상대적으로 큰 각도로 정해지는 경우 연료전지 전체의 고장여부를 한번에 진단할 수 있고, 검출 각도(θ)가 대략 30° 이하와 같이 상대적으로 작은 각도로 정해지는 경우 연료전지의 수개 셀, 나아가 단위 셀 별로 진단이 가능하다.
또한, 안테나부(110)는 일부 회전 및 정지를 반복, 예를 들어 시계 방향으로 10° 회전한 후 정지하고 다시 10° 회전한 후 정지하는 것을 반복하고, 정지 상태에서 열잡음 신호(Fin)를 검출할 수 있다. 이러한 안테나부(110)의 동작을 통하여, 연료전지에 포함된 전체 셀에 대한 정말한 고장 진단이 이루어질 수 있다.
다음으로, 신호변환부(120)는 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환한다.
이를 위하여, 신호변환부는 안테나부로부터 고주파 대역의 열잡음 신호(Fin)를 입력받는 입력부와, 입력부로부터 상기 열잡음 신호(Fin)를 DC의 전압값(Vout)으로 변환하는 F-V 변환부를 포함할 수 있다. F-V 변환부는 검출 다이오드(Detector Diode), 적분기(Integrator) 등을 포함할 수 있다.
신호변환부(120)는 예를 들어, 아래 표 1과 같이 열잡음 신호(Fin)의 주파수가 13.55MHz 이상 13.65MHz 미만이면, 5.0V의 전?값으로 변환하고, 주파수 0.01MHz 간격으로 전압값 0.1V 차이나도록 동작할 수 있다.
[표 1]
Figure 112012105832747-pat00001
다음으로, 온도값 산출부(130)는 신호변환부(120)로부터 전압값(Vout)을 입력받아, 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출한다.
예를 들어, 아래 표 2와 같이, 전압값(Vout)이 5.0V이면 온도값(Tout)을 500℃로 하고, 전압값 0.1V 차이에 대하여 온도값이 5℃ 차이나도록 설정할 수 있다.
[표 2]
Figure 112012105832747-pat00002
상기 표 2의 경우, 신호변환부로부터 5.0V가 입력되면, 온도값 산출부는 온도값을 500℃로 산출한다. 그리고, 신호변환부로부터 5.5V가 입력되면, 온도값 산출부는 온도값을 525℃로 산출한다. 그리고, 신호변환부로부터 4.9V가 입력되면, 온도값 산출부는 온도값을 495℃로 산출한다.
다음으로, 고장여부 판단부(140)는 산출된 온도값(Tout)으로부터 연료전지 또는 단위 셀의 고장 여부를 판단한다. 이를 위하여, 고장여부 판단부(140)는 비교기를 포함하여, 산출된 온도값과 미리 설정된 정상 온도값을 비교하여 연료전지 혹은 단위 셀의 고장여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 고장여부 판단부(140)는 정상 온도값이 500℃, 허용 범위가 ±10℃로 설정된 경우, 산출된 온도값이 505℃이면 정상으로 판단하고, 산출된 온도값이 515℃이면 고장으로 판단한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라디오메타를 이용한 연료전지 고장 진단 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 연료전지 고장 진단 장치는 안테나부(210), 신호변환부(220), 온도값 산출부(230) 및 출력부(240)를 포함한다. 이들 구성요소 중에서 안테나부(210), 신호변환부(220) 및 온도값 산출부(230)는 도 1에 도시된 안테나부(110), 신호변환부(120) 및 온도값 산출부(130)와 동일하므로 그 상세한 설명을 생략한다. 이하에서는 출력부(240)에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 예의 경우, 고장여부 판단부(140)가 산출된 온도값(Tout)을 미리 설정된 정상 온도값과 비교하여 고장여부를 판단하였다. 그러나, 반드시 이 동작이 수행되어야 하는 것은 아니고, 산출된 온도값(Tout)을 출력하는 출력부(240)만 포함하여도 된다.
이때, 출력부는 도 3에 도시된 예와 같이, 온도값(Tout)에 대응하는 색을 화면에 출력할 수 있다.
예를 들어, 안테나부(210)가 일부 회전 및 정지를 반복하면서 단위 셀 각각에 대한 열잡음 신호(Fin)를 수신하는 경우, 출력부(240)는 단위 셀 전체에 대한 온도값(Tout)을 색으로 출력할 수 있다.
이 경우, 도 5에 도시된 예와 같이, R1 영역 대비 R2 영역의 색이 다른 경우, R1 영역이 정상 동작하는 단위 셀들을 의미하는 것(정상 동작 영역)이라면, R1 영역의 색과 상이한 색을 나타내는 R2 영역은 비정상적으로 동작하는 단위 셀을 의미(비정상 동작 영역)하는 것이라 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 고장 진단 장치는 라디오메타를 이용하여 연료전지 혹은 단위 셀에서 자연방사하는 열잡음으로부터 연료전지 혹은 단위 셀의 고장여부를 쉽게 진단할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
101, 201 : 연료전지 110, 210 : 안테나부
120, 220 : 신호변환부 130, 230 : 온도값 산출부
140 : 고장여부 판단부 240 : 출력부
열잡음 신호(Fin) 전압값(Vout)
온도값(Tout) 검출 각도(θ)
R1 : 정상 동작 영역
R2 : 비정상 동작 영역

Claims (9)

  1. 연료전지에서 방사되는 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 안테나부;
    상기 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환하는 신호변환부;
    상기 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출하는 온도값 산출부; 및
    상기 산출된 온도값(Tout)으로부터 상기 연료전지의 고장 여부를 판단하는 고장여부 판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나부는
    미리 정해진 검출 각도(θ)로 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나부는
    회전 및 정지를 반복하고, 정지 상태에서 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호변환부는
    상기 안테나부로부터 고주파 대역의 열잡음 신호(Fin)를 입력받는 입력부와,
    상기 입력부로부터 상기 열잡음 신호(Fin)를 DC의 전압값(Vout)으로 변환하는 F-V 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  5. 연료전지에서 방사되는 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 안테나부;
    상기 검출된 열잡음 신호(Fin)를 입력받아 전압값(Vout)으로 변환하는 신호변환부;
    상기 전압값(Vout)에 대응하는 온도값(Tout)을 산출하는 온도값 산출부; 및
    상기 산출된 온도값(Tout)을 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력부는
    상기 온도값(Tout)에 대응하는 색을 화면에 출력하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 안테나부는
    미리 정해진 검출 각도(θ)로 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 안테나부는
    회전 및 정지를 반복하고, 정지 상태에서 상기 열잡음 신호(Fin)를 검출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 신호변환부는
    상기 안테나부로부터 고주파 대역의 열잡음 신호(Fin)를 입력받는 입력부와,
    상기 입력부로부터 상기 열잡음 신호(Fin)를 DC의 전압값(Vout)으로 변환하는 F-V 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 고장 진단 장치.
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