KR101438958B1 - 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류가 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계 및 상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 또는 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용된다. 따라서, 본 발명은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)를 산출하기 위한 교류 전류 및 임피던스를 산출하기 위한 교류 전류를 각각 발생시키지 않고, 두 가지를 위한 교류 전류가 합성된 합성 주파수 전류를 연료전지 스택에 인가시킴으로써 하드웨어 구성을 줄일 수 있으므로 가격과 크기를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

Description

연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법{METHOD FOR GENERATING INJECTED CURRENT OF FUEL CELL STACK}
본 발명의 실시예들은 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법에 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.
본 발명의 실시예는 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)를 산출하기 위한 교류 전류 및 임피던스를 산출하기 위한 교류 전류가 합성된 합성 주파수 전류를 연료전지 스택에 인가시켜 연료전지 스택을 동작시킬 수 있는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택의 출력 전압을 필터링하여 획득한 데이터를 이용하여 임피던스와 고조파 왜곡률을 동시에 측정하여 연료전지 스택 내부의 상태를 진단함으로써 진단 분해 능력을 2배 이상으로 향상시킬 수 있는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법을 제공하고자 한다.
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, 전류를 인가받아 동작하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류가 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계 및 상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion) 또는 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
일 실시예에서, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법은 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계는 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터 및 특정 주파수부터 상기 특정 주파수 이상의 주파수를 통과시키는 하이 패스 필터 각각에 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계는 상기 스택 전압을 하이 패스 필터에 통과시켜 기본파 주파수부터 고조파 주파수를 추출하는 단계 및 상기 스택 전압을 밴드 패스 필터에 통과시켜 특정 주파수를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는 상기 하이 패스 필터에 의해 추출된 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율에 따라 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는 상기 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율이 특정 비율 이상이면 상기 연료전지 스택에 고장이 발생하였다고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는 상기 밴드 패스 필터에 의해 추출된 특정 주파수에 대한 임피던스를 이용하여 상기 연료전지 스택의 습윤 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는 특정 주파수에 대한 임피던스가 특정 임피던스 이상이면 상기 연료전지 스택 전해질의 막이 에 고장이 발생하였다고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는 특정 주파수에 대한 임피던스가 특정 임피던스 이하이면 상기 연료전지 스택 전해질의 막이 습한 상태라고 판단할 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, 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)를 산출하기 위한 교류 전류 및 임피던스를 산출하기 위한 교류 전류를 각각 발생시키지 않고, 두 가지를 위한 교류 전류가 합성된 합성 주파수 전류를 연료전지 스택에 인가시킴으로써 하드웨어 구성을 줄일 수 있으므로 가격과 크기를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택의 출력 전압을 필터링하여 획득한 데이터를 이용하여 임피던스와 고조파 왜곡률을 동시에 측정하여 연료전지 스택 내부의 상태를 진단함으로써 진단 분해 능력을 2배 이상으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 과정을 수행하기 위한 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치의 연결 상태도이다.
도 2는 교류 전류의 발생에 사용되는 교류 전류를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 교류 전류 발생기에서 발생시킨 교류 전류를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법을 수행하기 위한 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치의 연결 상태도이고, 도 2는 교류 전류의 발생에 사용되는 교류 전류를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에 있는 교류 전류 발생기에서 발생시킨 교류 전류를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)는 연료전지 스택(120) 및 교류 전류 발생기(110)을 포함한다.
교류 전류 발생기(110)는 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)을 산출하기 위한 도 2의 그래프(210)와 같은 제1 교류 전류 및 임피던스를 산출하기 위한 도 2의 그래프(220)와 같은 제2 교류 전류가 합성된 형태의 교류 전류를 발생시킬 수 있다. 일 실시예에서, 교류 전류 발생기(110)는 도 3의 그래프(300)와 같은 교류 전류를 발생시킬 수 있다.
연료전지 스택(120)은 다수의 단위 셀 들이 연속적으로 배열되어 구성되며, 합성 주파수 전류를 인가 받으면 운행이 시작된다.
도 1의 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)는 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 이용하여 연료전지 스택(120)의 고장을 진단하는 연료전지 스택 고장 진단부(미도시됨)를 더 포함할 수 있다. 도 1의 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)가 연료전지 스택 고장 진단부를 더 포함하는 실시예에서 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 필터링하여 진단 데이터를 추출하는 제1 주파수 필터 및 제2 주파수 필터를 더 포함할 수 있으며 이러한 동작을 위해 도 1의 연결 구조가 변경될 수 있다. 이하에서는, 도 1의 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)가 연료전지 스택 고장 진단부를 더 포함하는 경우를 설명하기로 한다.
제1 주파수 필터는 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 수신하여 진단 데이터로서 특정 주파수부터 특정 주파수 이상의 주파수를 추출할 수 있다. 제1 주파수 필터는 진단 데이터를 연료전지 스택 고장 진단부에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 주파수 필터는 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 수신하여 고조파 왜곡률을 산출하는데 사용되는 기본파 주파수부터 고조파 주파수를 통과시켜 진단 데이터를 추출할 수 있는 필터이다. 예를 들어, 제1 주파수 필터는 연료전지 스택(120)의 출력 전압에서 10Hz 이상의 주파수를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 주파수 필터는 하이 패스 필터(HPF: High Pass Filter)를 포함할 수 있다.
제2 주파수 필터는 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 수신하여 진단 데이터로서 특정 주파수를 추출할 수 있다. 제2 주파수 필터는 진단 데이터를 연료전지 스택 고장 진단부에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 주파수 필터는 연료전지 스택(120)의 출력 전압을 수신하여 임피던스를 산출하는데 사용되는 특정 주파수를 통과시켜 진단 데이터를 추출할 수 있는 필터이다. 예를 들어 제2 주파수 필터는 300Hz의 주파수를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 주파수 필터는 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter)를 포함할 수 있다.
연료전지 스택 고장 진단부는 제1 주파수 필터 및 제2 주파수 필터로부터 각각 수신한 진단 데이터를 이용하여 연료전지 스택(120)의 고장을 진단한다.
일 실시예에서, 연료전지 스택 고장 진단부는 제1 주파수 필터로부터 진단 데이터로서 수신한 특정 주파수부터 특정 주파수 이상의 주파수를 이용하여 고조파 왜곡률을 산출하고, 고조파 왜곡률을 이용하여 연료전지 스택(120)의 고장을 진단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택 고장 진단부는 제1 주파수 필터로부터 기본파 주파수부터 고조파 주파수를 수신하고, 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율을 이용하여 연료전지 스택(120)의 고장을 진단할 수 있다. 연료전지 스택 고장 진단부는 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율이 특정 비율 이상이면 연료전지 스택(120)에 고장이 발생하였다고 진단할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 연료전지 스택 고장 진단부는 제2 주파수 필터로부터 진단 데이터로서 수신한 특정 주파수의 임피던스를 이용하여 연료전지 스택(120)의 고장을 진단할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택 고장 진단부는 제2 주파수 필터로부터 수신한 특정 주파수의 임피던스가 특정 임피던스 이상이면 연료전지 스택(120)의 막이 마른 상태라고 판단할 수 있다. 다른 예를 들어, 연료전지 스택 고장 진단부는 제2 주파수 필터로부터 수신한 특정 주파수의 임피던스가 특정 임피던스 이하이면 연료전지 스택(120)의 막이 습한 상태라고 판단할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)는 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류가 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시킨다(단계 S410). 제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류 각각은 고조파 왜곡률 또는 임피던스 중 적어도 하나를 산출하는데 사용될 수 있다. 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치(100)는 합성 주파수 전류를 연료전지 스택에 인가시킨다(단계 S420).
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 스택의 주입 전류 생성 장치
110: 교류 전류 발생부
120: 연료전지 스택

Claims (9)

  1. 연료전지 스택의 주입 전류 생성 장치에서 실행되는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법에 있어서,
    제1 주파수 전류 및 제2 주파수 전류가 합성된 형태의 합성 주파수 전류를 발생시키는 단계; 및
    상기 합성 주파수 전류를 상기 연료전지 스택에 인가시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 주파수 전류는 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하기 위하여 고조파 왜곡률(THD: Total Harmonic Distortion)을 산출하는데 사용되고,
    상기 제2 주파수 전류는 상기 연료전지 스택의 상태를 판단하기 위하여 임피던스를 산출하는데 사용되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계는
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 특정 주파수만 통과시키는 밴드 패스 필터 및 특정 주파수부터 상기 특정 주파수 이상의 주파수를 통과시키는 하이 패스 필터 각각에 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장여부를 판단하는 단계는
    상기 스택 전압을 하이 패스 필터에 통과시켜 기본파 주파수부터 고조파 주파수를 추출하는 단계; 및
    상기 스택 전압을 밴드 패스 필터에 통과시켜 특정 주파수를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는
    상기 하이 패스 필터에 의해 추출된 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율에 따라 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는
    상기 기본파 주파수 대비 고조파 주파수의 비율이 특정 비율 이상이면 상기 연료전지 스택에 고장이 발생하였다고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는
    상기 밴드 패스 필터에 의해 추출된 특정 주파수에 대한 임피던스를 이용하여 상기 연료전지 스택의 습윤 상태를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는
    특정 주파수에 대한 임피던스가 특정 임피던스 이상이면 상기 연료전지 스택 전해질의 막이 마른 상태라고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 연료전지 스택의 고장 여부를 판단하는 단계는
    특정 주파수에 대한 임피던스가 특정 임피던스 이하이면 상기 연료전지 스택 전해질의 막이 습한 상태라고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 주입 전류 생성 방법.
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