KR101448767B1 - 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템 - Google Patents

연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 진단은 물론 상기 진단시 발생하는 열을 동시에 효율적으로 관리할 수 있는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예는, 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템으로서, 연료전지 스택의 전압 및 전류를 측정하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단 분석하는 진단 제어 분석기; 상기 진단 제어 분석기의 제어에 따라 진단용 교류신호를 발생하는 교류신호 발생기; 상기 교류신호 발생기에서 출력되는 교류신호에 따라 구동되어 상기 연료전지 스택의 전류에 진단을 위한 교류 성분이 포함되도록 하는 교류성분 구동 소자; 및 상기 교류성분 구동소자에서 발생하는 열을 관리하기 위해 상기 교류성분 구동소자의 온도가 설정 온도 이상이면 흡열체로 구동되고, 설정 온도 미만이면 발열체로 구동되는 열전소자(thermoelement);를 포함할 수 있다.

Description

연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템 {Heat management system during diagnosing fuel cell stack}
본 발명은 연료전지의 스택 진단은 물론 상기 진단시 발생하는 열을 동시에 효율적으로 관리할 수 있는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택(stack) 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이다.
이러한 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
예를 들어, 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.
상기 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 연료전지 스택(stack)이다.
1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 예를 들어 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
상기와 같이 다수의 셀로 구성된 연료전지 스택은, 원하는 성능 및/또는 상태가 유지되고 있는지를 확인하기 위해 진단을 해야 한다.
도 1에 연료전지 스택의 진단을 위한 종래기술의 실시예에 따른 진단 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1을 참조하면, 종래기술의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템은, 연료전지 스택(10)에 진단용 교류전류를 주입하기 위한 교류전류 주입기(20)와, 상기 진단용 교류전류의 주입에 따른 교류전류의 변화를 분석하여 상기 연료전지 스택(10)의 진단을 수행하는 진단 분석기(30)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택을 진단하는 시스탬은, 일반적으로 진단용 교류전류 신호의 고주파 왜곡율 분석(THDA; Total Harmonic Distortion Analysis)을 통해 진단을 수행하기 때문에, 상기 진단 분석기(30)는 고조파 분석기를 포함할 수 있다.
상기 교류전류 주입기(20)에 의해 진단용 교류전류(IAC)가 연료전지 스택(10)에 주입되면, 상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)에 상기 진단용 교류전류(IAC)가 중첩된다. 따라서, 부하(40)로 흐르는 전류(ILOAD)에는 상기 진단용 교류전류(IAC) 성분이 포함된다.
상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)와 상기 교류전류 주입기(20)의 진단용 교류전류(IAC)가 중첩되어 부하(40)로 흐르는 상태에서, 상기 상기 진단 분석기(30)는 연료전지 스택(10)의 전압을 검출하고, 검출된 전압을 주파수 변환한 다음 분석하여 상기 연료전지 스택(10)의 상태 및/또는 고장을 진단한다.
그런데, 상기 종래기술의 실시예의 진단 시스템의 교류전류 주입기(20)는, 진단용 교류전류를 연료전지 스택(10)에 인가할 때, 연료전지 스택(10)의 직류전류와의 충돌을 방지하기 위해 디커플링(decoupling) 커패시터(CT)를 필수적으로 포함한다.
상기 교류전류 주입기(20)의 디커플링 커패시터(CT)는 낮은 주파수의 교류전류를 통과시켜야 하기 때문에 상당히 큰 용량이어야 한다.
따라서, 상기 교류전류 주입기(20)의 디커플링 커패시터(CT)는 수십개의 작은 용량 커패시터(CN)들을 병렬로 연결하여 형성하며, 이 때문에 가격이 비싸지고, 사이즈가 커지는 문제점이 있을 수 있다.
또한, 상기 교류전류 주입기(20)의 진단용 교류전류가 상기와 같은 디커플링 커패시터(CT)를 통과할 때 상기 진단용 교류신호의 왜형(일그러짐)이 발생할 수 있어 정밀한 진단이 이루어지지 않을 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 연료전지 스택의 전류 일부분이 파워 트랜지스터를 통해 정현파 형태로 흐를 수 있도록 상기 파워 트랜지스터의 베이스에 진단을 위한 교류신호를 인가함으로써 간단한 구성으로 교류전류의 왜곡 없이 비용경제적으로 연료전지 스택을 진단할 수 있고; 상기 진단시 상기 파워 트랜지스터에서 발생하는 열을 열전소자를 이용하여 효율적으로 관리(예; 상기 열전소자를 여름철에는 흡열체로, 겨울철에는 발열체로 이용) 함으로써 연료전지 스택의 진단시 열관리를 효율적으로 할 수 있도록 한 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템은, 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템으로서, 연료전지 스택의 전압 및 전류를 측정하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단 분석하는 진단 제어 분석기; 상기 진단 제어 분석기의 제어에 따라 진단용 교류신호를 발생하는 교류신호 발생기; 상기 교류신호 발생기에서 출력되는 교류신호에 따라 구동되어 상기 연료전지 스택의 전류에 진단을 위한 교류 성분이 포함되도록 하는 교류성분 구동 소자; 및 상기 교류성분 구동소자에서 발생하는 열을 관리하기 위해 상기 교류성분 구동소자의 온도가 설정 온도 이상이면 흡열체로 구동되고, 설정 온도 미만이면 발열체로 구동되는 열전소자(thermoelement);를 포함할 수 있다.
상기 교류성분 구동소자는 파워 트랜지스터일 수 있다.
상기 열전소자를 제어하는 열전소자 제어기;를 더 포함할 수 있다.
상기 파워 트랜지스터의 온도를 검출하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 열전소자 제어기는, 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터의 온도에 기초하여 상기 열전소자를 제어할 수 있다.
상기 열전소자 제어기는, 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 열전소자를 흡열체로 동작시키고, 상기 검출된 파워 트랜지스터의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 열전소자를 발열체로 동작시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 전류 일부분이 파워 트랜지스터를 통해 정현파 형태로 흐를 수 있도록 상기 파워 트랜지스터의 베이스에 진단을 위한 교류신호를 인가함으로써 간단한 구성으로 교류전류의 왜곡 없이 비용경제적으로 연료전지 스택을 진단할 수 있고; 상기 진단시 상기 파워 트랜지스터에서 발생하는 열을 열전소자를 이용하여 효율적으로 관리(예; 상기 열전소자를 여름철에는 흡열체로, 겨울철에는 발열체로 이용) 함으로써 연료전지 스택의 진단시 열관리를 효율적으로 할 수 있다.
도 1은 종래기술의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 작용을 설명하기 위한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템은, 연료전지 스택을 진단함과 동시에 진단시 발생하는 열을 효율적으로 관리하는 시스템이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템은, 연료전지 스택(10)의 전압(VSTACK) 및 전류(ISTACK)의 주파수 등을 측정하여 상기 연료전지 스택(10)의 상태를 진단 분석하는 진단 제어 분석기(100); 상기 진단 제어 분석기(100)의 제어에 따라 진단용 교류신호(IBASE)를 발생하는 교류신호 발생기(200); 상기 교류신호 발생기(200)에서 출력되는 교류신호에 따라 구동되어 상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)에 진단을 위한 교류 성분이 포함되도록 하는 교류성분 구동 소자(300); 상기 교류성분 구동소자(300)에서 발생하는 열을 관리하기 위해 상기 교류성분 구동소자(300)의 온도가 설정 온도 이상이면 흡열체로 구동되고, 설정 온도 미만이면 발열체로 구동되는 열전소자(thermoelement)(500); 상기 열전소자를 제어하는 열전소자 제어기(550);를 포함할 수 있다.
상기 진단 제어 분석기(100)는 종래기술의 진단 분석기(30; 도 1)에 상당할 수 있다.
상기 진단 제어 분석기(100)는 부하(40)를 경유한 상기 교류 성분이 포함된 상기 연료전지 스택의 전류 및 전압을 기초로 상기 연료전지 스택을 진단할 수 있다.
상기 교류성분 구동소자(300)는, 본 발명의 실시예에서는 일례로 파워 트랜지스터(TR)로 형성될 수 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 이와 다른 구성이라고 하더라도 상기 파워 트랜지스터(TR)에 상당하는 작용하는 구성이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 열전소자(500)가 포함되어야 하는 이유는, 상기 파워 트랜지스터(TR)의 동작시 상당한 열이 발생할 수 있기 때문이다. 따라서, 겨울철(예; 설정 온도 미만일 때)에는 상기 파워 트랜지스터(TR)의 열을 히팅 열로서 사용할 필요가 있고, 여름철(예; 설정 온도 이상일 때)에는 상기 파워 트랜지스터의 열을 냉각시킬 필요가 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예는 상기 파워 트랜지스터(TR)의 온도를 검출할 수 있는 온도센서(400)를 포함할 수 있다.
상기 열전소자 제어기(550)는, 상기 온도센서(400)에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터(TR)의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 열전소자(500)를 흡열체로 동작시키고, 상기 검출된 파워 트랜지스터(TR)의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 열전소자(500)를 발열체로 동작시킬 수 있다.
상기 진단 제어 분석기(100), 교류 신호 발생기(200), 열전소자 제어기(550)는, 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 상기 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어로 구성될 수 있다.
상기 진단 제어 분석기(100), 교류 신호 발생기(200), 열전소자 제어기(550)는 통합된 한 몸체로 구성될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템의 동작을 도 2 및 도 3을 참조로 상세히 설명한다.
연료전지 스택(10)의 진단이 시작되면, 상기 교류신호 발생기(200)는 상기 진단 제어 분석기(100)의 제어에 따라, 도 3에 도시한 바와 같은, 파워 트랜지스터(TR)에 흡입전류(IINAC)가 흐를 수 있도록 교류신호(IBASE)를 발생하여 상기 파워 트랜지스터(TR)의 베이스에 인가한다.
상기 파워 트랜지스터(TR)의 베이스에 인가되는 교류신호(IBASE)는 증폭영역의 전류로서 베이스 전류에 증폭비 만큼만 흐르도록 제어된다.
상기 교류신호 발생기(200)가 상기 파워 트랜지스터(TR)에 교류신호(IBASE)를 인가하면, 상기 파워 트랜지스터(TR)에는 상기 흡입전류(IINAC)가 흐르기 때문에 상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)에는, 도 3에 도시한 바와 같이, 교류성분이 포함되게 된다.
상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)에 상기 교류성분이 포함되게 되면, 부하(40)에 흐르는 부하전류(ILOAD)에도 교류성분이 포함된다.
상기와 같이 파워 트랜지스터(TR)의 구동에 의해 흡입전류(IINAC)가 발생하여, 상기 연료전지 스택(10)의 전류(ISTACK)에 교류성분(예; 교류전류)이 생기게 되면, 진단 제어 분석기(100)는, 일반적인 진단 방법을 통해, 상기 교류성분이 포함된 연료전지 스택(10)의 전류 및/또는 전압의 주파수 등을 분석하여 상기 연료전지 스택(10)의 고장 및/또는 상태를 진단한다.
상기 교류성분(예; 교류전류)가 포함된 연료전지 스택의 전류 및/또는 전압을 통해 연료전지 스택을 진단하는 방법은 일반적인 방법 또는 종래기술에 의한 방법을 따를 수 있다.
한편, 상기와 같이 연료전지 스택(10)의 진단이 수행될 때, 상기 파워 트랜지터(TR)는 동작에 따른 열을 발생하게 된다.
상기 파워 트랜지스터(TR)의 발생 열에 의한 온도는 상기 온도센서(400)에 의해 검출된다.
상기 온도센서(400)에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터(TR)의 온도는 상기 열전소자 제어기(550)에 입력된다.
상기 열전소자 제어기(550)는 상기 온도센서(400)에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터(TR)의 온도가 설정온도(예; 섭씨 30도) 이상이면, 상기 열전소자(500)를 흡열체로 동작시켜 상기 파워 트랜지스터(TR)에서 발생하는 열을 흡수하여 주변이 냉각되도록 한다.
상기 열전소자 제어기(550)는 상기 진단 제어 분석기(100)에 의해 제어될 수 있다.
한편, 상기 열전소자 제어기(550)는 상기 온도센서(400)에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터(TR)의 온도가 설정온도(예; 섭씨 5도) 미만이면, 상기 열전소자(500)를 발열체로 동작시켜 상기 파워 트랜지스터(TR)에서 발생하는 열과 함께 주변의 온도를 올리도록 한다.
상기 열전소자 제어기(550)는 설정온도 범위(예; 섭씨 5도 ~ 30도)에서는 상기 열전소자(500)를 동작시키지 않을 수 있다
이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 전류 일부분이 파워 트랜지스터를 통해 정현파 형태로 흐를 수 있도록 상기 파워 트랜지스터의 베이스에 진단을 위한 교류신호를 인가함으로써 간단한 구성으로 교류전류의 왜곡 없이 비용경제적으로 연료전지 스택을 진단할 수 있고; 상기 진단시 상기 파워 트랜지스터에서 발생하는 열을 열전소자를 이용하여 효율적으로 관리(예; 상기 열전소자를 여름철에는 흡열체로, 겨울철에는 발열체로 이용) 함으로써 연료전지 스택의 진단시 열관리를 효율적으로 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 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.
10: 연료전지 스택 100: 진단 제어 분석기
200: 교류신호 발생기 300: 교류성분 구동소자
400: 온도센서 500: 열전소자
550: 열전소자 제어기 TR: 파워 트랜지스터

Claims (5)

  1. 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템으로서,
    연료전지 스택의 전압 및 전류를 측정하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단 분석하는 진단 제어 분석기;
    상기 진단 제어 분석기의 제어에 따라 진단용 교류신호를 발생하는 교류신호 발생기;
    상기 교류신호 발생기에서 출력되는 교류신호에 따라 구동되어 상기 연료전지 스택의 전류에 진단을 위한 교류 성분이 포함되도록 하는 교류성분 구동 소자로서 파워 트랜지스터를 포함하는 교류성분 구동 소자; 및
    상기 교류성분 구동소자의 자체에서 발생하는 열을 관리하기 위해 상기 교류성분 구동소자 자체의 온도가 설정 온도 이상이면 흡열체로 구동되고, 설정 온도 미만이면 발열체로 구동되는 열전소자(thermoelement);
    를 포함하는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 열전소자를 제어하는 열전소자 제어기;
    를 더 포함하는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 파워 트랜지스터의 온도를 검출하는 온도센서를 더 포함하고,
    상기 열전소자 제어기는, 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터의 온도에 기초하여 상기 열전소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 열전소자 제어기는 상기 온도센서에 의해 검출된 상기 파워 트랜지스터의 온도가 설정 온도 이상이면 상기 열전소자를 흡열체로 동작시키고, 상기 검출된 파워 트랜지스터의 온도가 상기 설정 온도 미만이면 상기 열전소자를 발열체로 동작시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템.
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