KR101509681B1

KR101509681B1 - 연료전지 스택의 진단장치 및 방법

Info

Publication number: KR101509681B1
Application number: KR20090118722A
Authority: KR
Inventors: 윤성곤; 김영민; 박정규; 윤종진; 이종현
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아자동차 주식회사
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2015-04-08
Also published as: KR20110062130A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서 연료전지 스택에 공급되는 수소의 공급압력을 조정하여 연료전지 스택을 진단하고, 셀 교체와 같은 조치가 필요한 문제 채널의 정보를 제공하도록 하는 것이다.

본 발명은 연료전지 스택에 수소와 산소(혹은 공기)를 공급하여 연료전지 스택을 활성화하는 과정, 연료전지 스택을 구성하는 셀이 안정화되면 연료전지 스택에 서로 다른 압력으로 수소를 공급하고, 설정된 양의 공기를 공급하는 과정, 상기 서로 다른 수소압력 조건에 대한 셀의 개방회로전압(OCV)을 각각 검출하는 과정, 상기 셀의 개방회로전압 변화치를 기준값과 비교하여 셀의 고장여부를 판정하는 과정을 포함한다.

연료전지 스택, 고장진단, OCV, 개방회로전압

Description

연료전지 스택의 진단장치 및 방법{FUEL CELL STACK DIAGNOSIS SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택에 공급되는 수소의 공급압력을 조정하여 연료전지 스택을 진단하고, 셀 교체와 같은 조치가 필요한 문제 채널의 정보를 제공하도록 하는 연료전지 스택의 진단장치 및 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료인 수소와 환원제인 산소의 화학 반응에 의해 직접 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템으로, 환경문제의 심각성에 따라 차량의 에너지원으로 적용되고 있다.

연료전지는 복수의 단위 셀 들이 연속적으로 배치된 스택 어셈블리(Stack Assembly)로 구성되며, 단위 셀들에 연료인 수소와 산화제인 산소를 제공하여 전기 에너지를 생산한다.

연료전지 스택을 구성하는 단위 셀들 중에서 어느 하나의 셀에서 성능저하 가 발생되거나 고장이 발생되면 연료전지 스택의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생한다.

종래에는 연료전지 스택의 각 단위 셀에서 출력되는 전압을 직접 측정하여 연료전지 스택의 성능을 진단하고 있다.

도 3은 종래의 연료전지 스택 모니터링 장치를 연결을 도시된 도면이다.

도시된 바와 같이, 측정기(1)의 모니터링 단자(3)를 연료전지 스택(S)을 구성하는 모든 단위 셀들(C)의 단자(P)에 접속시키고, 컨넥터 케이블을 이용하여 측정기와 측정정치(TS)을 연결하면 각 단위 셀(C)에서 출력되는 전압값이 측정장치(TS)에 검출되어 출력 전압이 불량한 단위 셀(C)을 검출할 수 있다.

이러한 종래의 기술은 연료전지 스택의 단위 셀 각각에 측정기의 모니터링 단자를 접속시켜야 하는 번거로움이 발생되고, 측정 작업이 오래 걸리는 문제점이 발생하며 연료전지 스택을 차량에서 반드시 분리하여야 하는 번거로움이 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 연료전지 스택의 애노드(Anode)에 서로 다른 압력의 수소를 공급하고, 애노드에 공급된 수소가 캐소드(Cathode)로 이동하여 한정된 캐소드의 산소를 소모시키는 과정에서 발생되는 각 셀의 개방회로전압(OCV)을 각각 측정하고, 개방회로전압(OCV)의 차이값을 확인하여 연료전지 스택의 이상여부를 판정하도록 하는 것이다.

또한, 연료전지 스택의 진단에서 문제가 발생한 채널의 위치를 정확하게 지시하여 연료전지 스택의 수리교환에 편리성 및 신뢰성이 제공되도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 연료전지 스택 진단방법은, 애노드와 캐소드를 포함하는 단위 셀이 배열되어 구성되는 연료전지 스택; 연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하는 수소공급장치; 연료전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급장치를 포함하며,

상기 연료전지 스택의 단위 셀에서 발생되는 개방회로전압(OCV)를 검출하는 전압검출부; 상기 연료전지 스택의 애노드에 서로 다른 압력의 수소를 공급하여 각 셀들의 개방회로전압(OCV)를 검출한 다음 개방회로전압(OCV)의 차이값을 확인하여 연료전지 스택의 이상여부를 진단하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 연료전지 스택의 진단방법은, 연료전지 스택에 수소와 산소를 공급하여 연료전지 스택을 활성화하는 과정; 연료전지 스택을 구성하는 셀이 안정화되면 연료전지 스택에 서로 다른 압력으로 수소를 공급하고, 설정된 양의 공기를 공급하는 과정; 상기 서로 다른 수소압력 조건에 대한 셀의 개방회로전압(OCV)을 각각 검출하는 과정; 상기 셀의 개방회로전압(OCV)의 변화치를 기준값과 비교하여 셀의 고장여부를 판정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 본 발명은 별도의 추가적인 장치를 사용하지 않고 연료전지 스택이 차량에 장착되어 있는 상태에서 연료전지 스택의 신뢰성 있는 진단을 제공하고, 문제가 발생한 채널의 위치를 정확하게 확인하여 수리 교환에 편리성 및 신뢰성을 제공한다.

또한, 본 발명은 연료전지 스택의 각 채널별 개방회로전압(OCV)값으로부터 셀의 잔류 수명을 예측할 수 있으며, 이를 통해 셀 교체가 필요한 예상시기를 추정할 수 있는 효과가 제공된다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 연료전지 스택(10)과 수소공급장치(20), 공기공급장치(30), 전압검출부(40), 제어부(50), 메모리부(60) 및 표시부(70)를 포함하여 구성된다.

상기 연료전지 스택(10)은 다수의 단위 셀 들이 연속적으로 배열되어 구성되며, 연료인 수소와 공기(산소)의 전기 화학적 반응으로 전기 에너지를 생성한다.

상기 단위 셀은 막-전극 어셈블리와 막-전극 어셈블리의 사이에 도전성을 지닌 플레이트 형태의 세퍼레이터(Separator)가 배치되며, 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리의 밀착면으로 연료 및 공기를 유동시키기 위한 채널이 형성된다.

막-전극 어셈블리는 일면에 공급된 수소를 수소 이온(Proton)과 전자로 분해하는 전극/촉매층인 애노드가 형성되고, 다른 일면에 수소와 산소를 반응시키는 전극/촉매층인 캐소드가 형성되며, 이들 애노드와 캐소드 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

상기 수소공급장치(20)은 제어부(50)의 제어에 따라 연료전지 스택(10)을 구성하고 있는 단위 셀들의 애노드에 연료인 수소를 공급한다.

상기 공기공급장치(30)은 제어부(50)의 제어에 따라 연료전지 스택(10)을 구성하고 있는 단위 셀들의 캐소드에 환원제인 공기를 공급한다.

전압검출부(40)는 연료전지 스택(40)을 구성하는 단위 셀의 채널에서 출력되는 전압, 즉 단위 셀의 채널에서 발생되는 개방회로전압(OCV)을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(50)에 제공한다.

제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 애노드에 서로 다른 압력으로 수소를 공급하고, 애노드에 공급된 수소가 캐소드로 이동하여 발생되는 각 셀들의 전압강하를 반영한 개방회로전압(OCV)을 전압검출부(40)를 통해 각각 측정한 다음 개방회로전압(OCV)의 차이값을 확인하여 연료전지 스택의 이상여부를 진단하고, 이상이 발생된 셀에 대한 정보를 메모리(60)에 저장함과 동시에 표시부(70)를 통해 지시하여 준다.

상기 제어부(50)는 연료전지 스택(10)의 애노드와 캐소드에 수소와 공기를 공급하여 셀의 안정화가 이루어진 상태에서 수소공급장치(20)를 제어하여 애노드에 제1압력으로 수소를 공급하고, 공기공급장치(30)를 설정된 일정한 RPM으로 작동시 켜 캐소드에 공기를 공급하여 각 셀들에서 발생되는 제1개방회로전압(OCV1)을 측정한다.

그리고, 수소공급장치(20)를 제어하여 애노드에 제2압력으로 수소를 공급하고, 공기공급장치(30)를 설정된 일정한 RPM으로 작동시켜 캐소드에 공기를 공급하여 각 셀들에서 발생되는 제2개방회로전압(OCV2)을 측정한다.

상기 제1개방회로전압(OCV1)를 검출하기 위한 수소량은 통상의 차량운전과 동일한 압력으로 10 ~ 70kPa정도, 바람직하게는 대략 30kPa(gauge)압력 정도이고, 공기공급장치(30)의 RPM은 전압강하를 발생시키는 최소 RPM으로 대략, 3,000RPM이다.

그리고, 제2개방회로전압(OCV2)을 검출하기 위한 수소량은 제1개방회로전압(OCV1)을 검출하기 위한 수소량 보다 10 ~ 50kPa 정도, 바람직하게는 대략 20kPa 높게 공급하고 공기공급장치(30)의 RPM은 동일한 RPM을 유지한다.

상기 각 셀들의 제1개방회로전압(OCV1)과 제2개방회로전압(OCV2)의 변화치를 연산하여 설정된 기준값과 비교하여 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀의 고장여부를 진단한다.

메모리(60)는 상기 제어부(50)의 진단결과 연료전지 스택(10)의 단위 셀에서 고장이 판별되는 경우 해당 셀에 대한 고장정보를 저장하여 유지보수에 편리성을 제공하여 준다.

표시부(70)는 상기 제어부(50)의 진단절차 및 고장이 판별된 셀의 정보를 소정의 방식으로 표시하여 준다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

연료전지 차량에 탑재된 연료전지 스택은 차량이 운행중이거나 정차(아이들 상태)중인 경우 수소공급장치(20)는 연료전지 스택(10)의 애노드에 수소를 연속적으로 공급하고, 공기공급장치(30)는 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공기를 연속적으로 공급하게 된다.

따라서, 막 전극 어셈블리에서 수소와 공기를 통과시키는 핀 홀(pin hole)이 과다하거나 혹은 찢어짐(Edge failure) 등에 의해 애노드의 수소가 캐소드로 크로스오버(Crossover) 되더라도 캐소드에서 미반응 수소와 산소(공기)에 의해 형성되는 혼합된 전위(Mixed Potential)에 의한 성능저하, 즉 채널의 전압강하가 명확하게 보이지 않는다.

이는 애노드에 수소가 공급되고 캐소드에 충분한 공기(산소)가 공급되는 상황에서 전해질막의 핀 홀이 과다하거나 혹은 찢어짐 등에 따라 소량의 수소가 크로스오버 되어 애노드에서 캐소드로 넘어 올 때 캐소드의 미반응 수소가 빨리 희석되거나 부하상태에서 빨리 소모되기 때문이다.

본 발명은 연료전지 스택(10)의 입구전단에 설치되는 압력계(미도시)에서 감지하는 압력신호에 따라 제어부(50)가 수소 공급라인의 고압조절기(미도시) 후단에 장착된 저압조절기(미도시)를 동작시켜 연료전지 스택(10)에 공급되는 수소의 압력을 각각 서로 다른 압력수준으로 일정하게 유지 조정하여 실행한다.

상기 고압조절기 및 저압조절기는 수소공급장치(20)에 포함되는 구성이므로, 통칭하여 수소공급장치라 할 수 있다.

먼저, 연료전지 스택(10)의 활성화를 위해 제어부(50)는 수소공급장치(20)를 작동시켜 연료전지 스택(10)의 애노드에 수소를 공급시키고, 공기공급장치(30)를 작동시켜 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공기를 공급하여 정상적인 작동을 실행시킨다(S201).

이후, 연료전지 스택(10)의 활성화에 따라 각 셀들이 안정화상태로 진입하게 되면(S202), 제어부(50)는 수소공급장치(20)를 제어하여 연료전지 스택(10)의 애노드에 제1압력으로 수소를 공급하고(S203), 공기공급장치(30)를 설정된 일정한 RPM으로 작동시켜 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공기를 공급하여(S204), 각 셀들의 제1개방회로전압(OCV1)을 전압검출부(40)를 통해 측정한다(S205).

그리고, 수소공급장치(20)를 제어하여 연료전지 스택(10)의 애노드에 제2압력으로 수소를 공급하고(S206), 공기공급장치(30)를 설정된 일정한 RPM으로 작동시켜 연료전지 스택(10)의 캐소드에 공기를 공급하여(S207), 각 셀들의 제2개방회로전압(OCV2)을 전압검출부(40)를 통해 측정한다(S208).

상기 제1개방회로전압(OCV1)을 검출하기 위한 수소량은 통상의 차량운전과 동일한 압력으로 10 ~ 70kPa정도, 바람직하게는 대략 30kPa(gauge)압력 정도이고, 공기공급장치(30)의 RPM은 전압강하를 발생시키는 최소 RPM으로 대략, 3,000RPM이다.

상기와 같이 서로 다른 압력조건에 대한 각 셀들의 제1개방회로전압(OCV1)과 제2개방회로전압(OCV2)이 검출되면 각 셀의 제1개방회로전압(OCV1)과 제2개방회로전압(OCV2)을 비교하여 개방회로전압(OCV)의 변화치를 연산하여(S209) 설정된 기준값과 비교한다(S210).

상기 S210의 비교 결과 개방회로전압의 변화치가 설정치1 보다 큰 값을 갖는 셀이 검출되면 연료전지 스택을 구성하고 있는 해당 셀에 고장이 발생한 것으로 판정하여(S211) 메모리(60)에 저장함과 동시에 표시부(70)를 통해 지시하여 해당 셀의 고장을 지시함으로써 신속한 수리 교환이 이루어질 수 있도록 한다(S212).

상기 S210의 비교결과 개방회로전압의 변화치가 설정치1 보다 작은 값을 갖는 상태이면 제1개방회로전압(OCV1)과 설정치2와 비교한다(S213).

상기 S213의 비교 결과 제1개방회로전압(OCV1)이 설정치2보다 크면 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀에 대하여 정상으로 판정하고(S214), 제1개방회로전압(OCV1)이 설정치2 보다 작으면 연료전지 스택(10)의 단위 셀에 심각한 고장이 발생하여 운행 불가한 상태로 판정하여 그에 대한 정보를 표시부(70)를 통해 지시한다(S215).

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하므로 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 진단절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 3은 종래의 연료전지 스택 모니터링 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 스택 20 : 수소공급장치

30 : 공기공급장치 40 : 전압검출기

50 : 제어부 60 : 메모리

70 : 표시부

Claims

애노드와 캐소드를 포함하는 단위 셀이 배열되어 구성되는 연료전지 스택;

연료전지 스택의 애노드에 수소를 공급하는 수소공급장치;

연료전지 스택의 캐소드에 공기를 공급하는 공기공급장치;

를 포함하며,

상기 연료전지 스택의 단위 셀에서 발생되는 개방회로전압(OCV)을 검출하는 전압검출부;

상기 연료전지 스택의 애노드에 서로 다른 압력의 수소를 공급하여 각 셀들의 개방회로전압(OCV)를 검출한 다음 개방회로전압(OCV)의 차이값을 확인하여 연료전지 스택의 이상여부를 진단하는 제어부;

를 포함하는 연료전지 스택의 진단장치.
제1 항에 있어서,

상기 제어부는 연료전지 스택의 애노드에 제1압력과 제2압력으로 수소를 공급하고, 일정 RPM으로 캐소드에 공기를 공급한 다음 각각의 압력 조건에서 각 셀의 개방회로전압(OCV)을 측정한 다음 셀의 개방회로전압 변화치를 기준값과 비교하여 연료전지 스택을 구성하는 셀의 고장여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단장치.
연료전지 스택에 수소와 산소를 공급하여 연료전지 스택을 활성화하는 과정;

연료전지 스택을 구성하는 셀이 안정화되면 연료전지 스택에 서로 다른 압력으로 수소를 공급하고, 설정된 양의 공기를 공급하는 과정;

상기 서로 다른 수소압력 조건에 대한 셀의 개방회로전압을 각각 검출하는 과정;

상기 셀의 개방회로전압의 변화치를 기준값과 비교하여 셀의 고장여부를 판정하는 과정;

을 포함하는 연료전지 스택의 진단방법.
제3항에 있어서,

상기 연료전지 스택에 공급되는 압력은 정상운전조건의 제1압력과 상기 제1압력보다 일정량 높은 제2압력으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단방법.
제3항에 있어서,

상기 셀의 개방회로전압 변화치가 설정된 제1기준값 보다 크면 해당 셀의 핀홀 과다 혹은 막 전극 어셈블리의 찢어짐 고장을 판정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단방법.
제3항에 있어서,

상기 제1압력의 공급에 따른 셀의 개방회로전압이 설정된 제2기준값 보다 크면 해당 셀의 심각한 고장으로 판정하여 운행불가를 표시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 진단방법.
(a) 연료전지 스택의 애노드에 제1압력으로 수소를 공급하고, 캐소드에 일정량의 공기를 공급한 다음 각 셀의 개방회로전압(OCV)를 검출하는 과정;

(b) 연료전지 스택의 애노드에 제2압력으로 수소를 공급하고, 캐소드에 상기 (a)과정과 동일한 양의 공기를 공급한 다음 각 셀의 개방회로전압(OCV)를 검출하는 과정;

(c) 상기 (a)과정과 (b)과정에서 검출된 각 셀의 개방회로전압 변화치를 검출한 다음 기준값과 비교하여 셀의 고장여부를 판정하는 과정;

(d) 임의의 셀의 고장이 판정되면 고장코드를 저장하고, 해당 셀의 위치정보를 표시하는 과정;

을 포함하는 연료전지 스택의 진단방법.