KR101601487B1 - 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는데 이용되는 교류전압(교류신호)을 연료전지 스택의 직류전압을 기반으로 보상함으로써, 부하의 변동에 따라 연료전지 스택의 직류전류가 변해도 정확한 임피던스를 측정할 수 있는 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치에 있어서, 연료전지 스택의 직류전류에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가부; 상기 연료전지 스택의 교류전압을 측정하는 교류전압 측정부; 상기 연료전지 스택의 직류전류를 측정하는 직류전류 측정부; 상기 교류전압 측정부에 의해 측정된 교류전압을 상기 직류전류 측정부에 의해 측정된 직류전류를 기반으로 보상하는 교류전압 보상부; 및 상기 교류전압 보상부에 의해 보상된 교류전압과 상기 교류전류 인가부에 의해 인가된 교류전류를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함한다.

Description

연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING IMPEDANCE OF FUEL CELL STACK AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 출력(직류전류)이 부하의 요구에 따라 변동하는 경우에도 연료전지 스택의 임피던스를 정확하게 측정할 수 있는 기술에 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 시동 시간과 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 스택의 교류전압을 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는데 사용하고 있다.
종래의 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치는, 연료전지 스택에 교류전류(정현파)를 인가한 후 연료전지 스택의 교류전압을 측정하고, 상기 측정된 교류전압과 상기 교류전류를 이용하여 연료전지 스택의 임피던스를 측정하였다.
이러한 종래의 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치는, 부하의 변동에 따라 연료전지 스택의 직류전류가 변하는 경우에 연료전지 스택의 임피던스가 변한다는 사실을 간과한 채 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 때문에 정확한 임피던스 측정이 어려운 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는데 이용되는 교류전압(교류신호)을 연료전지 스택의 직류전압을 기반으로 보상함으로써, 부하의 변동에 따라 연료전지 스택의 직류전류가 변해도 정확한 임피던스를 측정할 수 있는 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치에 있어서, 연료전지 스택의 직류전류에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가부; 상기 연료전지 스택의 교류전압을 측정하는 교류전압 측정부; 상기 연료전지 스택의 직류전류를 측정하는 직류전류 측정부; 상기 교류전압 측정부에 의해 측정된 교류전압을 상기 직류전류 측정부에 의해 측정된 직류전류를 기반으로 보상하는 교류전압 보상부; 및 상기 교류전압 보상부에 의해 보상된 교류전압과 상기 교류전류 인가부에 의해 인가된 교류전류를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법에 있어서, 교류전류 인가부가 연료전지 스택의 직류전류에 교류전류를 인가하는 단계; 교류전압 측정부가 상기 연료전지 스택의 교류전압을 측정하는 단계; 직류전류 측정부가 상기 연료전지 스택의 직류전류를 측정하는 단계; 교류전압 보상부가 상기 측정된 교류전압을 상기 측정된 직류전류를 기반으로 보상하는 단계; 및 임피던스 측정부가 상기 보상된 교류전압과 상기 교류전류를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는데 이용되는 교류전압(교류신호)을 연료전지 스택의 직류전압을 기반으로 보상함으로써, 부하의 변동에 따라 연료전지 스택의 직류전류가 변해도 정확한 임피던스를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 교류전류 보상부에 의해 보상된 연료전지 스택의 교류전압에 대한 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치는, 연료전지 스택(10), 교류전류 인가부(20), 교류전압 측정부(30), 직류전류 측정부(40), 교류전압 보상부(50), 및 임피던스 측정부(60)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 연료전지 스택(10)은 부하에 전원을 공급한다. 이때, 전원은 차량을 구동시키기 위한 동력원으로 사용된다.
교류전류 인가부(20)는 연료전지 스택(10)의 출력 전압에 교류전압의 성분이 나타나도록 부하로 공급되는 직류전류에 교류전류(Iac)를 인가한다. 즉, 부하로 공급되는 직류전류에 교류전류를 인가하면 연료전지 스택의 출력 전압에 교류전압의 성분이 나타난다.
교류전압 측정부(30)는 연료전지 스택의 교류전압(Vac)을 측정한다.
직류전류 측정부(40)는 연료전지 스택의 직류전류(Idc)를 측정한다.
교류전압 보상부(50)는 교류전압 측정부(30)에 의해 측정된 교류전압을 직류전류 측정부(40)에 의해 측정된 직류전류를 기반으로 보상한다.
즉, 교류전압 보상부(50)는 하기의 [수학식 1]을 이용하여 교류전압 측정부(30)에 의해 측정된 교류전압을 보상한다.
[수학식 1]
여기서, Vac _c는 보상 후의 교류전압을 의미하고, Vac는 보상 전의 교류전압, Idc는 연료전지 스택의 직류전류, C는 보상률 조정상수를 각각 의미한다.
임피던스 측정부(60)는 교류전압 보상부(50)에 의해 보상된 교류전압과 교류전류 인가부(20)에 의해 인가된 교류전류를 기반으로 연료전지 스택의 임피던스를 측정한다. 여기서, 임피던스를 측정하는 기술은 주지 관용의 기술로서 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에서 교류전류 인가부(20), 교류전압 측정부(30), 직류전류 측정부(40)는 센서로 구현될 수 있고, 교류전압 보상부(50), 및 임피던스 측정부(60)의 기능은 제어부(미도시)가 수행할 수도 있다.
부가적으로, 배터리를 이용하여 직류전류를 보상할 수도 있다. 즉, 부하에 변동이 발생한 경우, 배터리를 통해 항상 동일한 직류전류가 유지되도록 보상한다.
또한, 부하 변동 구간의 측정값을 삭제한 후 임피던스를 측정할 수도 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 교류전류 보상부에 의해 보상된 연료전지 스택의 교류전압에 대한 일예시도이다.
도 2에서, '210'은 연료전지 스택(10)의 직류전류를 나타내고, '220'은 보상 전의 연료전지 스택(10)의 교류전압(교류신호)을 나타내며, '230'은 보상 후의 연료전지 스택(10)의 교류전압(교류신호)을 나타낸다.
도 2를 통해, 연료전지 스택(10)의 직류전류(210)가 변하면 보상 전의 연료전지 스택(10)의 교류전압(220)의 진폭이 변하는 것을 알 수 있다.
그러나, 연료전지 스택(10)의 직류전류가 변해도 보상 후의 연료전지 스택(10)의 교류전압(230)은 진폭이 일정함을 알 수 있다. 따라서, 정확한 임피던스 측정이 가능해진다.
도 3 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 교류전류 인가부(20)가 연료전지 스택(10)의 직류전류에 교류전류를 인가한다(301).
이후, 교류전압 측정부(30)가 연료전지 스택(10)의 교류전압을 측정한다(302).
그리고, 직류전류 측정부(40)가 연료전지 스택(10)의 직류전류를 측정한다(303).
이후, 교류전압 보상부(50)가 교류전압 측정부(30)에 의해 측정된 교류전압을 직류전류 측정부(40)에 의해 측정된 직류전류를 기반으로 보상한다(304).
이후, 임피던스 측정부(60)가 교류전압 보상부(50)에 의해 보상된 교류전압과 교류전류 인가부(20)에 의해 인가된 교류전류를 기반으로 연료전지 스택(10)의 임피던스를 측정한다(305).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 연료전지 스택
20 : 교류전류 인가부
30 : 교류전압 측정부
40 : 직류전류 측정부
50 : 교류전압 보상부
60 : 임피던스 측정부

Claims (6)

  1. 연료전지 스택의 직류전류에 교류전류를 인가하는 교류전류 인가부;
    상기 연료전지 스택의 교류전압을 측정하는 교류전압 측정부;
    상기 연료전지 스택의 직류전류를 측정하는 직류전류 측정부;
    상기 교류전압 측정부에 의해 측정된 교류전압을 상기 직류전류 측정부에 의해 측정된 직류전류를 기반으로 보상하는 교류전압 보상부; 및
    상기 교류전압 보상부에 의해 보상된 교류전압과 상기 교류전류 인가부에 의해 인가된 교류전류를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함하되,
    상기 교류전압 보상부는,
    상기 연료전지 스택의 직류전류가 변해도 상기 연료전지 스택의 교류전압의 진폭이 일정하도록 보상하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류전압 보상부는,
    하기의 [수학식 A]을 이용하여 상기 교류전압 측정부에 의해 측정된 교류전압을 보상하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 임피던스 측정 장치.
    [수학식 A]
    Figure 112014088719619-pat00002

    여기서, Vac _c는 보상 후의 교류전압을 의미하고, Vac는 보상 전의 교류전압, Idc는 연료전지 스택의 직류전류, C는 보상률 조정상수를 각각 의미한다.
  3. 삭제
  4. 교류전류 인가부가 연료전지 스택의 직류전류에 교류전류를 인가하는 단계;
    교류전압 측정부가 상기 연료전지 스택의 교류전압을 측정하는 단계;
    직류전류 측정부가 상기 연료전지 스택의 직류전류를 측정하는 단계;
    교류전압 보상부가 상기 측정된 교류전압을 상기 측정된 직류전류를 기반으로 보상하는 단계; 및
    임피던스 측정부가 상기 보상된 교류전압과 상기 교류전류를 기반으로 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하되,
    상기 교류전압 보상 단계는,
    상기 연료전지 스택의 직류전류가 변해도 상기 연료전지 스택의 교류전압의 진폭이 일정하도록 보상하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류전압 보상 단계는,
    하기의 [수학식 B]을 이용하여 상기 교류전압 측정부에 의해 측정된 교류전압을 보상하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 임피던스 측정 방법.
    [수학식 B]
    Figure 112014088719619-pat00003

    여기서, Vac _c는 보상 후의 교류전압을 의미하고, Vac는 보상 전의 교류전압, Idc는 연료전지 스택의 직류전류, C는 보상률 조정상수를 각각 의미한다.
  6. 삭제
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