KR102429022B1 - 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법 및 이를 수행하는 시스템 - Google Patents

연료전지의 전압손실을 연산하는 방법 및 이를 수행하는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따라서 셀을 포함하는 스택, 상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법은, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스택에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 제1전압(Va)을 감지하는 단계, 및 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.

Description

연료전지의 전압손실을 연산하는 방법 및 이를 수행하는 시스템{METHOD FOR CALCULATING VOLTAGE LOSS OF FUEL CELL, AND THE SYSTEM PERFORMING THIS}
본 발명은 공기와 수소를 이용하여 전원을 발생시키는 스택을 포함하는 연료전지 시스템에서 활성화저항 전압손실, 오믹저항 전압손실, 및 물질전달저항 전압손실에 의한 전압손실을 연산할 수 있는 전압손실을 연산하는 방법, 및 이를 수행하는 시스템에 관한 것이다.
연료전지 스택의 성능열화 정도를 파악하고 열화원인을 정확하게 파악하기 위해서는 전압손실의 측정과 저항성분의 특성 파악이 필요하다.
연료전지 스택 또는 셀의 저항특성 측정을 위해 교류 임피던스를 이용한 저항 측정, 교류 밀리옴미터를 이용한 고주파수 저항(HFR) 측정법, 및 전류 차단법을 이용한 오믹저항 측정법 등이 현재 널리 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 전압손실을 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 가로축은 전류밀도(mA/cm2)를 나타내고, 세로축은 셀전압을 나타내며, 운전중인 연료전지의 총 전압손실은 다양한 성분으로 구성된다.
이러한 전압손실의 성분 및 각 저항 성분을 분리해 내기 위해서 교류 임피던스를 이용한 저항 측정법이 널리 사용되고 있으나, 광대역(수십 kHz ~ 수 mHz 등)의 임피던스 측정과 등가회로 모델링, 및 비선형 해석 등에 많은 시간이 소요된다.
또한, 임피던스 측정을 이용해 스택을 구성하는 각 셀의 저항 성분을 모두 측정하기 위해서는 순차적으로 모든 셀을 개별 시험하거나 측정할 셀의 수만큼 교류 전류를 동시에 입력하기 위한 설비가 필요하기 때문에, 설비 구성이 복잡해 지고 비용이 증가하게 된다.
비교적 간단한 방법으로는 교류 밀리옴미터 및 전류차단법을 이용한 저항 측정법이 있으나, 이들 방법은 측정속도가 수 초 이내로 빠르지만, 오로지 오믹저항만 측정하고 나머지 저항성분 (활성화 저항 및 물질전달 저항)을 구분하는데 활용하지 못하여 연료전지 스택 및 셀의 성능열화 원인을 규명하는데 한계가 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.
본 발명의 목적은 활성화저항 전압손실, 오믹저항 전압손실, 및 물질저항 전압손실을 효과적이고 신속하게 연산하여, 연료전지의 열화도를 용이하게 판단할 수 있도록 하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법, 및 이를 수행하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서 셀을 포함하는 스택, 상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법은, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스택에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 제1전압(Va)을 감지하는 단계, 및 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
Figure 112017111524747-pat00001
값을 연산하고, 전압(V)와
Figure 112017111524747-pat00002
사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(B)의 제2전압(Vb)를 연산하는 단계, 및 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제어유닛은 상기 모니터링 단자와 연결되는 오실로스코프 또는 데이터 리코더를 이용하여 미리 설정된 시간 단위로 시간에 따른 전압 및 전류의 변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 셀을 포함하는 스택, 상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법은, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 연 상태에서, 상기 스위치를 닫아주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서 운전전압(Vo)을 감지하는 단계, 및 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
Figure 112017111524747-pat00003
값을 연산하고, 전압(V)와
Figure 112017111524747-pat00004
사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 낮은 제2전압(Vb)를 연산하는 단계, 및 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서, 전원, 상기 전원에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 전원에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 전원을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 전압손실을 연산하는 방법은, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 전원에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 전원에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계, 및 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
Figure 112017111524747-pat00005
값을 연산하고, 전압(V)와
Figure 112017111524747-pat00006
사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(Vb)의 제2전압(Vb)를 연산하는 단계, 및 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제어유닛은 상기 모니터링 단자와 연결되는 오실로스코프 또는 데이터 리코더를 이용하여 미리 설정된 시간 단위로 시간에 따른 전압 및 전류의 변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서 전원, 상기 전원에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 전원에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 전원을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법은 상기 스위치를 연 상태에서 상기 전원에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계, 상기 스위치를 연 상태에서, 상기 스위치를 닫아주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계, 상기 스위치를 닫은 상태에서 운전전압(Vo)을 감지하는 단계, 및 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
Figure 112017111524747-pat00007
값을 연산하고, 전압(V)와
Figure 112017111524747-pat00008
사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 낮은 제2전압(Vb)를 연산하는 단계, 및 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 연산법은, 스택과 전원 부하 사이에 배치되는 스위치를 닫거나 열어줌으로써 발생하는 전류/전압의 변화특성을 이용하여 오믹저항 전압손실, 물질저항 전압손실, 및 활성화저항 전압손실을 효과적이고 신속하게 연산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전하 스텝법은 스위치 개폐 시간을 수 초 이내로 짧게 적용하므로 연료전지의 운전상태 변화를 최소할 수 있고, 연료전지의 특성 측정 시 운전상태 변화를 최소화하면서 열충격에 의한 셀/스택의 변형 및 열화를 억제 할 수 있고, 연료전지의 부하운전을 정지시키거나 재시동할 필요가 없다.
도 1은 일반적인 전압손실을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간에 따른 전류/전압의 관계를 보여주는 전체적인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간(t)에 따른 전류/전압의 관계를 상세하게 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간(t)에 따른 전압의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 루트 시간(
Figure 112017111524747-pat00009
)에 따른 전압의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 시간에 다른 전류/전압의 관계에서 스위치를 닫은 상태에서 열어주는 상태를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 시간에 다른 전류/전압의 관계에서 스위치를 연 상태에서 닫아주는 상태를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 연료전지(10)는 복수의 셀(100)을 포함하는 스택(200), 모니터링 단자(500), 스위치(400), 전원 부하(300), 제어유닛(600), 오실로스코프(700), 및 데이터 리코더(800)를 더 포함한다.
상기 전원 부하(300)는 상기 스택(200)에서 만들어진 전기 에너지를 소모하는 부분으로, 상기 전원 부하(300)는 차량 주행용 구동 모터 및 전기부품을 포함할 수 있다.
상기 스위치(400)는 상기 스택(200)과 상기 전원 부하(300)를 전기적으로 연결하는 회로 상에 구비되어, 상기 스택(200)에서 만들어진 전류/전압을 상기 전원 부하(300)로 공급하거나 차단할 수 있다. 여기서, 상기 스위치(400)가 닫히면 전원이 연결되고, 상기 스위치(400)가 열리면 전원이 차단된다.
상기 오실로스코프(700)와 상기 데이터 리코더(800)는 수십 나노 내지 수백 마이크로 시간 단위로 상기 셀 및 상기 스택(200)에서 발생되는 전압/전류의 변화를 측정할 수 있는데, 이들은 연료전지에서 운전 상태가 변할 때, 상기 스택(200) 또는 상기 셀(100)의 전압/전류를 각각 측정할 수 있다.
상기 제어유닛(600)은 상기 연료전지(10)의 운전을 제어하며, 상기 오실로스코프(700)와 상기 데이터 리코더(800)와 신호를 송수신하며, 송수신된 전류/전압을 이용하여 각 저항성분 및 이에 따른 전압손실을 연산할 수 있다.
본 발명은 전하 스텝법을 이용하여 연료전지의 스택(200) 또는 각 셀(100)의 전압손실을 측정하고, 각 저항 성분(오믹저항, 활성화저항, 및 물질전달저항)을 통해서 전압손실을 도출할 수 있다.
상기 스택(200)은 여러 장의 셀(100)이 모여 구성되며, 애노드에 수소가 공급되고 캐소드에 공기가 공급되면, 양쪽 전극 사이에 전위차가 발생하는 구조를 가지며, 스택(200)은 스위치(400)가 열린 상태에서 개회로 전압을 나타내고, 스위치(400)가 닫힌 상태에서 폐회로 전압을 나타낸다.
본 발명의 실시예에서, 연료전지 스택(200)에서 생산하는 전력은 전원 부하(300)에서 요구하는 전류량에 따라 값이 달라질 수 있다.
또한, 셀(100) 또는 스택(200)의 특성을 파악하기 위해 성능을 평가하는 경우, 전압손실과 저항을 측정하는 방법으로써 전하 스텝법을 수행하며, 이 방법은 셀(100) 또는 스택(200)의 전류 및 전압 변화를 이용한다.
또한, 상기 제어유닛(600)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간에 따른 전류/전압의 관계를 보여주는 전체적인 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내며 세로축은 전압/전류를 나타내며, 연료전지의 셀(100) 또는 스택(200)이 일정한 전류 I0 및 일정한 전압 V0로 운전하던 중에 스위치(400)를 짧은 시간 동안 개폐하면, 순간적으로 전류가 차단되어 전류는 I0 ■ I1 ■ I0 의 스텝 형태로 변동한다.
이때 전류 I1 은 "0" 암페어의 값을 가질 수 있다. 또한, 전류가 스텝형태로 변하게 되면 전압은 V0 ■ V1 ■ V0 형태로 변하게 된다.
스위치(400)를 개폐하는 시간이 짧을수록, 도 3과 같이, 전압의 변화는 펄스 (pulse) 형태로 나타나며, 스위치(400)를 개방하는 시간이 늘어 날수록 V1은 개회로 전압(Vocv: Open Circuit Voltage)에 근접할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전하 스텝법은 스위치(400) 개폐 시간을 수 초 이내로 짧게 적용하므로 연료전지(10)의 운전상태 변화를 최소할 수 있고, 연료전지의 특성 측정 시 열충격에 의한 셀(100) 및 스택(200)의 변형 및 열화를 억제 할 수 있고, 연료전지의 운전을 정지 시키거나 재시동할 필요가 없다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간(t)에 따른 전류/전압의 관계를 상세하게 보여주는 그래프로써, 도 3의 t0~t1 구간을 수 밀리 초 수준으로 확대하여 전압-시간 곡선을 나타낸다.
스위치(400)를 개폐시켜 운전 전압의 변화가 일어나는 t0~t1 구간에 오실로스코프(700) 또는 고속 데이터 리코더(800)를 이용하여 전압 변화를 관찰하면 전하 스텝법에 필요한 정보를 얻을 수 있다.
to는 스위치(400)가 개방되는 시점(회로 차단 시점)을 의미하며, t1은 스위치(400)가 다시 닫히는 시점(회로 연결 시점)을 의미한다. 여기서, 전하 스텝법을 실행하기 위해 t0 에서 t1까지 필요한 시간은 1초 면 충분하다.
도 4에 도시한 바와 같이, 스위치(400) 개방시점 t0 에서 연료전지 셀(100) 또는 스택(200)의 전압이 급격하게 상승하는 것을 알 수 있다. 이러한 급격한 전압변화는 오믹저항으로 발생한 전압손실이 전류를 제거함과 동시에 선형적으로 회복되는 것을 의미한다.
오믹저항으로 인한 전압손실이 완전히 회복되고 나면 활성화저항과 물질전달저항으로 인해 발생한 전압손실이 순차적으로 회복하게 되며, 이는 비선형적인 형태로 나타나게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 시간(t)에 따른 전압의 관계를 보여주는 그래프이고, 도 4의 전압-시간 곡선을 수 십~수 백 마이크로 초단위로 확대하여 살펴보면 도 5로 표현될 수 있다.
전하 스텝법에 의해 전류가 순간적으로 차단되면 매우 짧은 시간 동안 선형적으로 전압이 회복하는데 이는 오믹저항에 의한 전압손실이 회복되는 것이며, 보통 수십~수백 마이크로 초 이내에 모두 회복된다.
전압이 시간에 따라 선형적으로 변하는 구간에 대해 선형회귀 분석을 이용하여 추세선을 만들고, 전압-시간 곡선과 만나는 점 A를 찾으면 오믹저항에 의한 전압 손실 -Vohmic (VA-V0)을 구할 수 있다.
도 5는 t2 이후 비선형적인 전압회복 곡선은 활성화저항과 물질전달저항에 의한 발생한 전압손실의 회복을 보여준다. 전자의 산화-환원 반응 등 활성화저항 전압손실(ΔVact)의 회복과 가스 확산 등 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)의 회복은 시간에 대해 각각 아래의 식 {1}와 {2}의 관계를 가질 수 있다.
Figure 112017111524747-pat00010
Figure 112017111524747-pat00011
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에서 루트 시간(
Figure 112017111524747-pat00012
)에 따른 전압의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 오믹저항과 활성화저항에 의한 전압손실 회복이 완료된 루트 t3 (
Figure 112017111524747-pat00013
)시점 이후부터는 식 {2}의 관계처럼 전압-루트 시간(
Figure 112017111524747-pat00014
)의 관계가 선형적으로 변한다.
전압이 루트 시간에 따라 선형적으로 변하는 구간에 대해 선형회귀 분석을 이용하여 추세선을 만들고, 전압-루트 시간 곡선과 만나는 점 B를 찾으면 찾으면 물질전달 저항에 의한 전압손실 -Vmt (VOCV-VB)를 구할 수 있다.
또한, 연료전지의 개회로 전압(Vocv)과 정상상태 부하운전 전압(Vo)의 차로부터 구한 총 전압손실 -V와 -Vohmic 및 -Vmt 의 관계를 이용하여 식 {4}와 같이 Vact 구할 수 있다.
Figure 112017111524747-pat00015
따라서, 상기 방법으로 얻어진 각 전압 손실값을 운전 전류 I0로 나누면 오믹저항, 물질전달저항, 및 활성화저항값으로 변환 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 보여주는 플로우차트이다.
S700은 정상적인 운전 조건에서 시험을 시작 할 수 있도록 충분한 전처리 작업을 포함하며, 전처리가 완료된 연료전지의 개회로 전압(VOCV)을 측정하고 기록하는 단계를 포함한다.
S710은 정상상태로 부하 운전하는 것을 포함하고, 전류값 I0 에서 안정화된 전압값 V0를 측정하고 기록한다. 여기서, 정상상태는 "특정 전류값 I0 에서 몇 분 간 전압 V0 ㅁ 5 mV 이내 유지" 등과 같은 조건을 포함할 수 있다.
S720은 스위치(400)를 개폐하기 전에 정상상태로 운전하고 있는 연료전지(10)의 전압과 전류를 오실로스코프(700) 또는 고속 데이터 리코더(800)를 이용해 일정한 시간 간격으로 감지하는 단계로, 데이터 기록 간격은 수십~수백 마이크로 초 범위로 설정될 수 있다.
S730는 오실로스코프(700) 또는 고속 데이터 리코더(800)를 이용해 연료전지의 전압과 전류를 일정한 시간 간격으로 빠르게 기록하는 동시에 스위치(400)를 개폐시켜 연료전지 운전상태에 순간적인 전류 차단을 발생시킨다.
S740은 오실로스코프(700) 또는 고속 데이터 리코더(800)를 이용해 수집한 전압-시간 데이터를 이용해 도 5와 같이 도식화하고, 곡선의 초기 선형구간에 대해 선형회귀분석을 수행하고, 추세선과 전압-시간 곡선의 교점으로부터 오믹저항에 의한 전압손실 Vohmic을 구한다.
S750은 오실로스코프(700) 또는 고속 데이터 리코더(800)를 이용해 수집한 전압-루트 시간 데이터를 이용해 도 6과 같이 도식화하고, 곡선의 선형구간에 대해 선형회귀분석을 수행하고, 추세선과 전압-루트 시간(
Figure 112017111524747-pat00016
) 곡선의 교점으로부터 물질전달 저항에 의한 전압손실 Vmt를 구한다.
S760은, S700에서 구한 VOCV, S710에서 구한 V0, S740 및 S750에서 구한 Vohmic, Vmt를 이용하여 활성화저항으로 인한 전압손실 Vact를 식 3을 이용하여 연산하는 것을 포함한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라서 시간에 다른 전류/전압의 관계에서 스위치를 닫은 상태에서 열어주는 상태를 보여주는 그래프이고, 정상운전 중이던 연료전지(10)에 전하 스텝법을 개시했을 때 전류와 전압의 변화를 시간에 따라 나타낸다.
연료전지의 셀(100) 또는 스택(200)이 일정한 전류 I0 에서 일정한 전압 V0로 운전하던 중에 스위치(400)를 개방하면, 순간적으로 전류가 차단되어 전류는 I0 ■ I1 의 스텝 형태로 변동하게 된다. 이때 전류 I1 은 "0" 암페어의 값을 갖는다.
스위치(400)가 개방된 시간이 수십 초 ~ 수 분으로 충분히 길다면 전압은 V1 과 같이 개회로 전압(Vocv)까지 회복된다. 이후에 오믹저항, 물질전달저항 및 활성화저항으로 인한 전압손실을 구하는 법은 도 5 및 6을 참조하여 설명한 방법과 동일/유사하다.
이 방법을 이용하면 전압-루트 시간의 그래프에서 구하는 선형 추세선의 선형 회기분석 결과가 더욱 정확하며, 이러한 방법은 연료전지가 정상운전 상태에서 정비 또는 고장 등으로 부하를 완전히 제거해야 하는 경우에 활용 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라서 시간에 다른 전류/전압의 관계에서 스위치를 연 상태에서 닫아주는 상태를 보여주는 그래프이고, 개회로 전압 상태로 운전대기 중이던 연료전지(10)에 전하 스텝법을 개시했을 때 전류와 전압의 변화를 시간에 따라 나타낸다.
연료전지의 셀(100) 또는 스택(200)이 전류가 차단된(I0 = 0 암페어) 상태에서 개회로 전압 V0로 대기하던 중에 스위치(400)를 닫으면 전류가 I1 ■ Io의 스텝형태로 변동하게 된다. 이때 전류 Io은 일정한 값으로 유지한다.
그리고, 스위치가 연결된 시간이 수십 초 ~ 수 분으로 충분하다면 전압은 V1 과 같이 일정한 값으로 안정화 된다. 이후에 오믹저항, 물질전달저항 및 활성화저항으로 인한 전압손실을 구하는 법은 도 5 및 6을 이용해 설명한 방법과 동일/유사하다.
이러한 방법은 연료전지가 운전대기 상태에서 정상운전 상태로 부하를 변경 하는 경우에 활용 할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 연료전지 200: 스택
100: 셀 300: 전원 부하
400: 스위치 500: 모니터링 단자
600: 제어유닛 700: 오실로스코프
800: 고속 데이터 리코더 Vocv: 개회로 전압

Claims (20)

  1. 셀을 포함하는 스택, 상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법에 있어서,
    상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스택에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 제1전압(Va)을 감지하는 단계; 및
    상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계; 를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00017
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00018
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(B)의 제2전압(Vb)를 연산하는 단계; 및
    상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계
    를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 모니터링 단자와 연결되는 오실로스코프 또는 데이터 리코더를 이용하여 미리 설정된 시간 단위로 시간에 따른 전압 및 전류의 변화를 측정하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  5. 셀을 포함하는 스택, 상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법에 있어서,
    상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 연 상태에서, 상기 스위치를 닫아주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서 운전전압(Vo)을 감지하는 단계; 및
    상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계; 를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00019
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00020
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 낮은 제2전압(Vb)를 연산하는 단계; 및
    상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계
    를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법.
  8. 전원, 상기 전원에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 전원에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 전원을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 전압손실을 연산하는 방법에 있어서,
    상기 스위치를 연 상태에서 상기 전원에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 전원에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계; 및
    상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계
    를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00021
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00022
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(Vb)의 제2전압(Vb)를 연산하는 단계; 및
    상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계
    를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 모니터링 단자와 연결되는 오실로스코프 또는 데이터 리코더를 이용하여 미리 설정된 시간 단위로 시간에 따른 전압 및 전류의 변화를 측정하는 전압손실을 연산하는 방법.
  12. 전원, 상기 전원에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하, 상기 전원에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자, 상기 전원 부하와 상기 전원을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치, 및 상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법에 있어서,
    상기 스위치를 연 상태에서 상기 전원에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하는 단계;
    상기 스위치를 연 상태에서, 상기 스위치를 닫아주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하는 단계;
    상기 스위치를 닫은 상태에서 운전전압(Vo)을 감지하는 단계; 및
    상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 단계
    를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00023
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00024
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 낮은 제2전압(Vb)를 연산하는 단계; 및
    상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 단계
    를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 단계를 수행하는 전압손실을 연산하는 방법.
  15. 셀을 포함하는 스택;
    상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하;
    상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자;
    상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치; 및
    상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하되, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하고, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스택에서 발생되는 운전전압(Vo)과 운전전류(Io)를 감지하며, 상기 스위치를 닫은 상태에서, 상기 스위치를 열어주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(A)의 제1전압(Va)을 감지하고, 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 제어유닛을 포함하는 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00025
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00026
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 곡선과 연결되는 지점(B)의 제2전압(Vb)를 연산하고, 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 모니터링 단자와 연결되는 오실로스코프 또는 데이터 리코더를 이용하여 미리 설정된 시간 단위로 시간에 따른 전압 및 전류의 변화를 측정하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
  19. 셀을 포함하는 스택;
    상기 스택에서 발생하는 전류/전압을 이용하는 전원 부하;
    상기 셀에 연결되어 전압과 전류를 감지하는 모니터링 단자; 및
    상기 전원 부하와 상기 스택을 연결하는 회로 상에 구비되는 스위치; 및
    상기 스위치와 상기 스택의 운전을 제어하되, 상기 스위치를 연 상태에서 상기 스택에서 발생되는 개회로 전압(Vocv)를 감지하고, 상기 스위치를 연 상태에서, 상기 스위치를 닫아주는 시점부터 전압과 전류의 데이터를 이용하여, 시간(t)에 따른 전압(V)의 제1변화그래프를 연산하고, 상기 제1변화그래프에서 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 높은 제1전압(Va)을 감지하며, 상기 스위치를 닫은 상태에서 운전전압(Vo)을 감지하고, 상기 제1전압(Va)과 상기 운전전압(Vo) 사이의 차이값으로 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 연산하는 제어유닛을 포함하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어유닛은, 상기 제1변화그래프에서, 상기 시간(t)로부터,
    Figure 112017111524747-pat00027
    값을 연산하고, 전압(V)와
    Figure 112017111524747-pat00028
    사이의 제2변화그래프를 연산하고, 상기 제2변화그래프로부터 상기 전압(V)이 선형적으로 변화하는 영역에서 가장 낮은 제2전압(Vb)를 연산하고, 상기 개회로 전압(Vocv)과 상기 제2전압(Vb)의 차이값으로 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)을 연산하고, 상기 개회로 전압(Vocv)에서 상기 물질전달저항 전압손실(ΔVmt)과 상기 오믹저항 전압손실(ΔVohmic)을 차감하여 활성화저항 전압손실(ΔVact)을 연산하는 연료전지의 전압손실을 연산하는 방법을 수행하는 시스템.
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