KR102506859B1 - 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법에 관한 것으로서, (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및 (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법{METHOD FOR DIAGNISING WATER-CONTAINING STATE OF FUEL CELL STACE}
본 발명은 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료전지 시스템의 메인 파워(Main Power) 공급원으로서, 수소와 산소의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 장치이다.
연료전지 스택의 애노드(adode)에는 수소 저장 탱크로부터 고순도의 수소가 공급되고, 연료전지 스택의 캐소드(cathode)에는 공기 압축기 기타 공기 공급 장치에 의해 공급된 대기 중의 공기가 유입된다.
애노드에서는 수소의 산화 반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 생성되고, 이처럼 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동된다. 캐소드에서는 애노드로부터 이동된 수소 이온 및 전자와, 공기 공급 장치에 의해 공급된 공기 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어 물이 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다.
이러한 연료전지 스택이 적정 수준에 비해 건조해지거나 습해지면, 기체 확산층, 애노드, 캐소드 등의 기공을 통한 반응 가스의 이동이 제한되거나, 전해질막이 손상되는 현상 등이 발생함으로써, 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 저하될 수 있다.
그런데, 종래의 연료전지 시스템은, 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 정확하게 진단 가능한 구성을 구비하고 있지 않았다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템은, 연료전지 스택의 건조 또는 습윤으로 인해 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 정확하게 진단할 수 있도록 개선한 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 전해질막, 애노드, 캐소드 각각의 수분 함유 상태를 개별적으로 진단 가능하도록 개선한 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 연료전지 스택의 함수량을 연료전지 시스템의 구동 양상에 따라 적정 수준으로 조절 가능하도록 개선한 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법은, (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및 (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 (A) 단계는, (A1) 미리 정해진 제1 주파수를 갖는 제1 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정하고, 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제1 임피던스를 상기 전해질막 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 주파수는, 상기 제1 임피던스에서 상기 애노드 임피던스와 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해진다.
바람직하게, 상기 (A) 단계는, (A2) 상기 제1 주파수에 비해 낮은 제2 주파수를 갖는 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류를 측정하고, 상기 제2 출력 전압과 상기 제2 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제2 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 애노드 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 제2 주파수는, 상기 제2 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해진다.
바람직하게, (C) 상기 (A2) 단계 이전에 수행하며, 상기 제2 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 상기 기준 비율 미만이 되도록 상기 제2 주파수를 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 (C) 단계는, (C1) 캐소드에 미리 정해진 표준 유량의 공기를 공급하거나 상기 캐소드의 압력을 미리 정해진 표준 압력으로 조절함과 동시에 상기 제2 주파수를 갖는 상기 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가하여, 상기 애노드 임피던스를 측정하는 단계; (C2) 상기 캐소드에 상기 표준 유량에 비해 적은 유량의 공기를 공급하거나 상기 캐소드의 압력을 상기 표준 압력에 비해 낮은 압력으로 조절함과 동시에 상기 제2 주파수를 갖는 상기 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가하여, 상기 애노드 임피던스를 측정하는 단계; 및 (C3) 상기 (C2) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스와 상기 (C1) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스의 차이가 미리 정해진 기준 비율을 초과하면 상기 제2 주파수를 미리 정해진 기준 값만큼 상승시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 (C3) 단계는, 상기 (C2) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스가 상기 (C1) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스에 비해 미리 정해진 기준 비율 미만이면 상기 제2 주파수를 그대로 유지하여 수행한다.
바람직하게, 상기 (A) 단계는, (A3) 상기 제2 주파수에 비해 낮은 제3 주파수를 갖는 제3 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제3 출력 전압과 제3 출력 전류를 측정하고, 상기 제3 출력 전압과 상기 제3 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제3 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스와 상기 (A2) 단계에서 도출된 상기 애노드 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 캐소드 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 제3 주파수는, 상기 제3 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 이상이 되도록 정해진다.
바람직하게, 상기 (B) 단계는, (B1) 상기 전해질막 임피던스가 미리 정해진 기준 전해질막 임피던스를 초과하는지 판단하는 단계; 및 (B2) 상기 전해질막 임피던스가 상기 기준 전해질막 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 연료전지 스택이 건조 상태라고 판단하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 (B2) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스를 초과함과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스 이하인 경우에, 상기 캐소드가 과건조 상태라고 판단하여 수행한다.
바람직하게, (D) 상기 캐소드가 상기 과건조 상태인 경우에, 상기 캐소드가 습윤해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 (B2) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스 이하임과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 애노드가 과건조 상태라고 판단하여 수행한다.
바람직하게, (E) 상기 애노드가 상기 과건조 상태인 경우에, 상기 애노드가 습윤해 지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, (B3) 상기 전해질막 임피던스가 상기 기준 전해질막 임피던스 이하인 경우에, 상기 애노드 임피던스와 상기 캐소드 임피던스를 합산하여 산출한 합산 임피던스가 미리 정해진 기준 합산 임피던스를 초과하는지 판단하는 단계; 및(B4) 상기 합산 임피던스가 상기 기준 합산 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 연료전지 스택이 습윤 상태라고 판단하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, (B5) 상기 합산 임피던스가 상기 기준 합산 임피던스 이하인 경우에, 상기 연료전지 스택이 정상 상태라고 판단하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 (B5) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스를 초과함과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스 이하인 경우에, 캐소드가 과습윤 상태라고 판단하여 수행한다.
바람직하게, (F) 상기 캐소드가 상기 과습윤 상태인 경우에, 상기 캐소드가 건조해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 (B5) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스 이하임과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스를 초과하는 경우에, 애노드가 과습윤 상태라고 판단하여 수행한다.
바람직하게, (G) 상기 애노드가 과습윤 상태인 경우에, 상기 애노드가 건조해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은, 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 주파수 성분에 따라 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스가 상대적으로 변화되는 특성을 이용해 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하여, 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 이용해 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 세부 유형들 별로 정밀하게 진단할 수 있다.
둘째, 본 발명은, 연료전지 스택의 수분 함유 상태 및 연료전지 시스템의 구동 양상에 따라 연료전지 스택의 함수량을 조절하여, 연료전지 스택의 성능 및 내구성과, 연료전지 시스템의 냉 시동 성능 등을 향상시킬 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 연료전지 스택의 단위 셀의 개념도.
도 3은 도 2에 도시된 연료전지 스택의 등가 회로.
도 4는 도 2에 도시된 등가 회로의 나이퀴스트 플롯.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 6은 연료전지 스택에 인가되는 교류 신호의 주파수와 캐소드 임피던스의 상관 관계를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 8은 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 유형 별로 분류한 분류도.
도 9는 연료전지 스택이 건조 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도.
도 10은 연료전지 스택이 습윤 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도.
도 11은 연료전지 스택이 정상 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도.
도 12는 제2 교류 신호의 제2 주파수를 설정하는 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 연료전지 스택의 단위 셀의 개념도이며, 도 3은 도 2에 도시된 단위 셀의 등가 회로이고, 도 4는 도 2에 도시된 단위 셀의 등가 회로의 나이퀴스트 플롯이다.
본 발명은 연료전지 시스템(1)에 포함된 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단하기 위한 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태 진단 방법에 관한 것이다. 이하에서는, 도 1을 참조하여, 연료전지 시스템(1)의 개략적인 구성을 먼저 살펴보기로 한다.
도 1을 참조하면, 연료전지 시스템(1)은, 연료전지 스택(10)과, 수소 공급 장치(20)와, 수소 공급 밸브(30)와, 공기 공급 장치(40)와, 공기 공급 밸브(50)와, 퍼지 밸브(60)와, 공기 배출 밸브(70)와, 제어기(80) 등을 포함할 수 있다. 이러한 연료전지 시스템(1)을 적용 가능한 장치의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료전지 시스템(1)은 연료전지 스택(10)에서 생성된 전기 에너지를 모터(200)의 동력원으로서 이용해 주행 가능한 연료전지 차량에 장착될 수 있다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)은 미리 정해진 적층 방향을 따라 적층된 복수의 단위 셀들(12)을 구비할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 단위 셀들(12)은 각각, 전해질막(14)과, 후술할 수소 공급 장치(20)에 의해 공급된 수소의 산화 반응이 진행되어 수소 이온 및 전자가 생성되는 애노드(16)와, 애노드(16)로부터 각각 이동된 수소 이온 및 전자와 후술할 공기 공급 장치(40)에 의해 공급된 공기 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어 전기 에너지와 생성수가 생성되는 캐소드(18) 등을 가질 수 있다. 이하에서는, 모든 단위 셀들(12)에 포함된 전해질막들(14)을 통칭하여 전해질막(14)으로 명명하고, 모든 단위 셀들(12)에 포함된 애노드들(16)을 통칭하여 애노드(16)라고 명명하고, 모든 단위 셀들(12)에 포함된 애노드들(16)을 통칭하여 캐소드(18)라고 명명하기로 한다.
이러한 연료전지 스택(10)은 레지스턴스 성분과 리액턴스 성분을 갖는 등가 회로로 모식화될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 전해질막(14)은 레지스턴스 성분(RM)으로 모식화될 수 있고, 애노드(16)는 병렬로 연결된 레지스턴스 성분(RA)과 커패시턴스 성분(CA)으로 모식화될 수 있고, 캐소드(18)는 병렬로 연결된 레지스턴스 성분(RC)과 커패시턴스 성분(CC)으로 모식화될 수 있다. 이러한 연료전지 스택(10)의 등가 회로에 의하면, 아래의 수학식 1 내지 수학식 4와 같이, 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)는, 전해질막 임피던스(ZM)와, 애노드 임피던스(ZA)와, 캐소드 임피던스(ZC)를 합산하여 산출할 수 있다.
Figure 112017106195217-pat00001
Figure 112017106195217-pat00002
Figure 112017106195217-pat00003
Figure 112017106195217-pat00004
또한, 연료전지 스택(10)의 등가 회로에 의하면, 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)는 연료전지 스택(10)에 인가되는 교류 신호의 주파수에 따라 가변된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)에 인가되는 교류 신호의 주파수를 가변하여 주파수 성분들 별로 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)를 개별적으로 각각 산출함으로써, 연료전지 스택(10)의 등가회로 임피던스 곡선(IC)을 도출할 수 있다.
다음으로, 수소 공급 장치(20)는 수소가 저장되는 수소 탱크(22)를 구비할 수 있다. 이러한 수소 탱크(22)는, 수소 공급 라인(90)을 통해 연료전지 스택(10)과 연결됨으로써, 애노드(16)에 수소를 공급할 수 있다. 이처럼 애노드(16)에 공급된 수소 중 전기 생성 반응에 참여한 수소를 제외한 잔여 수소는, 수소 재순환 라인(100)을 통해 수소 공급 라인(90)으로 안내되어 애노드(16)에 재공급될 수 있다. 수소 재순환 라인(100)에는 수소 재순환 라인(100)을 유동하는 수소를 수소 공급 라인(90)을 향해 펌핑 가능한 재순환 펌프(110)가 설치될 수 있다.
다음으로, 수소 공급 밸브(30)는, 수소 공급 라인(90)에 설치되며, 개도 조절을 통해 애노드(16)에 공급되는 수소의 유량을 조절할 수 있다.
다음으로, 공기 공급 장치(40)는, 대기 중의 공기를 흡입하여 압축 가능한 공기 압축기(42)를 구비할 수 있다. 이러한 공기 압축기(42)는, 공기 공급 라인(120)을 통해 캐소드(18)와 연결됨으로써, 캐소드(18)에 공기를 공급할 수 있다. 이처럼 캐소드(18)에 공급된 공기 중 전기 생성 반응에 참여한 산소를 제외한 잔여 공기는, 공기 배출 라인(130)을 따라 외부로 배출될 수 있다.
다음으로, 공기 공급 밸브(50)는, 공기 공급 라인(120)에 설치되며, 개도 조절을 통해 캐소드(18)에 공급되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
다음으로, 퍼지 밸브(60)는, 수소 재순환 라인(100)을 통과하는 수소를 외부로 배출 가능하도록 마련된다. 이를 위하여, 수소 재순환 라인(100)은 수소 퍼지 라인(140)에 의해 공기 배출 라인(130)과 연결되며, 퍼지 밸브(60)는 이러한 수소 퍼지 라인(140)에 설치된다. 이러한 퍼지 밸브(60)는, 미리 정해진 퍼지 조건이 만족된 경우에 선택적으로 개방될 수 있다. 퍼지 조건은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 퍼지 조건은, 애노드(16)의 수소 농도가 미리 정해진 기준 농도 이하인지 여부일 수 있다. 이러한 퍼지 밸브(60)가 개방된 경우에, 수소 재순환 라인(100)을 유동하는 수소 및 기타 가스는 수소 퍼지 라인(140)을 통해 공기 배출 라인(130)으로 전달된 후 공기 배출 라인(130)을 유동하는 공기와 함께 외부로 배출될 수 있다.
다음으로, 공기 배출 밸브(70)는, 공기 배출 라인(130)에 설치되며, 개도 조절을 통해 공기 배출 라인(130)을 유동하는 공기, 수소 및 기타 가스의 배출량 및 캐소드(18)의 압력을 조절할 수 있다.
다음으로, 제어기(80)는, 연료전지 시스템(1)에 포함된 각종 구성 요소들의 구동을 제어 가능하도록 마련된다.
도 1을 참조하면, 이러한 연료전지 시스템(1)은, 배터리(150)와, DC/DC 컨버터(160)와, 전압계(170)와, 전류계(180)와, 임피던스 측정부(190) 등을 더 포함할 수 있다.
배터리(150)는 충방전이 가능한 2차 전지로 구성된다. 이러한 배터리(150)로서 사용 가능한 2차 전지의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 배터리(150)는 니켈 수소 전지일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리(150)는, 연료전지 스택(10)과 병렬로 연결되도록, 연료전지 스택(10)의 방전 경로에 삽입될 수 있다. 배터리(150)에는, 연료전지 스택(10)의 출력 전력의 잉여분 및 모터(200)의 회생 전력 등이 충전될 수 있다. 이러한 배터리(150)의 출력 전력은, 필요에 따라 보조 기계류, 모터(200) 등에 공급될 수 있다.
DC/DC 컨버터(160)는 연료전지 스택(10)의 출력단에 병렬로 접속된다. DC/DC 컨버터(160)는, 연료전지 스택(10)의 출력 전력을 DC/DC 컨버팅하여 배터리(150)에 충전 전력으로서 공급할 수 있고, 배터리(150)의 출력 전력을 DC/DC 컨버팅하여 보조 기계류, 모터(200) 등에 공급할 수 있다. 또한, DC/DC 컨버터(160)는, 회생 제동 시 모터(200)에서 발생되는 회생 전력을 DC/DC 컨버팅하여 배터리(150)에 충전 전력으로서 공급할 수 있다. 한편, 이러한 DC/DC 컨버터(160)와 모터(200) 사이에는, DC/DC 컨버터(160)로부터 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 DC/AC 컨버팅하여 모터(200)에 전달하거나 모터(200)로부터 공급된 3상 교류 전력을 직류 전력으로 AC/DC 컨버팅하여 DC/DC 컨버터(160)에 전달하는 인버터(210)가 설치될 수 있다.
전압계(170)는 연료전지 스택(10)의 출력 전압을 검출하여 제어기(80)에 전달할 수 있고, 전류계(180)는 연료전지 스택(10)의 출력 전류를 검출하여 제어기(80)에 전달할 수 있다. 전압계(170) 및 전류계(180)는 연료전지 시스템에 일반적으로 적용되는 전압계 및 전류계와 동일한 구조를 가지므로, 전압계(170) 및 전류계(180)에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
임피던스 측정부(190)는 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)를 측정 가능하도록 마련된다. 예를 들어, 임피던스 측정부(190)는, 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가한 후, 전압계(170)와 전류계(180)에 의해 검출된 연료전지 스택(10)의 출력 전압과 출력 전류로부터 교류 신호의 주파수 성분에 대응한 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)를 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택(10)의 상태 진단 방법은, 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여, 교류 신호의 주파수 성분에 대응한 연료전지 스택(10)의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스(ZM)와, 애노드 임피던스(ZA)와, 캐소드 임피던스(ZC)를 각각 산출하는 단계(S 10); 전해질막 임피던스(ZM)와, 애노드 임피던스(ZA)와, 캐소드 임피던스(ZC)를 기준으로 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단하는 단계(S 20); 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태와 연료전지 스택(10)의 목표 상태를 비교하는 단계(S 30); 및 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태와 목표 상태가 상이한 경우에, 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태가 목표 상태로 조절되도록, 연료전지 스택(10)이 적용된 연료전지 시스템(1)을 제어하는 단계(S 40) 등을 포함할 수 있다.
도 6은 연료전지 스택에 인가되는 교류 신호의 주파수와 캐소드 임피던스의 상관 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, S 10 단계는, 미리 정해진 제1 주파수(ω1)를 갖는 제1 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여 전해질막 임피던스(ZM)를 측정하는 단계(S 12)와, 제1 주파수(ω1)에 비해 낮은 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여 애노드 임피던스(ZA)를 측정하는 단계(S 14)와, 제2 주파수(ω2)에 비해 낮은 제3 주파수(ω3)를 갖는 제3 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여 캐소드 임피던스(ZC)를 측정하는 단계(S 16)를 포함할 수 있다.
S 12 단계는, 제1 주파수(ω1)를 갖는 제1 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가한 상태에서 연료전지 스택(10)의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정함과 함께, 제1 출력 전압과 제1 출력 전류로부터 도출된 연료전지 스택(10)의 제1 임피던스(ZS1)를 전해질막 임피던스(ZM)로 설정하여 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전해질막(14)은 레지스턴스 성분(RM)만으로 구성되고, 애노드(16)와 캐소드(18)는 각각 서로 병렬로 연결된 레지스턴스 성분(RA, RC)과 커패시턴스 성분(CA, CC)으로 구성된다. 이로 인해, 연료전지 스택(10)에 인가되는 교류 신호의 현저히 주파수가 높아지면, 애노드 임피던스(ZA)와 캐소드 임피던스(ZC)가 0 mΩ㎠에 근사하도록 낮아짐으로써, 전해질막 임피던스(ZM)가 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)의 대부분을 차지하게 된다. 도 4를 참조하면, 연료전지 스택(10)에 인가되는 교류 신호의 주파수가 상승하는 경우에, 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)는 등가회로 임피던스 곡선(IC)을 따라 나이퀴스트 플롯의 좌측 영역으로 이동하면서 대체적으로 감소하는 양상을 보이며, 종국에는 전해질막(14)의 레지스턴스 성분(RM) 성분만이 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)에 남게 된다.
이러한 원리를 이용하여, 제1 주파수(ω1)는 연료전지 스택(10)의 제1 임피던스(ZS1)에서 애노드 임피던스(ZA)와 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해질 수 있다. 즉, 제1 주파수(ω1)는, 애노드 임피던스(ZA)와 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠이 되도록 정해는 것이다. 예를 들어, 제1 주파수(ω1)는 3 ㎪일 수 있다. 이처럼 제1 주파수(ω1)를 정하면, 수학식 5와 같이, 연료전지 스택(10)의 제1 임피던스(ZS1)와 전해질막 임피던스(ZM)가 실질적으로 동일해질 수 있다.
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이러한 제1 주파수(ω1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장될 수 있다. 따라서, S 12 단계의 수행 시, 제어기(80)는 제1 주파수(ω1)의 제1 교류 신호가 연료전지 스택(10)에 인가되도록 임피던스 측정부(190)를 제어한다. 그러면, 임피던스 측정부(190)는, 전압계(170)와 전류계(180)에 의해 검출된 연료전지 스택(10)의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류로부터 연료전지 스택(10)의 제1 임피던스(ZS1)를 도출한 후, 연료전지 스택(10)의 제1 임피던스(ZS1)를 전해질막 임피던스(ZM)로 설정할 수 있다. 이하에서는, 이처럼 S 12 단계에서 도출한 전해질막 임피던스(ZM)를 'HFR'이라고 명명하기로 한다.
S 14 단계는, 제1 주파수(ω1)에 비해 낮은 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가한 상태에서 연료전지 스택(10)의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류를 측정함과 함께, 연료전지 스택(10)의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류로부터 도출된 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)로부터 S 12 단계에서 도출된 전해질막 임피던스(HFR)를 감산하여 산출한 임피던스 값을 애노드 임피던스(ZA)로 설정하여 수행할 수 있다.
일반적으로, 캐소드 임피던스(ZC)는 캐소드(18)에 공급되는 공기에 포함된 산소의 농도가 낮아질 수록 높아진다. 도 6에 도시된 그래프는, 이러한 캐소드 임피던스(ZC)와 산소의 농도의 상관 관계를 고려하여 실시한 실험 결과이다. 이러한 도 6에 도시된 그래프는, 캐소드(18)에 대기 중의 공기를 정상적으로 공급한 상태에서 서로 상이한 주파수를 갖는 교류 신호들을 연료전지 스택(10)에 각각 인가하여 개별적으로 측정한 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)의 결과 값들과, 캐소드(18)에 대기 중의 공기 80%와 질소 15%가 혼합된 혼합 기체를 공급한 상태에서 상기 서로 상이한 주파수를 갖는 교류 신호들을 연료전지 스택(10)에 각각 인가하여 개별적으로 측정한 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)의 결과 값들을 나타낸다. 상기 교류 신호들은, 30 ㎐, 50 ㎐, 70 ㎐, 100 ㎐, 150 ㎐들 중 어느 하나의 주파수를 각각 가질 수 있다. 도 6에 도시된 그래프의 가로 축은 연료전지 스택(10)에 인가되는 교류 신호의 전류 밀도를 나타내고, 도 6에 도시된 그래프의 세로 축은 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)를 나타낸다.
혼합 기체는 대기 중의 공기 85%와 질소 15가 혼합된 기체이므로, 혼합 기체의 산소 농도는 대기 중의 공기의 산소 농도에 비해 낮다. 이로 인해, 혼합 기체를 캐소드(18)에 공급한 경우의 캐소드 임피던스(ZC)는 대기 중의 공기를 캐소드(18)에 공급한 경우의 캐소드 임피던스(ZC)에 비해 높은 값을 갖는다. 그런데, 도 6에 도시된 바와 같이, 교류 신호의 주파수가 높아질수록, 캐소드(18)에 공기만을 공급한 상태에서 측정한 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)와, 캐소드(18)에 혼합 기체를 공급한 상태에서 측정한 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS) 간의 차이가 현저히 작아진다. 이러한 측정 결과에 의하면, 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)에서 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율은, 교류 신호의 주파수가 높아질수록, 현저히 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 이러한 측정 결과에 의하면, 도 4에 도시된 등가회로 임피던스 곡선(IC)에 있어서, 교류 신호의 주파수가 상대적으로 낮은 우측 곡선 구간(ICR)에서는 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS) 중 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 높고, 교류 신호의 주파수가 상대적으로 높은 좌측 곡선 구간(ICL)에서는 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS) 중 애노드 임피던스(ZA)가 차지하는 비율이 높음을 알 수 있다. 이에, 교류 신호의 주파수가 소정치 이상만큼 높아지면, 캐소드 임피던스(ZC)는 0 mΩ㎠에 근사하도록 낮아지고, 전해질막 임피던스(ZM)와 애노드 임피던스(ZA)가 연료전지 스택(10)의 임피던스(ZS)의 대부분을 차지하게 된다.
이러한 원리를 이용하여, 제2 주파수(ω2)는 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)에서 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해질 수 있다. 이를 고려하여, 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠이 되는 주파수들 중 최소치의 주파수가 제2 주파수(ω2)로 정해지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 주파수(ω2)는 200 ㎐일 수 있다. 이처럼 제2 주파수(ω2)를 정하면, 수학식 6 및 7과 같이, 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)로부터 S 12 단계에서 도출된 전해질막 임피던스(HFR)를 감산하여 산출한 임피던스 값이 애노드 임피던스(ZA)와 실질적으로 동일해 질 수 있다.
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이러한 제2 주파수(ω2)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장될 수 있다. 따라서, S 14 단계의 수행 시, 제어기(80)는 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호가 연료전지 스택(10)에 인가되도록 임피던스 측정부(190)를 제어한다. 그러면, 임피던스 측정부(190)는, 전압계(170)와 전류계(180)에 의해 검출된 연료전지 스택(10)의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류로부터 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)를 도출한 후, 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)로부터 S 12 단계에서 도출한 전해질막 임피던스(HFR)를 감산하여 산출한 임피던스 값을 애노드 임피던스(ZA)로 설정할 수 있다. 이하에서는, 이처럼 S 14 단계에서 도출한 애노드 임피던스(ZA)를 'MFR'이라고 명명하기로 한다.
S 16 단계는, 제2 주파수(ω2)에 비해 낮은 제3 주파수(ω3)를 갖는 제3 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가한 상태에서 연료전지 스택(10)의 제3 출력 전압과 제3 출력 전류를 측정함과 함께, 제3 출력 전압과 제3 출력 전류로부터 도출된 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)로부터 S 12 단계에서 도출된 전해질막 임피던스(HFR)와 S 14 단계에서 도출된 애노드 임피던스(MFR)를 감산하여 산출한 임피던스 값을 캐소드 임피던스(ZC)로 설정하여 수행할 수 있다.
제3 주파수(ω3)는 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)에서 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 이상이 되도록 정해질 수 있다. 이를 고려하여, 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)에서 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 최대치가 되는 주파수가 제3 주파수(ω3)로 정해지는 것이 바람직하다. 이처럼 제3 주파수(ω3)를 정하면, 아래의 수학식 8 및 9와 같이, 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)로부터 S 12 단계에서 도출된 전해질막 임피던스(HFR)와 S 14 단계에서 도출된 애노드 임피던스(MFR)를 감산하여 산출한 임피던스 값이 캐소드 임피던스(ZC)와 실질적으로 동일해 질 수 있다.
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이러한 제3 주파수(ω3)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장될 수 있다. 따라서, S 16 단계의 수행 시, 제어기(80)는 제3 주파수(ω3)를 갖는 제3 교류 신호가 연료전지 스택(10)에 인가되도록 임피던스 측정부(190)를 제어한다. 그러면, 임피던스 측정부(190)는, 전압계(170)와 전류계(180)에 의해 검출된 연료전지 스택(10)의 제3 출력 전압과 제3 출력 전류로부터 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)를 도출한 후, 연료전지 스택(10)의 제3 임피던스(ZS3)로부터 S 12 단계에서 도출된 전해질막 임피던스(HFR)와 S 14 단계에서 도출된 애노드 임피던스(MFR)를 감산하여 산출 값을 캐소드 임피던스(ZC)로 설정할 수 이다. 이하에서는, 이처럼 S 16 단계에서 도출한 캐소드 임피던스(ZC)를 'LFR'이라고 명명하기로 한다.
도 7은 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 8은 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 유형 별로 분류한 분류도이다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, S 20 단계는, 전해질막 임피던스(HFR)가 미리 정해진 기준 전해질막 임피던스(HFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(S 21)와, 전해질막 임피던스(HFR)가 기준 전해질막 임피던스(HFR1)를 초과하는 경우에, 연료전지 스택(10)이 건조 상태라고 판단하는 단계(S 23)와, 전해질막 임피던스(HFR)가 기준 전해질막 임피던스(HFR1) 이하인 경우에, 애노드 임피던스(MFR)와 캐소드 임피던스(LFR)를 합산하여 산출한 합산 임피던스(MFR+LFR)가 미리 정해진 합산 임피던스(RT)를 초과하는지 판단하는 단계(S 25)와, 합산 임피던스(MFR+LFR)가 기준 합산 임피던스(RT)를 초과하는 경우에, 연료전지 스택(10)이 습윤 상태라고 판단하는 단계(S 27)와, 합산 임피던스(MFR+LFR)가 기준 합산 임피던스(RT) 이하인 경우에, 연료전지 스택(10)이 정상 상태라고 판단하는 단계(S 29) 등을 포함할 수 있다.
도 8에는 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태가 유형 별로 분류되어 있다. 이하에서는, 전해질막 임피던스(HFR), 애노드 임피던스(MFR) 및 캐소드 임피던스(LFR)의 분석을 통해 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 유형 별로 분류하는 방법을 설명하기로 한다.
S 21 단계는, 제어기(80)를 통해 전해질막 임피던스(HFR)와 기준 전해질막 임피던스(HFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 전해질막 임피던스(HFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 전해질막 임피던스(HFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 전해질막 임피던스(HFR1)는 70 mΩ㎠ 일 수 있다.
도 9는 연료전지 스택이 건조 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도이다.
S 23 단계는, S 21 단계에서 전해질막 임피던스(HFR)가 기준 전해질막 임피던스(HFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 연료전지 스택(10)이 건조 상태(Dry state)라고 진단하여 수행할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 건조 상태란, 연료전지 스택(10)의 함수량이 적정 수준에 비해 적은 상태를 말한다.
또한, 이러한 S 23 단계에서는, 전해질막(14), 애노드(16) 및 캐소드(18) 각각의 수분 함유 상태를 개별적으로 진단하기 위해, 캐소드 임피던스(LFR)가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지와, 애노드 임피던스(MFR)가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지를 추가적으로 더 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, S 23 단계는, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(23a)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(23b)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하인 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(23c)등을 포함할 수 있다.
S 23a 단계는, 제어기(80)를 통해 캐소드 임피던스(LFR)와 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 90 mΩ㎠ 일 수 있다.
S 23b 단계는, S 23a 단계에서 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 30 mΩ㎠ 일 수 있다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 23b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 건조 상태(Dry-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 건조 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 23d). 도 9(a)를 참조하면, 애노드(16)와 캐소드(18)의 균등 건조 상태란, 애노드(16)와 캐소드(18)의 함수량 레벨이 서로 균등하도록, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등하게 건조한 상태임을 말한다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 23b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 캐소드(18)가 과건조 상태(Dry-Cathode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 건조 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 23e). 도 9(b)를 참조하면, 캐소드(18)의 과건조 상태란, 캐소드(18)의 함수량 레벨이 애노드(16)의 함수량 레벨에 비해 더 낮도록, 캐소드(18)가 애노드(16)에 비해 더 건조한 상태임을 말한다.
S 23c 단계는, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하라고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 이 때, S 23c 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 S 23b 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)와 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 23c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 애노드(16)가 과건조 상태(Dry-Anode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 건조 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 23f). 도 9(c)를 참조하면, 애노드(16)의 과건조 상태란, 애노드(16)의 함수량 레벨이 캐소드(18)의 함수량 레벨에 비해 더 낮도록, 애노드(16)가 캐소드(18)에 비해 더 건조한 상태임을 말한다.
도 8을 참조하면, S 23c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 제어기(80)는 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 건조 상태(Dry-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 건조 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다.
S 25 단계는, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 캐소드 임피던스(LFR)의 합산 임피던스(MFR+LFR)와 기준 합산 임피던스(RT)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 합산 임피던스(RT)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 합산 임피던스(RT)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 합산 임피던스(RT)는 120 mΩ㎠ 일 수 있다.
도 10은 연료전지 스택(10)이 습윤 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도이다.
S 27 단계는, S 25 단계에서 합산 임피던스(MFR+LFR)가 기준 합산 임피던스(RT)를 초과한다고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 연료전지 스택(10)이 습윤 상태(Flood state)라고 진단하여 수행할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 습윤 상태란, 연료전지 스택(10)의 함수량이 적정 수준에 비해 많은 상태를 말한다.
또한, 이러한 S 27 단계에서는, 전해질막(14), 애노드(16) 및 캐소드(18) 각각의 수분 함유 상태를 개별적으로 진단하기 위해, 캐소드 임피던스(LFR)가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지와, 애노드 임피던스(MFR)가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지를 추가적으로 더 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, S 27 단계는, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(27a)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(27b)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하인 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(27c)등을 포함할 수 있다.
S 27a 단계는, 제어기(80)를 통해 캐소드 임피던스(LFR)와 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 90 mΩ㎠ 일 수 있다.
S 27b 단계는, S 27a 단계에서 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 30 mΩ㎠ 일 수 있다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 27b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 습윤 상태(Flood-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 습윤 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다. 도 10(a)를 참조하면, 애노드(16)와 캐소드(18)의 균등 습윤 상태란, 애노드(16)와 캐소드(18)의 함수량 레벨이 서로 균등하도록, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등하게 습윤한 상태임을 말한다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 27b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 애노드(16)가 과습윤 상태(Flood-Anode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 습윤 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 27d). 도 10(b)를 참조하면, 애노드(16)의 과습윤 상태란, 애노드(16)의 함수량 레벨이 캐소드(18)의 함수량 레벨에 비해 더 높도록, 애노드(16)가 캐소드(18)에 비해 더 습윤한 상태임을 말한다.
S 27c 단계는, S 27a 단계에서 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하라고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 이 때, S 27c 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 S 27b 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)와 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 27c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 캐소드(18)가 과습윤 상태(Flood-Cathode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 습윤 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 27f). 도 10(c)를 참조하면, 캐소드(18)의 과습윤 상태란, 캐소드(18)의 함수량 레벨이 애노드(16)의 함수량 레벨에 비해 더 높도록, 캐소드(18)가 애노드(16)에 비해 더 습윤한 상태임을 말한다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 27c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 습윤 상태(Flood-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 습윤 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다(S 27d).
도 11은 연료전지 스택이 정상 상태인 경우에 연료전지 스택의 각 부분에 수분이 분포된 양상을 나타내는 개념도이다.
S 29 단계는, S 25 단계에서 합산 임피던스(MFR+LFR)가 기준 합산 임피던스(RT) 이하라고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 연료전지 스택(10)이 정상 상태(Optimal state)라고 진단하여 수행할 수 있다. 연료전지 스택(10)의 정상 상태란, 연료전지 스택(10)의 함수량이 적정 수준인 상태를 말한다.
또한, 이러한 S 29 단계에서는, 전해질막(14), 애노드(16) 및 캐소드(18) 각각의 수분 함유 상태를 개별적으로 진단하기 위해, 캐소드 임피던스(LFR)가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지와, 애노드 임피던스(MFR)가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지를 추가적으로 더 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, S 29 단계는, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(29a)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과하는 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(29b)와, 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하인 경우에, 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과하는지 판단하는 단계(29c)등을 포함할 수 있다.
S 29a 단계는, 제어기(80)를 통해 캐소드 임피던스(LFR)와 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 캐소드 임피던스(LFR1)는 90 mΩ㎠ 일 수 있다.
S 29b 단계는, S 29a 단계에서 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 30 mΩ㎠ 일 수 있다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 29b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 정상 상태(Optimal-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 정상 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다. 도 11(a)를 참조하면, 애노드(16)와 캐소드(18)의 균등 정상 상태란, 애노드(16)와 캐소드(18)의 함수량 레벨이 서로 균등하도록, 애노드(16)와 캐소드(18)의 함수량이 적정 수준인 상태를 말한다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 29b 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 애노드(16)가 습윤 상태(Opitimal-Anode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 정상 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다. 도 11(b)를 참조하면, 애노드(16)의 습윤 상태란, 애노드(16)의 함수량 레벨이 캐소드(18)의 함수량 레벨에 비해 더 높도록, 애노드(16)가 캐소드(18)에 비해 더 습윤한 상태임을 말한다.
S 29c 단계는, S 29a 단계에서 캐소드 임피던스(LFR)가 기준 캐소드 임피던스(LFR1) 이하라고 판단된 경우에, 제어기(80)를 통해 애노드 임피던스(MFR)와 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 비교하여 수행할 수 있다. 이 때, S 29c 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)는 S 29b 단계에서의 기준 애노드 임피던스(MFR1)와 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 29c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1)를 초과한다고 판단된 경우에, 캐소드(18)가 습윤 상태(Optimal-Cathode Bias)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 정상 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다. 도 11(c)를 참조하면, 캐소드(18)의 습윤 상태란, 캐소드(18)의 함수량 레벨이 애노드(16)의 함수량 레벨에 비해 더 높도록, 캐소드(18)가 애노드(16)에 비해 더 습윤한 상태임을 말한다.
도 8을 참조하면, 제어기(80)는, S 29c 단계에서 애노드 임피던스(MFR)가 기준 애노드 임피던스(MFR1) 이하라고 판단된 경우에, 애노드(16)와 캐소드(18)가 균등 정상 상태(Opitimal-Flat)라고 전술한 연료전지 스택(10)의 정상 상태의 세부 유형을 진단할 수 있다.
S 30 단계는, 제어기(80)를 통해 S 20 단계에서 진단된 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태와 연료전지 스택(10)의 미리 정해진 목표 상태를 비교하여 수행할 수 있다.
연료전지 스택(10)의 목표 상태는 특별히 한정되지 않으며, 연료전지 시스템(1)의 현재 구동 양상에 적합한 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태가 연료전지 스택(10)의 목표 상태로 정해질 수 있다.
예를 들어, 연료전지 시스템(1)이 구동 중인 경우에, 연료전지 스택(10)의 목표 상태는 연료전지 스택(10)의 함수량이 연료전지 시스템(1)의 구동에 적정한 수준의 조절 가능하도록 정해질 수 있다. 그러면, 반응 가스의 이동이 제한되거나, 수소와 산소의 반응 손실이 증가하거나, 전해질막(14)이 손상되는 등과 같은 연료전지 스택(10)의 건조 상태 또는 습윤 상태로 인한 이상 현상의 발생을 방지함으로써, 연료전지 스택(10)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 연료전지 시스템(1)의 구동을 종료 중인 경우에, 연료전지 스택(10)의 목표 상태는 연료전지 스택(10)의 함수량을 줄여 연료전지 스택(10)을 건조하게 만들 수 있도록 정해질 수 있다. 그러면, 연료전지 시스템(1)의 냉 시동 시, 연료전지 스택(10)에 함유된 수분으로 인해 연료전지 시스템(1)의 냉 시동성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 연료전지 스택(10)의 목표 상태는 제어기(80)의 저장 장치에 미리 저장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어기(80)는 이처럼 정해진 연료전지 스택(10)의 목표 상태를 S 20 단계에서 진단된 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태와 비교할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(10)의 목표 상태와 S 20 단계에서 진단된 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태가 동일하면 전술한 S 10 단계를 재수행할 수 있고, 연료전지 스택(10)의 목표 상태와 S 20 단계에서 진단된 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태가 상이하면 후술할 S 40 단계를 수행할 수 있다.
S 40 단계는, 연료전지 스택(10)이 목표 상태로 조절되도록, 제어기(80)를 통해 연료전지 시스템(1)을 제어하여 수행할 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 전술한 정상 상태가 연료전지 스택(10)의 목표 상태로 정해진 경우를 예로 들어, 연료전지 스택(10)을 목표 상태로 조절하는 방법을 설명하기로 한다.
연료전지 스택(10)은 건조 상태이고 애노드(16)는 과건조 상태인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 출력 전압의 손실이 증가하거나, 라디칼 생성 반응으로 인해 단위 셀들(12)의 촉매층이 손상되는 등의 이상 현상이 발생할 수 있다. 이 경우에, 연료전지 스택(10)의 건조 상태는, 애노드(16)의 과건조 상태로 인해 야기되었을 개연성이 높다. 따라서, 제어기(80)는, 연료전지 스택(10)은 건조 상태이고 애노드(16)는 과건조 상태라고 진단된 경우에, 애노드(16)에 수소를 공급하는 양상을 조절하여 애노드(16)의 과건조 상태를 해소하는 방법을 통해, 연료전지 스택(10)을 정상 상태로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(80)는, 수소 공급 장치(20), 수소 공급 밸브(30), 퍼지 밸브(60) 등의 구동을 제어하여, 애노드(16)에 공급되는 수소의 유량을 감소시키거나, 애노드(16)의 압력을 증가시키거나, 애노드(16)의 함수량을 증가시킬 수 있다.
연료전지 스택(10)은 건조 상태이고 캐소드(18)는 과건조 상태인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 출력 전압의 손실이 증가하거나, 라디칼 생성 반응으로 인해 촉매층이 손상되는 등의 이상 현상이 발생할 수 있다. 이 경우에, 연료전지 스택(10)의 건조 상태는, 캐소드(18)의 과건조 상태로 인해 야기되었을 개연성이 높다. 따라서, 제어기(80)는, 연료전지 스택(10)은 건조 상태이고 캐소드(18)는 과건조 상태라고 진단된 경우에, 캐소드(18)에 공기를 공급하는 양상의 조절하여 캐소드(18)의 과건조 상태를 해소하는 방법을 통해, 연료전지 스택(10)을 정상 상태로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(80)는, 공기 공급 장치(40), 공기 공급 밸브(50), 공기 배출 밸브(70) 등의 구동을 제어하여, 캐소드(18)에 공급되는 공기의 유량을 감소시키거나, 캐소드(18)의 압력을 증가시키거나, 캐소드(18)의 함수량을 증가시킬 수 있다.
연료전지 스택(10)은 습윤 상태이고 애노드(16)는 과습윤 상태인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 출력 전압의 손실이 증가하거나, Carbon Corrosion 반응으로 인해 단위 셀들(12)의 촉매층이 손상되는 등의 이상 현상이 발생할 수 있다. 이 경우에, 연료전지 스택(10)의 습윤 상태는, 애노드(16)의 과습윤 상태로 인해 야기되었을 개연성이 높다. 따라서, 제어기(80)는, 연료전지 스택(10)은 습윤 상태이고 애노드(16)는 과습윤 상태라고 진단된 경우에, 애노드(16)에 수소를 공급하는 양상을 조절하여 애노드(16)의 과습윤 상태를 해소하는 방법을 통해, 연료전지 스택(10)을 정상 상태로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(80)는, 수소 공급 장치(20), 수소 공급 밸브(30), 퍼지 밸브(60) 등의 구동을 제어하여, 애노드(16)에 공급되는 수소의 유량을 증가시키거나, 애노드(16)의 압력을 감소시키거나, 애노드(16)에 대한 퍼지를 실시하거나, 애노드(16)의 함수량을 감소시킬 수 있다.
연료전지 스택(10)은 습윤 상태이고 캐소드(18)는 과습윤 상태인 경우에는, 연료전지 스택(10)의 출력 전압의 손실이 증가하거나, Carbon Corrosion 반응으로 인해 단위 셀들(12)의 촉매층이 손상되는 등의 이상 형상이 발생할 수 있다. 이 경우에, 연료전지 스택(10)의 습윤 상태는, 캐소드(18)의 과습윤으로 인해 야기되었을 개연성이 높다. 따라서, 제어기(80)는, 연료전지 스택(10)은 습윤 상태이고 캐소드(18)는 과습윤 상태라고 진단된 경우에, 캐소드(18)에 공기를 공급하는 양상을 조절하여 캐소드(18)의 과습윤 상태를 해소하는 방법을 통해, 연료전지 스택(10)을 정상 상태로 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(80)는, 공기 공급 장치(40), 공기 공급 밸브(50), 공기 배출 밸브(70) 등의 구동을 제어하여, 캐소드(18)에 공급되는 공기의 유량을 증가시키거나, 캐소드(18)의 압력을 감소시키거나, 캐소드(18)의 함수량을 감소시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 애노드 임피던스(MFR)는, S 14 단계에서 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠이 되는 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여 산출할 수 있다. 그런데, 일반적으로, 캐소드(18)의 내구 상태는, 캐소드(18)의 열화와 같은 원인으로 인해 연료전지 스택(10)의 사용 기간이 경과됨에 따라 점진적으로 변화된다. 이로 인해, 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠이 되는 주파수는, 연료전지 스택(10)의 사용 기간이 경과에 따라 점진적으로 상승된다. 따라서, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단한 시점으로부터 장시간이 경과된 후 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 재 진단하는 경우에, 이전에 사용했던 제2 주파수(ω2)를 애노드 임피던스(MFR)의 측정에 그대로 사용하면 애노드 임피던스(MFR)의 측정 결과에 오류가 발생할 우려가 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태 진단 방법은, S 14 단계에서 도출된 연료전지 스택(10)의 제2 임피던스(ZS2)에서 캐소드 임피던스(ZC)가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 제2 주파수(ω2)를 조절하는 단계(S 50)를 더 포함할 수 있다. S 50 단계는 S 14 단계 이전에 실시하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
S 50 단계에서 제2 주파수(ω2)를 조절하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 도 12에 도시된 바와 같이, 예를 들어, S 50 단계는, 미리 정해진 주파수 조절 조건이 만족되는지 판단하는 단계(S 51)와, 주파수 조절 조건이 만족되는 경우에, 캐소드(18)에 미리 정해진 표준 유량의 공기를 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 미리 정해진 표준 압력으로 조절함과 동시에, 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여, 애노드 임피던스(R1)를 도출하는 단계(S 52)와, 캐소드(18)에 표준 유량에 비해 적은 유량의 공기를 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 표준 압력에 비해 낮은 압력으로 조절함과 동시에, 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호를 연료전지 스택(10)에 인가하여, 애노드 임피던스(R2)를 도출하는 단계(S 53)와, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)를 비교하는 단계(S 54)와, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)의 차이가 미리 정해진 기준 비율(α)을 초과하면 제2 주파수(ω2)를 미리 정해진 기준 값(△ω)만큼 상승시키는 단계(S 55)와, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 측정된 애노드 임피던스(R1)의 차이가 미리 정해진 기준 비율을 초과하면 제2 주파수(ω2)를 그대로 유지하는 단계(S 56)를 포함할 수 있다.
S 51 단계에 있어서, 주파수 조절 조건은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 주파수 조절 조건은, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단한 때에 비해 연료전지 스택(10)의 성능이 미리 정해진 기준 비율 이상만큼 하락된 경우이거나, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단한 이후에 연료전지 시스템(1)이 설치된 차량 기타 장치가 미리 정해진 기준 거리 이상만큼 주행한 경우인지 여부일 수 있다.
연료전지 스택(10)의 성능이 하락한 경우란, 동일한 구동 환경에서 연료전지 스택(10)의 출력 전압이 하락한 경우를 말한다. 기준 비율은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 비율은, 1 %일 수 있다.
기준 거리는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 거리는 5000 ㎞일 수 있다.
S 52 단계에서, 제어기(80)는, 미리 정해진 표준 유량의 공기가 캐소드(18)에 공급되거나 캐소드(18)의 압력의 미리 정해진 표준 압력으로 조절되도록 공기 공급 장치(40), 공기 공급 밸브(50) 및 공기 배출 밸브(70) 등의 구동을 제어함과 동시에, 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호가 연료전지 스택(10)에 인가되도록 임피던스 측정부(190)의 구동을 제어할 수 있다. 그러면, 임피던스 측정부(190)는, 이처럼 조절된 캐소드(18)의 환경 조건을 기준으로, 애노드 임피던스(R1)를 도출할 수 있다. S 52 단계에서 애노드 임피던스(R1)를 도출하는 방법은, 전술한 S 14 단계에서 애노드 임피던스(MFR)를 도출하는 방법과 동일하므로, 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
S 53 단계에서, 제어기(80)는, 표준 유량에 비해 미리 정해진 기준 비율만큼 하향된 유량의 공기가 캐소드(18)에 공급되거나, 캐소드(18)의 압력이 표준 압력에 비해 미리 정해진 기준 비율만큼 하향된 압력으로 조절되도록 공기 공급 장치(40), 공기 공급 밸브(50) 및 공기 배출 밸브(70) 등의 구동을 제어함과 동시에, 제2 주파수(ω2)를 갖는 제2 교류 신호가 연료전지 스택(10)에 인가되도록 임피던스 측정부(190)의 구동을 제어할 수 있다. 이 때, 제어기(80)는, S 52 단계에서 캐소드(18)에 표준 유량만큼 공기를 공급한 경우에, S 53 단계에서는 표준 유량에 비해 기준 비율만큼 하향된 유량의 공기를 캐소드(18)에 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 제어기(80)는, S 52 단계에서 캐소드(18)의 압력을 표준 압력으로 조절한 경우에, S 53 단계에서는 캐소드(18)의 압력을 표준 압력에 비해 기준 비율만큼 하향된 압력으로 조절하는 것이 바람직하다. 그러면, 임피던스 측정부(190)는, 이처럼 조절된 캐소드(18)의 환경 조건을 기준으로, 애노드 임피던스(R2)를 도출할 수 있다. S 53 단계에서 애노드 임피던스(R2)를 도출하는 방법은, 전술한 S 14 단계에서 애노드 임피던스(MFR)를 도출하는 방법과 동일하므로, 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
S 54 단계에서, 제어기(80)는 S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)를 비교할 수 있다.
애노드 임피던스(MFR)를 정확히 도출하기 위해서는, 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 Ω이 되는 주파수가 제2 주파수(ω2)로 정해져야 한다. 일반적으로, 캐소드(18)에 공급하는 공기의 유량을 하향시키거나 캐소드(18)의 압력을 하향시키면, 캐소드(18)에서 발생하는 환원 반응의 반응성이 저해된다. 그러므로, 표준 유량에 비해 기준 비율만큼 하향된 유량의 공기를 캐소드(18)에 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 표준 압력에 비해 기준 비율만큼 하향된 압력으로 조절하는 경우에는, 캐소드(18)에 표준 유량의 공기를 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 표준 압력으로 조절하는 경우에 비해, 캐소드 임피던스(ZC)는 소정의 비율만큼 높아진다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 캐소드(18)에 표준 유량의 공기를 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 표준 압력으로 조절하는 경우를 캐소드(18)에 표준 조건으로 공기를 공급하는 경우라고 명명하고, 표준 유량에 비해 기준 비율만큼 하향된 유량의 공기를 캐소드(18)에 공급하거나 캐소드(18)의 압력을 표준 압력에 비해 기준 비율만큼 하향된 압력으로 조절하는 경우를 캐소드(18)에 반응성 하향 조건으로 공기를 공급하는 경우라고 명명하기로 한다.
전술한 주파수 조절 조건이 만족된 경우에는, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 측정하였을 때에 비해 캐소드(18)의 열화 기타 원인으로 인해, 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠ 이 되는 주파수가 변경되었을 확률이 있다. 만약, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단한 이후에 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠ 이 되는 주파수가 변경되지 않았다면, 캐소드(18)에 표준 조건으로 공기를 공급하는 상태에서 도출한 애노드 임피던스(R1)와, 캐소드(18)에 반응성 하향 조건으로 공기를 공급하는 상태에서 도출한 애노드 임피던스(R2)는 서로 같은 값을 가져야 한다. 따라서, S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)와, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)의 비교 결과를 기준으로, 이전에 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 진단한 이후에 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠ 이 되는 주파수가 변경되었는지 여부를 판단할 수 있다.
S 55 단계에서, 제어기(80)는, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)의 차이가 미리 정해진 기준 비율을 초과하면, 제2 주파수(ω2)를 미리 정해진 기준 값만큼 상승시킬 수 있다. 즉, 제어기(80)는, 캐소드(18)의 열화 기타 원인으로 인해 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠ 이 되는 주파수가 변경되었다는 판단 하에, 제2 주파수(ω2)를 기준 값(△ω)만큼 상승시키는 것이다. 기준 값(△ω)은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 기준 값(△ω)은, 20 ㎐일 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이처럼 제2 주파수(ω2)를 조절한 이후에, S 52 단계와 S 53 단계를 재 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
S 56 단계에서, 제어기(80)는, S 53 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R2)와 S 52 단계에서 도출된 애노드 임피던스(R1)의 차이가 미리 정해진 기준 비율(△ω) 이하이면, 제2 주파수(ω2)를 그대로 유지할 수 있다. 즉, 제어기(80)는, 캐소드(18)의 열화 등 캐소드 임피던스(ZC)가 실질적으로 0 mΩ㎠ 이 되는 주파수를 변화시킬 수 있는 요인들이 발생하지 않았다는 판단 하에, 제2 주파수(ω2)를 그대로 유지시키는 것이다.
이러한 S 50 단계에 의하면, 캐소드(18)의 열화 기타 원인으로 인해 애노드 임피던스(MFR)의 측정 결과에 오류가 발생하는 것을 방지 가능하여, 연료전지 스택(10)의 수분 함유 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 연료전지 시스템
10 : 연료전지 스택
12 : 단위 셀
14 : 전해질막
16 : 애노드
18 : 캐소드
20 : 수소 공급 장치
22 : 수소 탱크
30 : 수소 공급 밸브
40 : 공기 공급 장치
42 : 공기 압축기
50 : 공기 공급 밸브
60 : 퍼지 밸브
70 : 공기 배출 밸브
80 : 제어기
90 : 수소 공급 라인
100 : 수소 재순환 라인
110 : 재순환 펌프
120 : 공기 공급 라인
130 : 공기 배출 라인
140 : 수소 퍼지 라인
150 : 배터리
160 : DC/DC 컨버터
170 : 전압계
180 : 전류계
190 : 임피던스 측정부
200 : 모터
210 : 인버터

Claims (20)

  1. (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및
    (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 (B) 단계는,
    (B1) 상기 전해질막 임피던스가 미리 정해진 기준 전해질막 임피던스를 초과하는지 판단하는 단계;
    (B2) 상기 전해질막 임피던스가 상기 기준 전해질막 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 연료전지 스택이 건조 상태라고 판단하는 단계;
    (B3) 상기 전해질막 임피던스가 상기 기준 전해질막 임피던스 이하인 경우에, 상기 애노드 임피던스와 상기 캐소드 임피던스를 합산하여 산출한 합산 임피던스가 미리 정해진 기준 합산 임피던스를 초과하는지 판단하는 단계; 및
    (B4) 상기 합산 임피던스가 상기 기준 합산 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 연료전지 스택이 습윤 상태라고 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 (A) 단계는,
    (A1) 미리 정해진 제1 주파수를 갖는 제1 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정하고, 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제1 임피던스를 상기 전해질막 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 주파수는, 상기 제1 임피던스에서 상기 애노드 임피던스와 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  2. 삭제
  3. (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및
    (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 (A) 단계는,
    (A1) 미리 정해진 제1 주파수를 갖는 제1 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정하고, 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제1 임피던스를 상기 전해질막 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 주파수는, 상기 제1 임피던스에서 상기 애노드 임피던스와 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 단계는,
    (A2) 상기 제1 주파수에 비해 낮은 제2 주파수를 갖는 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류를 측정하고, 상기 제2 출력 전압과 상기 제2 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제2 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 애노드 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  5. (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및
    (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 (A) 단계는,
    (A1) 미리 정해진 제1 주파수를 갖는 제1 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정하고, 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제1 임피던스를 상기 전해질막 임피던스로 설정하는 단계; 및
    (A2) 상기 제1 주파수에 비해 낮은 제2 주파수를 갖는 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류를 측정하고, 상기 제2 출력 전압과 상기 제2 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제2 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 애노드 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 주파수는, 상기 제2 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 미만이 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    (C) 상기 (A2) 단계 이전에 수행하며, 상기 제2 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 상기 기준 비율 미만이 되도록 상기 제2 주파수를 조절하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (C) 단계는,
    (C1) 캐소드에 미리 정해진 표준 유량의 공기를 공급하거나 상기 캐소드의 압력을 미리 정해진 표준 압력으로 조절함과 동시에 상기 제2 주파수를 갖는 상기 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가하여, 상기 애노드 임피던스를 측정하는 단계;
    (C2) 상기 캐소드에 상기 표준 유량에 비해 적은 유량의 공기를 공급하거나 상기 캐소드의 압력을 상기 표준 압력에 비해 낮은 압력으로 조절함과 동시에 상기 제2 주파수를 갖는 상기 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가하여, 상기 애노드 임피던스를 측정하는 단계; 및
    (C3) 상기 (C2) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스와 상기 (C1) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스의 차이가 미리 정해진 제2 기준 비율을 초과하면 상기 제2 주파수를 미리 정해진 기준 값만큼 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (C3) 단계는, 상기 (C2) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스와 상기 (C1) 단계에서 측정된 상기 애노드 임피던스의 차이가 상기 제2 기준 비율 이하이면 상기 제2 주파수를 그대로 유지하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  8. (A) 미리 정해진 주파수를 갖는 교류 신호를 연료전지 스택에 인가하여, 상기 교류 신호에 대응한 상기 연료전지 스택의 출력 전압과 출력 전류로부터 전해질막 임피던스와, 애노드 임피던스와, 캐소드 임피던스를 각각 산출하는 단계; 및
    (B) 상기 전해질막 임피던스와, 상기 애노드 임피던스와, 상기 캐소드 임피던스를 기준으로, 상기 연료전지 스택의 수분 함유 상태를 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 (A) 단계는,
    (A1) 미리 정해진 제1 주파수를 갖는 제1 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제1 출력 전압과 제1 출력 전류를 측정하고, 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제1 임피던스를 상기 전해질막 임피던스로 설정하는 단계;
    (A2) 상기 제1 주파수에 비해 낮은 제2 주파수를 갖는 제2 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제2 출력 전압과 제2 출력 전류를 측정하고, 상기 제2 출력 전압과 상기 제2 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제2 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 애노드 임피던스로 설정하는 단계; 및
    (A3) 상기 제2 주파수에 비해 낮은 제3 주파수를 갖는 제3 교류 신호를 상기 연료전지 스택에 인가한 상태에서 상기 연료전지 스택의 제3 출력 전압과 제3 출력 전류를 측정하고, 상기 제3 출력 전압과 상기 제3 출력 전류로부터 도출된 상기 연료전지 스택의 제3 임피던스로부터 상기 (A1) 단계에서 도출된 상기 전해질막 임피던스와 상기 (A2) 단계에서 도출된 상기 애노드 임피던스를 감산하여 산출한 임피던스 값을 상기 캐소드 임피던스로 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 주파수는, 상기 제3 임피던스에서 상기 캐소드 임피던스가 차지하는 비율이 미리 정해진 기준 비율 이상이 되도록 정해지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (B2) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스를 초과함과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스 이하인 경우에, 상기 애노드가 과건조 상태라고 판단하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    (D) 상기 애노드가 상기 과건조 상태인 경우에, 상기 애노드가 습윤해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (B2) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스 이하임과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스를 초과하는 경우에, 상기 캐소드가 과건조 상태라고 판단하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    (E) 상기 캐소드가 상기 과건조 상태인 경우에, 상기 캐소드가 습윤해 지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    (B5) 상기 합산 임피던스가 상기 기준 합산 임피던스 이하인 경우에, 상기 연료전지 스택이 정상 상태라고 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 (B4) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스를 초과함과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스 이하인 경우에, 캐소드가 과습윤 상태라고 판단하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    (F) 상기 캐소드가 상기 과습윤 상태인 경우에, 상기 캐소드가 건조해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 (B4) 단계는, 상기 애노드 임피던스가 미리 정해진 기준 애노드 임피던스 이하임과 동시에 상기 캐소드 임피던스가 미리 정해진 기준 캐소드 임피던스를 초과하는 경우에, 애노드가 과습윤 상태라고 판단하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    (G) 상기 애노드가 과습윤 상태인 경우에, 상기 애노드가 건조해지도록, 상기 연료전지 스택을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법.
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