KR20080012385A - 연료전지시스템 - Google Patents

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KR20080012385A
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시게타카 하마다
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 연료전지시스템은, 소정의 주파수 영역에서의 연료전지의 임피던스를 측정하기 위한 수단, 및 상기 소정의 주파수 영역에서의 임피던스의 측정을 토대로 상기 연료전지로 공급되는 가스량을 조정하기 위한 수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 연료전지의 임피던스는 소정의 주파수 영역(예컨대, 저주파수 영역)에서 측정된 후, 상기 연료전지로 공급되는 가스량(예컨대, 산화가스량)이 상기 임피던스의 측정을 토대로 조정된다. 소정의 주파수 영역에서의 연료전지의 임피던스는 연료공급상태에 따라 현저하게 상이하므로(도 2 참조), 임피던스의 측정을 토대로 연료전지로 공급되는 가스량을 조정함으로써 고효율성과 안정된 운전이 달성될 수 있다.

Description

연료전지시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 교류 임피던스 프로세스를 이용하여 임피던스를 측정하는 연료전지시스템에 관한 것이다.
연료전지시스템에는, 전해질층에 양성자 전도성을 갖는 고체중합체막을 포함하는 고체중합체타입의 연료전지가 탑재된다. 이러한 연료전지의 고체중합체막이 습윤 상태(wetted state)에 있으면, 상기 막이 높은 양성자 전도성을 나타내므로, 효율적인 발전을 위해서는 상기 고체중합체막을 습윤 상태로 유지시키는 것이 중요하게 된다. 이러한 고체중합체막을 습윤 상태로 유지하기 위하여, 연료전지의 캐소드측으로부터 배출될 산화오프가스(oxidizing off gas)와 연료전지의 캐소드측으로 공급될 산화가스간에 수증기투과막을 통해 물 교환을 행하는 물교환식 가습장치(이하, 간단히 "가습장치"라고 함)가 이용된다.
여기서, 연료전지의 내부 저항은 상기 연료전지 내의 전해질막의 습윤성에 영향을 미친다는 것을 알고 있다. 연료전지의 내부 수분량이 적고 전해질막이 건조되면(소위, 드라이-업), 상기 내부 저항이 증가하고, 상기 연료전지의 출력 전압이 강하된다. 다른 한편으로, 연료전지가 과도하게 많은 내부 수분량을 포함하면(소위, 플러딩), 상기 연료전지의 전극들이 수분량으로 커버되고, 상기 출력 전압이 강하된다.
이러한 연료전지를 효율적으로 운전하는 방법으로는, 상기 연료전지의 전지 전압이 모니터링되고, 상기 전지 전압의 측정값을 토대로 공급될 산화가스량이 제어되는 방법이 제안되어 있다(예컨대, 아래 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1] 일본특허출원공개공보 제2004-119139호
하지만, 연료전지의 내부 수분량의 변화는 전지 전압의 변동으로 느리게 조성된다. 그러므로, 전지 전압의 변동이 실제로 검출된 다음 산화가스량이 결정되면, 전해질막에 소정의 이상(드라이-업, 플러딩 등)이 발생할 수도 있어, 고효율 및 안정된 운전을 실현하는 것이 어렵게 되는 문제점이 있어 왔다.
본 발명은 상술된 사정의 관점에서 개발되었으며, 그 목적은 고효율이면서도 안정된 운전이 실현될 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이다.
상술된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템은, 소정의 주파수 영역에서의 연료전지의 임피던스를 측정하기 위한 측정수단; 및 상기 소정의 주파수 영역에서의 상기 임피던스의 측정값을 토대로 상기 연료전지로 공급될 가스량을 조정하기 위한 조정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 소정의 주파수 영역(예컨대, 저주파수 영역)에서의 연료전지의 임피던스가 측정되고, 상기 연료전지로 공급될 가스량(예컨대, 산화가스량)이 상기 임피던스의 측정값을 토대로 조정된다. 여기서, 소정의 주파수 영역에서의 연료전지의 임피던스는 연료공급상태에 따라 크게 상이하므로(도 2 참조), 상기 연료전지로 공급될 가스량이 이러한 임피던스의 측정값을 토대로 조정됨으로써, 고효율이면서 안정된 운전이 실현될 수 있게 된다.
여기서, 상술된 구성예는 상기 연료전지의 운전 상태를 토대로 상기 소정의 주파수 영역에서의 최적의 임피던스 적합값을 기억하기 위한 기억수단을 더 포함하여 이루어지고, 상기 조정수단은 상기 임피던스의 측정값을 상기 임피던스 적합값과 비교하여, 비교 결과를 토대로 상기 연료전지로 공급될 가스량을 조정하게 되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 연료전지의 전압 및 온도에 기초한 상기 소정의 주파수 영역에서의 최적의 임피던스 적합값이 상기 기억수단에 저장되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소정의 주파수 영역은 10 Hz 이하의 저주파수 영역인 것이 바람직하다. 또한, 상기 연료전지로 공급될 가스는 산화가스 또는 연료가스인 것이 바람직하다. 또한, 상기 시스템은 상기 연료전지의 방전 경로에 삽입된 전압변환장치를 더 포함하여 이루어지고, 상기 측정수단은 상기 전압변환장치의 출력목표전압에 임피던스 측정용 신호를 중첩시켜, 상기 전압변환장치를 통과한 임피던스 측정용 신호를 토대로 상기 연료전지의 임피던스를 측정하게 되는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 연료전지시스템의 고효율이면서도 안정된 운전이 실현될 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템의 구성을 도시한 도면;
도 2는 본 실시예에 따른 임피던스 측정 결과를 도시한 도면;
도 3은 본 실시예에 따른 제어유닛의 기능들의 설명도;
도 4는 본 실시예에 따른 최적임피던스맵을 예시한 도면; 및
도 5는 제2실시예에 따른 제어유닛의 기능들의 설명도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
A. 본 실시예
A-1. 전체 구성
도 1은 본 실시예에 따른 연료전지시스템(100)이 탑재된 차량의 개략적인 구성도이다. 후술하는 설명에서, 연료전지하이브리드자동차(FCHV)는 차량의 일 예시로 가정되지만, 본 실시예는 전기자동차와 하이브리드자동차에도 적용가능하다는 점에 유의한다. 본 실시예는 차량 뿐만 아니라 각종 이동체(예컨대, 보트, 비행기 등)에도 적용가능하다.
본 차량은 차륜(63L, 63R)에 연결된 동기모터(61)인 구동력원을 이용하여 움직인다. 상기 동기모터(61)의 동력원은 전원시스템(1)이다. 상기 전원시스템(1)으로부터 출력되는 직류가 인버터(60)에 의해 3상 교류로 변환되고, 상기 동기모터(61)로 공급된다. 상기 동기모터(61)는 제동 시 발전기로서의 기능을 할 수 있다.
상기 전원시스템(1)은 연료전지(40), 배터리(20), DC/DC 컨버터(30) 등으로 구성된다. 상기 연료전지(40)는 공급된 연료와 산화가스로부터 발전하기 위한 수단이고, MEA 등을 포함하는 복수의 단일 전지들이 일렬로 적층된 스택 구조를 가진다. 구체적으로, 고체중합체타입, 인산타입 및 탄산용해타입(dissolving carbonate type)과 같은 각종 타입의 연료전지들이 이용가능하다.
상기 배터리(축전지)(20)는 예컨대 니켈 수소 배터리로 구성된 충방전가능한 2차전지이다. 여타 각종 타입의 2차전지도 적용가능하다. 배터리(20) 대신에, 2차전지가 아닌 충방전가능한 축전지, 예컨대 캐패시터가 사용될 수도 있다. 이러한 배터리(20)는 연료전지(40)의 방전 경로에 삽입되고, 상기 연료전지(40)와 병렬로 연결된다.
상기 연료전지(40) 및 배터리(20)는 인버터(60)에 병렬로 연결되고, 상기 연료전지(40)로부터 인버터(60)까지의 회로에는, 배터리(20)로부터의 전류의 역류 또는 동기모터(61)에서 발생되는 전류를 방지하기 위한 다이오드(42)가 제공된다.
따라서, 병렬로 연결된 배터리(20) 및 연료전지(40)의 두 동력원의 적절한 출력 분포를 실현하기 위하여, 두 동력원간의 상대전압차가 제어되어야만 한다. 이러한 전압차를 제어하기 위하여, 상기 배터리(20)와 인버터(60) 사이에 DC/DC 컨버터(전압변환장치)(30)가 배치된다. 상기 DC/DC 컨버터(30)는 직류전압컨버터이고, 전압을 연료전지(40)측으로 출력하기 위해 배터리(20)로부터 입력되는 DC 전압을 조정하는 기능 및 상기 전압을 배터리(20)측으로 출력하기 위해 모터(61) 또는 상기 연료전지(40)로부터 입력되는 DC 전압을 조정하는 기능을 가진다. 상기 DC/DC 컨버터(30)의 기능들은 배터리(20)의 충방전을 실현한다.
차량보조기계(50) 및 FC보조기계(51)는 배터리(20)와 DC/DC 컨버터(30) 사이에 연결되고, 상기 배터리(20)는 이들 보조기계들의 동력원이다. 상기 차량보조기계(50)는 차량 등의 운전 시 사용하기 위한 각종 동력장치들을 말하며, 조명장치, 에어컨디셔닝장치, 유압펌프 등을 포함한다. 상기 FC보조기계(51)는 연료전지(40)의 운전 시 사용하기 위한 각종 동력장치들을 말하며, 연료가스와 리포밍 재료를 공급하기 위한 펌프, 리포머 등이 온도를 조정하는 히터를 포함한다.
상술된 요소들의 운전들은 제어유닛(10)에 의해 제어된다. 상기 제어유닛(10)은 그 내부에 CPU, RAM 그리고 ROM을 포함하는 마이크로컴퓨터로 구성되어 있다.
상기 제어유닛(10)은 인버터(60)의 전환을 제어하며, 요청된 동력에 따라 동기모터(61)에 3상 교류를 출력한다. 상기 제어유닛(10)은 요청된 동력에 대응하여 동력을 공급하기 위해 연료전지(40) 및 DC/DC 컨버터(30)의 운전을 제어한다. 각종 센서 신호들이 이 제어유닛(10)으로 입력된다. 예를 들어, 액셀러레이터페달센서(11), 배터리(20)의 충전 상태(SOC)를 검출하는 SOC 센서(21), 연료전지(40)의 가스유량을 검출하는 유량센서(41), 연료전지(40)의 내부 온도(FC 온도)를 검출하는 온도센서(43), 차량 속도를 검출하는 차속센서(62) 등으로부터, 각종 센서 신호들이 제어유닛(10)으로 입력된다. 상기 제어유닛(10)은 다음과 같이 각각의 센서 신호들을 이용하여 연료전지(40)의 임피던스를 측정한다.
A-2. 임피던스 측정의 기술
도 2는 복소수 평면에 교류 임피던스 프로세스에 의한 임피던스 측정 결과를 도시한 도면으로서, 공기 화학양론비(연료전지의 발전을 위해 요청되는 최소 산화가스량에 대한 잉여 산화가스를 포함하는 전체 산화가스량의 비)가 변할 때의 임피던스 측정 결과를 도시한 도면이다.
주파수 변경을 수반하는 임피던스의 트랙이 소정의 조건 하에 복소수 평면에 플롯되면(Cole-Cole plot), 도 2에 도시된 바와 같이 임피던스 곡선이 얻어진다. 도면에 도시된 바와 같이, 점선으로 둘러싸인 저주파수 영역(예컨대, 대략 0.1 내지 10 Hz 의 주파수)의 임피던스는 공기 화학양론비(즉, 연료전지에 대한 연료공급상태)에 따라 크게 상이한 것으로 보인다. 본 실시예에서는, 저주파수 영역에서의 임피던스가 이러한 특성을 이용하여 측정되고, 상기 연료전지(40)로 공급될 산화가스의 유량이 상기 측정값을 토대로 제어됨으로써, 고효율이면서도 안정된 운전이 실현된다. 임피던스 측정 시에 사용하기 위한 주파수 영역은 시스템 설계 등에 따라 변경될 수 있음에 유의한다.
도 3은 제어유닛(10)의 기능들의 설명도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어유닛(10)은 목표전압결정부(110), 중첩신호생성부(120), 전압지령신호생성부(130), 임피던스연산부(140), 임피던스비교부(150), 및 산화가스공급제어부(160)를 포함한다.
상기 목표전압결정부(110)는 액셀러레이터페달센서(11), SOC 센서(21) 등으로부터 입력되는 각각의 센서 신호들을 토대로 출력목표전압(예컨대, 300 V 등)을 결정하여, 상기 전압을 전압지령신호생성부(130)로 출력하게 된다.
상기 중첩신호생성부(120)는 상기 출력목표전압에 중첩될 임피던스 측정용 신호(예컨대, 2 V 등의 진폭값을 갖는 저주파수 영역의 사인파)를 생성하여, 이 신호를 전압지령신호생성부(130)로 출력하게 된다. 상기 임피던스 측정용 신호 및 출력목표전압의 파라미터(파형의 타입, 주파수 및 진폭값)들은 시스템 설계 등에 따 라 적절하게 설정될 수도 있음에 유의한다.
상기 전압지령신호생성부(130)는 출력목표전압에 임피던스 측정용 신호를 중첩시켜, 전압지령신호(Vfcr)를 DC/DC 컨버터(30)로 출력하게 된다. 상기 DC/DC 컨버터(30)는 상기 인가된 전압지령신호(Vfcr)를 토대로 연료전지(30)의 전압 등을 제어한다.
상기 임피던스연산부(측정수단)(140)는 전압센서(141)에 의해 검출되는 연료전지(40)의 전압(FC 전압)(Vf) 및 전류센서(142)에 의해 검출되는 연료전지(40)의 전류(FC 전류)(If)를 소정의 샘플링레이트로 샘플링하여, 푸리에 변환 처리(FFT 연산 처리 및 DFT 연산 처리) 등을 행하게 된다. 상기 임피던스연산부(140)는 푸리에 변환 처리를 겪은 FC 전압 신호를 상기 푸리에 변환 처리를 겪은 FC 전류 신호로 나누어, 저주파수 영역에서의 연료전지(40)의 임피던스를 얻게 되고, 상기 임피던스를 임피던스비교부(150)로 출력하게 된다.
상기 임피던스연산부(140)로부터 저주파수 영역에서의 연료전지(40)의 임피던스(이하, 저주파수 임피던스 측정값이라고 함)를 수신할 때, 상기 임피던스비교부(150)는 메모리(151)에 저장된 최적임피던스맵을 말한다. 도 4는 최적임피던스맵을 예시한 도면이다. 상기 최적임피던스맵은 FC 전류 및 FC 온도의 축을 갖는 맵이고, FC 전류(I) 및 FC 온도(T)로부터 최적 임피던스(IPD)를 유일하게 결정하기 위한 맵이다. 이러한 최적임피던스맵은 실험 등에 의해 사전에 미리 준비된다.
상기 임피던스연산부(140)로부터 저주파수 임피던스 측정값을 수신할 때, 상기 임피던스비교부(150)는 상기 온도센서(43) 및 전류센서(142)에 의해 각각 검출 된 FC 온도(T) 및 FC 전류(I)를 토대로 대응하는 시간에서의 최적 임피던스(IPD)를 결정한다. 상기 임피던스비교부(150)는 상기 결정된 최적 임피던스(IPD)와 저주파수 임피던스 측정값간의 차이를 얻어, 이렇게 얻어진 차이를 임피던스 차이 신호(Id)로서 산화가스공급제어부(160)로 공급한다.
상기 산화가스공급제어부(조정수단)(160)는 상기 임피던스 차이 신호(Id)를 메모리(161)에 저장된 산화가스공급제어맵과 비교하여, 상기 연료전지(40)로 공급될 산화가스량을 제어하게 된다. 상기 산화가스공급제어맵에서는, 임피던스 차이 신호(Id) 및 연료전지(40)로 공급될 산화가스의 보정량(공기 화학양론비 등의 보정량)이 서로 연관되어 등록된다. 산화가스공급제어부(160)가 상기 임피던스 차이 신호(Id)를 토대로 연료전지(40)로 공급될 산화가스의 보정량을 획득하면, 상기 산화가스공급제어부는 상기 연료전지(40)로 공급될 산화가스량을 제어하기 위해 상기 보정량을 토대로 에어컴프레서(도시안됨)의 회전수, 산화가스공급로에 배치된 제어밸브(도시안됨)의 밸브 개방 정도 등을 조정한다. 이러한 제어 하에, 최적의 공기 화학양론비가 일정하게 추적될 수 있으므로, 고효율이면서도 안정된 시스템 운전이 달성될 수 있게 된다.
B. 수정예
상술된 본 실시예에서는, 연료전지(40)의 캐소드측으로 공급될 산화가스량이 저주파수 임피던스의 측정값을 이용하여 제어되었지만, 상기 연료전지(40)의 애노드측으로 공급될 연료가스량이 제어될 수도 있다.
도 5는 제어유닛(10')의 기능들의 설명도이다.
도 5에 도시된 제어유닛(10')에는, 도 3에 도시된 산화가스공급제어부(160) 대신에 연료가스공급제어부(조정수단)(160')가 제공된다. 상기 연료가스공급제어부(160')는 임피던스연산부(140)로부터 공급된 임피던스 차이 신호(Id)를 메모리(161')에 저장된 연료가스공급제어맵과 비교하여, 연료전지(40)로 공급될 연료가스량을 제어하게 된다. 상기 연료가스제어맵에서는, 연료전지(40)로 공급될 연료가스의 보정량(수소 화학양론비 등의 보정량) 및 임피던스 차이 신호(Id)가 서로 연관되어 등록된다. 연료가스공급제어부(160')가 상기 임피던스 차이 신호(Id)를 토대로 연료전지(40)로 공급될 연료가스의 보정량을 획득하면, 상기 연료가스공급제어부는 상기 연료전지(40)로 공급될 연료가스량을 제어하기 위해 상기 보정량을 토대로 연료가스공급로 및 연료가스배출로에 배치된 제어밸브(도시안됨) 및 퍼지밸브(도시안됨)의 밸브 개방 정도 등을 조정한다. 이러한 제어 하에, 최적의 수소 화학양론비가 일정하게 추적될 수 있으므로, 고효율이면서도 안정된 시스템 운전이 달성될 수 있게 된다. 본 실시예에 따른 구성예와 수정예에 따른 구성예는, 연료전지(40)로 공급될 산화가스와 연료가스의 양을 제어하고, 고효율이면서도 안정된 시스템 운전을 실현하도록 조합될 수도 있다는 점에 유의한다.

Claims (6)

  1. 연료전지시스템에 있어서,
    소정의 주파수 영역에서의 연료전지의 임피던스를 측정하기 위한 측정수단; 및
    상기 소정의 주파수 영역에서의 상기 임피던스의 측정값을 토대로 상기 연료전지로 공급될 가스량을 조정하기 위한 조정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지의 운전 상태를 토대로 상기 소정의 주파수 영역에서의 최적의 임피던스 적합값을 기억하기 위한 기억수단을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 조정수단은, 상기 임피던스의 측정값을 상기 임피던스 적합값과 비교하여, 비교 결과를 토대로 상기 연료전지로 공급될 가스량을 조정하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지의 전압 및 온도에 기초한 상기 소정의 주파수 영역에서의 최적의 임피던스 적합값이 상기 기억수단에 저장되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 주파수 영역은 10 Hz 이하의 저주파수 영역인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지로 공급될 가스는 산화가스 또는 연료가스인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지의 방전 경로에 삽입된 전압변환장치를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 측정수단은, 상기 전압변환장치의 출력목표전압에 임피던스 측정용 신호를 중첩시켜, 상기 전압변환장치를 통과한 임피던스 측정용 신호를 토대로 상기 연료전지의 임피던스를 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
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