KR20150069940A - 연료 전지 시스템 및 그 함수량 판단 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 그 함수량 판단 방법 Download PDF

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Abstract

실시 예에 따른 연료 전지 시스템은, 복수의 셀을 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전류를 측정하는 전류 감지 장치, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 감지 장치, 상기 측정된 전압 값과 전류 값을 이용하여 상기 연료전지의 함수 상태를 판단하는 연산 장치를 포함하고, 상기 연산 장치는, 상기 연료 전지에 연결된 전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 제1 상황 또는 상기 전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 제2 상황인 경우 저함수 여부를 판단하고, 상기 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 제3 상황 또는 상기 연료전지의 전압이 낮아지는 제4 상황인 경우 고함수 여부를 판단한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그 함수량 판단 방법{FUEL BATTERY SYSTEM AND DETECTING METHOD OF WATER CONTENT THEREOF}
본 발명은 슬 연료 전지 시스템 및 그 함수량 판단 방법 기술에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지(이하 연료전지)의 성능과 수명은 연료전지의 운전조건에 의해 큰 영향을 받는다. 연료전지의 운전조건에는 전류, 온도, 반응물질의 양, 반응물질의 압력, 냉각물질의 양, 그리고 함수량 등이 있다.
상기한 운전조건 중, 함수량은 연료전지의 성능과 수명에 큰 영향을 주는 인자로 알려져 있다. 따라서 연료전지의 함수량을 적절하게 유지 되도록 연료전지를 운전 하는 것은, 연료전지의 성능과 수명을 향상 시킬 수 있는 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
함수량을 제어할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 함수량 판단 방법을 제공하고자 한다.
실시 예에 따른 연료 전지 시스템은, 복수의 셀을 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전류를 측정하는 전류 감지 장치, 상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 감지 장치, 상기 측정된 전압 값과 전류 값을 이용하여 상기 연료전지의 함수 상태를 판단하는 연산 장치를 포함하고, 상기 연산 장치는, 상기 연료 전지에 연결된 전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 제1 상황 또는 상기 전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 제2 상황인 경우 저함수 여부를 판단하고, 상기 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 제3 상황 또는 상기 연료전지의 전압이 낮아지는 제4 상황인 경우 고함수 여부를 판단한다.
실시 예에 따른 함수량 판단 방법은, 복수의 셀을 포함하는 연료 전지의 함수량을 판단한다. 상기 함수량 판단 방법은, 상기 연료 전지에 연결된 전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 제1 상황 또는 상기 전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 제2 상황인 경우 저함수 여부를 판단하는 단계, 및 상기 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 제3 상황 또는 상기 연료전지의 전압이 낮아지는 제4 상황인 경우 고함수 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따른 방법으로 연료전지의 고함수 상태를 판단 할 경우 상기한 오류에 영향을 받지 않는다. 그 이유는 스택 전압과 셀 전압의 유사도는 온도, 직류출력, 운전이력, 오염으로부터 매우 작은 영향을 받기 때문이다.
이와 같이, 실시 예를 통해 연료전지의 함수량을 원하는 수준으로 조절함으로써, 연료전지의 성능 및 수명 향상을 기대 할 수 있다.
또한 본 발명은 동일한 목적을 위한 종래의 기술과 비교하여, 시스템 가격과 복잡성이 적다는 장점을 가지고 있다. 종래 연료 전지에 사용되는 측정 장치는, 측정용 입력신호 발생 장치, 측정용 입력신호에 대한 출력신호 측정장치, 출력신호 처리 장치로 이루어 진다. 이에 따라, 연료전지 시스템에 상기한 장치가 포함되어 연료전지 시스템 가격과 복잡성을 증가 시키는 단점을 가지고 있다.
위 단점을 해결하기 위해서, 본 발명은 종래 기술에서 사용하는 측정용 장치를 사용 하지 않는다.
도 1은 연료 전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 저함수 상태 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 고함수 상태 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 주파수 영역에서 고함수 상태일 때의 스택 전압과 셀 전압을 나타낸 파형도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 실시 예를 설명한다.
도 1은 연료 전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 연료 전지 시스템(1)은 함수량을 측정할 수 있다.
연료 전지 시스템(1)은 연료 전지(10), 전류감지장치(20), 전압감지장치(30), 및, 연산장치(40)를 포함하고, 전기 부하(50)에 연결되어 있다.
연료 전지(10)는 복수의 셀(도시하지 않음)을 포함한다. 복수의 셀은 직렬 연결되어 있다.
연료 전지(10)에서 나오는 전기에너지는 전기부하(50)를 통해 소비 된다. 연료 전지(10)로부터 출력되는 전류와 전압은 전류감지장치(20)와 전압감지장치(30)를 통하여 측정되어 연산장치(40)에 전달 된다.
연산장치(40)에서는 입력된 전압 값과 전류 값을 이용하여 연료전지(10)의 함수 상태를 판단한다.
실시 예는 연료 전지(10)의 함수 상태를 판단함에 있어, 별도의 측정용 입력신호 발생장치를 사용하지 않는다. 이를 위해, 실시 예는 연료전지의 운전 중의 특정 상황에서 발생하는 전압 및 전류를 함수 상태 판단에 사용할 수 있다.
예를 들어, 저함수 상태는 아래와 같은 특정 상황들이 발생하는 경우에 연료전지의 저항을 검출하고, 저항이 소정치 이상의 큰 값을 가지는 경우, 연산장치(40)는 저함수 상태로 판단한다.
1)전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 상황
2)전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 상황
연료 전지(10)는 함수량이 낮을수록 그 저항이 증가한다.
도 2는 저함수 상태 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 진단이 시작되면, 단계 S10에서, 상황 1 또는 상황 2가 발생했는지 판단한다. 단계 S10은 전류감지장치(20)에 의해 수행될 수 있다.
단계 S10에서 상황 1 또는 상황 2가 발생하면, 연산장치(40)로 전압감지장치(30)에 의해 측정된 전압 및 전류감지장치(20)에 의해 측정된 전류가 전달된다(단계 S20).
연산 장치(40)는 전달받은 전압 및 전류 각각의 변동을 검출한다(단계 S30).
연산 장치(40)는 전압 변동 및 전류 변동에 기초한 연료 전지(10)의 저항을 계산한다(단계 S40). 예를 들어, 연산 장치(40)는 면비저항(Area Specific Resistance(ASR))으로 나타낼 수 있다. 즉, 전압 변동분을 전류 변동분으로 나눈 값에 연료 전지(10)의 면적과 연료 전지(10)를 구성하는 셀 개수를 곱하여 저항 값을 산출할 수 있다.
연산 장치(40)는 계산된 저항 값이 일정 범위 내에 있는지 판단한다(단계 S50).
단계 S50에서, 저항 값이 일정 범위안에 있으면, 연료전지(40)를 저함수 상태로 판단한다(단계 S60). 단계 S50에서, 저항 값이 일정 범위안에 있지 않으면, 다시 S10 단계를 반복한다.
연료 전지 시스템(1)은 저함수 상태를 반영하여 연료 전지(10)를 제어할 수 있다. 즉, 연료 전지(10)의 함수량을 조절할 수 있다.
그 구체적인 방법으로, 연료전지 동작 온도의 조절, 반응물질 공급량의 조절, 반응물질 공급 압력의 조절, 연료전지 출력 전류의 변화, 연료전지에 수분을 주입, 연료전지에 연결된 가습기의 유효면적을 조절, 및 연료전지와 가습기 사이 통로의 개/폐를 들 수 있다.
저함수량인 경우, 연료 전지(10) 내에서 반응을 증가시켜 수분이 증가하도록 연료 전지(10)가 운전될 수 있다. 따라서, 연료전지 동작 온도, 반응물질 공급량, 반응물질 공급 압력 중 적어도 하나를 증가시키거나, 또는, 연료전지 출력 전류를 증가시킬 수 있다. 또는 직접적으로 연료 전지에 공급되는 수분을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 연료 전지에 주입되는 수분을 증가시키거나, 연료전지에 연결된 가습기의 유효면적을 증가시키거나, 또는, 연료전지와 가습기 사이 통로를 개방할 수 있다.
다음으로, 고함수 상태는 아래와 같은 특정 상황들이 발생하는 경우에 스택 전압과 셀 전압의 비교 과정을 실시 한 후, 두 측정 전압의 유사도에 따라 연료전지가 고함수 상태인지를 연산장치(40)가 판단한다.
3) 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 상황
4) 연료전지의 전압이 낮아지는 상황
도 3은 고함수 상태 판단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 진단이 시작되면, 스택 전압 및 셀 전압을 측정한다(단계 S100). 스택 전압 및 셀 전압 전압 감지 장치(30)에서 수행될 수 있다. 스택 전압은 2 개 이상의 셀 전압을 측정한 값을 의미한다.
측정된 스택 전압과 셀 전압은 연산 장치(40)로 전달된다(단계 S110).
연산 장치(40)는 스택 전압과 셀 전압을 시간 영역 또는 주파수 영역에서 비교할 수 있다(단계 S120). 연료전지(10)가 고함수 상태에서 운전 되는 경우에 연료전지(10)의 전압이 불규칙 하게 변동하는 특성을 가질 수 있다. 이 경우에 스택 전압과 셀 전압은 서로 닮지 않은 형태를 보인다. 예를 들어, 고함수 상태에서 두 전압을 주파수 영역에서 비교하면, 수 Hz의 주파수 영역 낮은 유사도가 잘 나타난다.
따라서 연산 장치(40)는 수 Hz의 주파수 영역에서 두 전압을 비교한 결과에 따라 계산된 유사도가 일정 값 이하인지 판단한다(단계 S130).
단계 S140에서, 유사도가 일정 값 이하라면, 연료전지(40)를 고함수 상태로 판단한다(단계 S140). 단계 S140에서, 유사도가 일정 값 보다 높으면, 다시 S100 단계를 반복한다.
연료 전지 시스템(1)은 고함수 상태를 반영하여 연료 전지(10)를 제어할 수 있다. 즉, 연료 전지(10)의 함수량을 조절할 수 있다.
고함수량인 경우, 연료 전지(10) 내에서 반응을 감소시켜 수분이 감소하도록연료 전지(10)가 운전될 수 있다. 따라서, 연료전지 동작 온도, 반응물질 공급량, 반응물질 공급 압력 중 적어도 하나를 감소시키거나, 연료전지 출력 전류를 감소시킬 수 있다. 또는 직접적으로 연료전지에 공급되는 수분을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 연료전지 연결된 가습기의 유효면적을 감소시키거나, 연료전지와 가습기 사이 통로를 폐쇄할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 주파수 영역에서 셀 전압과 스택 전압을 비교하는 방법을 설명한다.
도 4는 주파수 영역에서 고함수 상태일 때의 스택 전압과 셀 전압을 나타낸 파형도이다.
도 4에서, 스택 전압(점선 곡선)과 셀 전압(실선 곡선)을 주파수 영역에서 비교한 예를 볼 수 있다. 스택 전압과 셀 전압의 유사도는 다음과 같이 계산 될 수가 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기의 수학식 1에서 A는 스택 전압과 셀 전압의 값을 나타내고 신호의 영역은 주파수가 될 수 있다. Astack는 주파수 영역에서의 스택 전압이고, Acell은 주파수 영역에서의 셀 전압이다.
상기한 수식을 통해 계산된 Disharmony가 일정 값보다 크면, 해당 연료전지는 고함수 상태에서 운전 되고 있다고 판단 할 수 있다. 즉, Disharmony가 일정 값보다 크면 두 전압 간의 차가 커서 유사도가 낮은 것이다.
일반적으로 수~수십 Hz의 정현파 신호를 연료전지에 주입하여, 상기한 정현파 신호에 대한 연료전지의 임피던스를 측정 하는 것으로 연료전지의 고함수 상태를 판단 할 수 있다. 그러나, 그와 같은 법으로 연료전지의 고함수 상태를 판단 할 경우 연료전지의 온도, 직류출력, 운전이력, 오염 등으로 인해 오류가 발생할 가능성이 있다.
그러나 실시 예에 따른 방법으로 연료전지의 고함수 상태를 판단 할 경우 상기한 오류에 영향을 받지 않는다. 그 이유는 스택 전압과 셀 전압의 유사도는 온도, 직류출력, 운전이력, 오염으로부터 매우 작은 영향을 받기 때문이다.
이와 같이, 실시 예를 통해 연료전지의 함수량을 원하는 수준으로 조절함으로써, 연료전지의 성능 및 수명 향상을 기대 할 수 있다.
또한 본 발명은 동일한 목적을 위한 종래의 기술과 비교하여, 시스템 가격과 복잡성이 적다는 장점을 가지고 있다. 종래 연료 전지에 사용되는 측정 장치는, 측정용 입력신호 발생 장치, 측정용 입력신호에 대한 출력신호 측정장치, 출력신호 처리 장치로 이루어 진다. 이에 따라, 연료전지 시스템에 상기한 장치가 포함되어 연료전지 시스템 가격과 복잡성을 증가 시키는 단점을 가지고 있다.
위 단점을 해결하기 위해서, 본 발명은 종래 기술에서 사용하는 측정용 장치를 사용 하지 않는다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 연료 전지 시스템
10: 연료 전지
20: 전류감지장치
30: 전압감지장치
40: 연산장치
50: 전기 부하

Claims (20)

  1. 복수의 셀을 포함하는 연료 전지,
    상기 연료 전지로부터 출력되는 전류를 측정하는 전류 감지 장치,
    상기 연료 전지로부터 출력되는 전압을 측정하는 전압 감지 장치,
    상기 측정된 전압 값과 전류 값을 이용하여 상기 연료전지의 함수 상태를 판단하는 연산 장치를 포함하고,
    상기 연산 장치는,
    상기 연료 전지에 연결된 전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 제1 상황 또는 상기 전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 제2 상황인 경우 저함수 여부를 판단하고, 상기 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 제3 상황 또는 상기 연료전지의 전압이 낮아지는 제4 상황인 경우 고함수 여부를 판단하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상황 또는 상기 제2 상황이 발생할 때,
    상기 연산 장치는, 상기 연료 전지의 저항을 계산하고, 상기 계산된 저항에 따라 상기 연료 전지의 저함수 여부를 판단하는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산 장치는,
    상기 측정된 전압의 변동분 및 상기 측정된 전류의 변동분에 기초한 면비저항을 계산하고,
    상기 면비저항이 소정의 범위에 속할 때, 상기 연료 전지를 저함수 상태로 판단하는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연료 전지가 저함수로 판단되면,
    상기 연료 전지 내에서 반응을 증가시켜 수분이 증가하도록 상기 연료 전지가 운전되는 연료 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지가 저함수로 판단되면,
    상기 연료전지의 동작 온도, 반응물질 공급량, 및 반응물질 공급 압력 중 적어도 하나를 증가시키거나, 상기 연료전지 출력 전류를 증가시키는 연료 전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지가 저함수로 판단되면,
    상기 연료전지에 공급되는 수분을 증가시키는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 상황 또는 상기 제4 상황이 발생할 때,
    상기 연산 장치는, 스택 전압과 상기 복수의 셀 전압을 시간 영역 또는 주파수 영역에서 비교한 결과에 따라 상기 연료 전지의 고함수 여부를 결정하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연산 장치는,
    상기 연산 장치는, 상기 두 전압을 수 Hz의 주파수 영역에서 비교한 결과에 따라 계산된 유사도가 일정 값 이하인 경우 상기 연료 전지를 고함수 상태로 판단하는 연료 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연산 장치는,
    Figure pat00002

    상기 수학식의 상기 Disharmony가 일정 값보다 크면, 상기 연료 전지를 고함수 상태로 판단하는 연료 전지 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지가 고함수로 판단되면,
    상기 연료 전지 내에서 반응을 감소시켜 수분이 감소하도록 상기 연료 전지가 운전되는 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연료 전지가 고함수로 판단되면,
    상기 연료전지의 동작 온도, 반응물질 공급량, 및 반응물질 공급 압력 중 적어도 하나를 감소시키거나, 상기 연료전지 출력 전류를 감소시키는 연료 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 연료 전지가 고함수로 판단되면,
    상기 연료전지에 공급되는 수분을 감소시키는 연료 전지 시스템.
  13. 복수의 셀을 포함하는 연료 전지의 함수량을 판단하는 방법에 있어서,
    상기 연료 전지에 연결된 전기부하로 전달되는 전류가 일정량 이상 변화화는 제1 상황 또는 상기 전기부하로 전달되는 전류가 특정영역에서 일정량 이상 변화하는 제2 상황인 경우 저함수 여부를 판단하는 단계, 및
    상기 연료전지의 전압이 불규칙 하게 변동하는 제3 상황 또는 상기 연료전지의 전압이 낮아지는 제4 상황인 경우 고함수 여부를 판단하는 단계를 포함하는 연료 전지의 함수량 판단 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저함수 여부를 판단하는 단계는,
    상기 연료 전지의 전압 및 상기 연료 전지의 전류 각각의 변동을 검출하는 단계,
    상기 검출된 전압 변동 및 전류 변동에 기초한 상기 연료 전지의 저항을 계산하는 단계, 및
    상기 계산된 저항 값이 일정 범위 내에 있는지 판단하는 단계를 포함하는 함수량 판단 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 저항 값이 일정 범위안에 있으면, 상기 연료전지를 저함수 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 함수량 판단 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 연료 전지의 저항을 계산하는 단계는,
    상기 전압 변동분을 상기 전류 변동분으로 나눈 값에 상기 연료 전지의 면적과 상기 복수의 셀 개수를 곱하여 저항 값을 산출하는 단계를 포함하는 함수량 판단 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 고함수 여부를 판단하는 단계는,
    스택 전압 및 셀 전압을 측정하는 단계,
    상기 스택 전압과 상기 셀 전압을 시간 영역 또는 주파수 영역에서 비교하는 단계, 및
    상기 두 전압을 비교하는 단계를 포함하는 함수량 판단 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    수 Hz의 주파수 영역에서 상기 두 전압의 유사도가 일정 값 이하인지 판단하는 단계를 더 포함하는 함수량 판단 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유사도가 일정 값 이하라면, 상기 연료전지를 고함수 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 함수량 판단 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    Figure pat00003

    상기 수학식의 상기 Disharmony가 일정 값보다 크면, 상기 연료 전지를 고함수 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 함수량 판단 방법.
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