KR20150142715A - 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법 - Google Patents

연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지 스택의 상태 진단 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 상태 진단 방법은 연료 전지 스택에 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 전류를 동시에 인가하는 단계, 인가된 전류에 따라 상기 연료 전지 스택에서 출력되는 전류와 전압을 푸리에 변환하는 단계, 변환된 출력 전류 및 전압 중 상기 제1 주파수 및 제2 주파수의 전압과 전류의 진폭과 위상을 이용하여 제1 주파수의 임피던스와 제2 주파수의 임피던스를 연산하는 단계 및 연산된 제1 주파수의 임피던스와 제2 주파수의 임피던스의 크기에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.

Description

연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법{METHOD FOR DIAGNOSING STATE OF FUEL CELL STACK AND CONTROLLING FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 다중 주파수의 전류를 인가함으로써 다중 주파수의 임피던스 크기를 이용하여 연료 전지 스택의 드라이아웃/ 플러딩 등 스택의 내부 수분 상태를 파악할 수 있는 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법에 관한 것이다.
연료전지 차량은 동력원으로써 사용하는 복수의 연료전지 셀들을 적층시킨 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소 등을 공급하는 연료공급 시스템, 전기화학반응에 필요한 산화제인 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 온도를 제어하는 물과 열 관리 시스템 등을 포함한다.
연료공급 시스템은 수소탱크 내부의 압축수소를 감압하여 스택의 연료극(애노드)으로 공급하며, 공기공급 시스템은 공기블로워를 작동시켜 흡입한 외부공기를 스택의 공기극(캐소드)으로 공급한다.
스택의 연료극에 수소가 공급되고, 공기극에 산소가 공급되면, 연료극에서는 촉매반응을 통해 수소이온이 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극인 산화극으로 전달되고, 산화극에서는 연료극에서 분리된 수소 이온과 전자 및 산소가 함께 전기화학적 반응을 일으켜 이를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있다. 구체적으로 연료극에서는 수소의 전기 화학적 산화가 일어나고, 공기극에서는 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열이 발생되고, 수소와 산소가 결합하는 화학 작용에 의해 수증기 또는 물이 생성된다.
연료 전지 스택의 전기 에너지 생성 과정에서 발생되는 수증기와 물 및 열과 같은 부산물과 반응되지 않은 수소 및 산소 등을 배출하기 위해 배출 장치가 구비되며, 수증기, 수소 및 산소와 같은 가스들은 배기 통로를 통해 대기 중으로 배출된다.
연료 전지를 구동하기 위한 공기 블로워, 수소 재순환 블로워, 워터 펌프 등의 구성들은 메인 버스단에 연결되어 연료전지 시동을 용이하게 하며, 메인 버스단에는 전력 차단 및 연결을 용이하게 하기 위한 각종 릴레이들과, 연료전지로 역전류가 흐르지 않도록 하는 다이오드가 연결될 수 있다.
공기 블로워를 통해 공급된 건조한 공기는 가습기를 통해 가습된 뒤, 연료 전지 스택의 캐소드(Cathode, 공기극)에 공급되며, 캐소드의 배기 가스는 내부에서 발생한 물 성분에 의해 가습된 상태로 가습기에 전해져 공기 블로워에 의해 캐소드로 공급될 건조공기를 가습하는데 사용될 수 있다.
연료 전지 스택이 드라이 아웃 상태 또는 플러딩 상태인 경우, 연료 전지 스택의 출력이 감소되며, 정상 출력으로 회복되기까지 많은 시간이 필요하다. 또한, 플러딩 상태 또는 드라이 아웃 상태가 지속되면 연료 전지 스택의 내구 수명이 감소되는 문제점이 있다. 따라서 연료 전지 스택의 드라이 아웃 상태 또는 플러딩 상태를 정확히 진단하고, 진단된 연료 전지 스택의 상태에 따라 스택 회복 운전을 수행하여 빨리 회복될 수 있도록 제어하는 것이 필요하다.
이와 관련하여, 미국공개특허 US2008-0166609호는 시간에 따른 임피던스의 변화를 통하여 연료 전지 스택의 수분 함량을 진단하는 방법을 개시하고 있다. 임피던스의 변화가 없으면 정상 상태로 진단하고, 임피던스 값의 변동성이 큰 경우 플러딩 상태로 진단하며, 임피던스 값이 증가하는 경우 드라이 아웃 상태로 진단하는 방법이 개시되어 있다.
상기 미국공개특허의 경우 임피던스 값의 변동성의 크기로 플러딩을 판단함으로 두 개 이상의 시간 누적된 임피던스 값을 측정하고 임피던스의 변동을 계산하여야 하기 때문에 플러딩을 판단하는 시간이 길어진다. 또한 수백 Hz 주파수의 임피던스를 측정하기 때문에 플러딩에 대한 측정 정밀도가 낮다.
또한 일본공개특허 JP2011-029158호는 블로워 출구와 가습기 입구 온도 및 냉각수 출구 온도의 실측 데이터를 기반으로 한 상대습도 맵을 이용하여 연료전지 스택의 상대 습도를 판단하며, 상대 습도 감소시 공기 유량을 줄이고, 운전 압력을 높여서 연료전지 스택의 드라이 아웃을 방지하는 방법을 개시하고 있다.
상기 일본공개특허의 경우 연료전지 스택 내부의 습도는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도, 습도, 공기 출구의 온도와 습도, 공급 수소의 온도와 습도, 연료전지 스택의 생성수의 양, 연료전지 스택의 온도 등의 영향을 받기 때문에 블로워 출구/가습기 입구 온도 및 냉각수 출구 온도로 스택의 상대 습도를 추정하는 경우 정확도가 낮다.
또한 일본공개특허 JP2010-251096호는 연료전지의 물균형이 소정 값 이하가 되는 드라이 운전의 경우에 공기 양론비 감소, 수소극 압력 감소, 수소극 재순환량 증가, 공기 압력 증가를 단계적인 순서대로 처리하여 연료전지의 출력을 제한함으로써 물 수지를 회복시키는 방법을 개시하고 있다.
상기 일본공개특허의 경우 순차적으로 드라이를 방지하는 방법을 적용함으로써 연료전지 스택이 급격히 드라이되는 경우 빠르게 회복할 수 없는 문제점이 있다.
다중 주파수의 전류를 인가함으로써 다중 주파수의 임피던스를 측정하고, 측정된 저항을 이용하여 연료전지 스택의 드라이/플러딩 등 수분의 함량을 빠르게 진단하며, 연료전지 스택의 상태 진단 성능을 향상시키고, 연료전지 스택의 상태에 따라 연료전지 공정을 제어하여 비정상 상태를 신속하게 극복하고, 연료전지 상태를 정상 조건으로 회복하게 할 수 있는 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법은, 연료 전지 스택에 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 전류를 동시에 인가하는 단계; 상기 인가된 전류에 따라 상기 연료 전지 스택에서 출력되는 전류와 전압을 푸리에 변환하는 단계; 상기 변환된 출력 전류 및 전압 중 상기 제1 주파수 및 제2 주파수의 전압과 전류의 진폭과 위상을 이용하여 제1 주파수의 임피던스의 실수부와 제2 주파수의 임피던스의 허수부를 연산하는 단계; 및 상기 연산된 제1 주파수의 임피던스와 제2 주파수의 임피던스의 크기에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함하며, 상기 제1 주파수는 제2 주파수보다 높은 것을 특징으로 한다.
제1 주파수는 100Hz 이상이며, 상기 제2 주파수는 1Hz 내지 100Hz인 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는, 상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기에 대응하여 기맵핑된 연료 전지 스택의 상태 맵에 기반하여, 상기 연산된 실수부 및 허수부의 크기에 따라 상기 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 상태 맵은, 상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기를 복수의 기설정된 경계값들에 따라 복수의 단계로 분류하여, 분류된 단계와 상기 연료 전지 스택 내부의 수분 함량과의 관계가 기맵핑된 상태 맵인 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 단계는, 상기 연산된 실수부와 허수부의 크기가 상기 분류된 단계 중 어느 단계에 속하는지 여부에 따라 상기 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는, 상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기에 대응하여, 퍼지 로직이 구현된 퍼지 로직 진단기의 출력을 이용하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 퍼지 로직 진단기의 출력은 상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부 크기와 상기 제2 주파수의 임피던스의 허수부 크기에 의해 결정되며, 상기 퍼지 로직 진단기의 출력은 기설정된 경계값들에 따라 복수의 단계로 분류되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는, 상기 분류된 복수의 단계 중 어느 단계에 속하는지에 따라 상기 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 복수의 단계로 분류하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 제어 방법은 상기 분류된 단계 중 어느 단계에 속하는지 여부에 따라 상기 연료전지 스택의 공기 유량, 공기 압력, 수소 유량, 수소 압력 및 수소 배출량을 포함하는 복수의 인자들을 가변시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 단계는 기설정된 경계값들에 따라 상기 수분 함량이 높은 순서대로 분류된 제1 단계 내지 제5 단계를 포함하며, 상기 복수의 인자들을 가변시키는 단계는, 상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제1 단계에 속하는 경우 상기 연료전지 스택의 공기 유량과, 수소 압력, 수소 유량 및 수소 배출량을 증가시키고, 공기 압력은 감소시키며, 상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제2 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 수소 유량을 증가키시고, 공기 유량은 감소시키며, 상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제4 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 공기 유량과 수소 압력을 감소시키며, 상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제5 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 수소 유량과 공기 압력을 증가시키며, 공기 유량과 수소 압력을 감소시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법에 따르면, 연료 전지 스택에 복수의 주파수의 정현파 전류를 동시에 인가하고, 상이한 주파수를 갖는 연료 전지 출력 및 전압에 기반하여 임피던스를 연료 전지 스택의 상태 진단에 이용함으로써 더욱 짧은 시간 내에 연료 전지 스택의 상태를 진단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 임피던스 연산시 임피던스의 절대값이 아닌 고주파 임피던스의 실수값과 저주파 임피던스의 허수값을 이용하여 진단함으로써 연료 전지 스택의 수분 함량을 더 정확하게 판단할 수 있고, 이에 따라 연료 전지 스택의 플러딩 상태, 드라이 아웃 상태를 더 정확하게 진단할 수 있다.
도 1은 연료 전지 스택의 셀전압, 임피던스의 절대값 및 저주파수 임피던스의 허수부의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기에서 제1 주파수의 임피던의 실수부 크기에 따른 퍼지 소속 함수를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기에서 제2 주파수의 임피던스 허수부 크기에 따른 퍼지 소속 함수를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기에서 연료전지 스택의 상태에 따른 소속 함수를 예시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법에 따라 진단된 이후의 연료전지 시스템의 제어 방법를 도시한 표이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 연료 전지 스택의 셀전압, 저주파수 임피던스의 절대값 및 저주파수 임피던스의 허수부의 시간에 따른 변화를 도시한 그래프이다. 도 1의 그래프를 참조하면, 수소의 공급 유량 감소시 셀전압이 시간에 따라 급격히 하락함을 알 수 있다. 또한 도 1은 이와 동일한 시간에 저주파수 임피던스의 절대값의 크기와 저주파수 임피던스의 허수부의 크기 변화를 도시하고 있다. 저주파수 임피던스의 절대값 크기는 감소하였다가 증가하는 패턴을 보이나, 저주파수 임피던스의 허수부 크기는 셀전압이 감소함에 따라 지속적으로 증가하는 패턴을 보인다.
즉, 저주파수 임피던스의 절대값을 이용하여 연료 전지 스택의 수분 함량에 따른 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 것보다 저주파수 임피던스의 허수부의 크기를 통하여 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 것이 더 정확한 방법임을 그래프를 통해 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 상태 진단 방법을 간략히 도시한 순서도이다. 각 단계의 주체는 연료 전지 제어기일 수 있고, 연료 전지를 구성하는 분산된 제어기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 상태 진단 방법은 연료 전지 스택에 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 전류를 동시에 인가하는 단계(S201), 인가된 전류에 따라 연료 전지 스택에서 출력되는 전류와 전압을 푸리에 변환하는 단계(S203), 변환된 출력 전류 및 전압 중 제1 주파수 및 제2 주파수의 전압과 전류의 진폭과 위상을 이용하여 제1 주파수의 임피던스의 실수부와 제2 주파수의 임피던스의 허수부를 연산하는 단계(S205) 및 연산된 제1 주파수의 임피던스의 실수부와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기에 따라 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계(S207)를 포함할 수 있다.
여기서 제1 주파수는 제2 주파수보다 높다. 구체적으로 제1 주파수는 제2 주파수에 비해 상대적으로 고주파수이며, 제2 주파수는 제1 주파수에 비해 상대적으로 저주파수이다. 상이한 주파수의 전류들을 합성하여 연료 전지 스택에 진단 전류로서 동시에 인가하는 것에 특징이 있다. 제1 주파수는 100Hz 이상이며, 상기 제2 주파수는 1Hz 내지 100Hz 미만일 수 있다. 상대적으로 고주파수를 갖는 전류와 저주파수를 갖는 전류를 합성하여 인가함으로써, 연료 전지 스택의 출력단에서의 전류와 전압도 인가된 전류의 주파수와 동일한 주파수를 갖는 전류 성분 및 전압 성분을 포함하게 된다.
더욱 빠르게 연료 전지 스택의 상태를 진단하기 위하여 연료 전지 제어기는 서로 다른 주파수를 갖는 복수의 전류 즉, 제1 주파수의 정현파 전류와 제2 주파수의 정현파 전류를 합성하여 연료 전지 스택에 인가한다. 이후, 연료 전지 스택에서 출력되는 전류와 전압을 측정한다. 측정된 전류와 전압을 푸리에 변환하여 주파수 도메인으로 변경시킨다. 측정된 전류와 전압은 각각 제1 주파수의 전류와 제2 주파수의 전류 그리고 제1 주파수의 전압 및 제2 주파수의 전압을 포함한다. 이후 연료 전지 제어기는 제1 주파수의 전류 진폭과 제2 주파수의 전류 진폭, 제1 주파수의 전압 진폭과 제2 주파수의 전압 진폭 및 제1 주파수의 전류 및 전압의 위상각과 제2 주파수의 전류 및 전압의 위상각을 산출한다.
이후, 연료 전지 제어기는 제1 주파수의 전압과 전류의 진폭 및 위상각을 이용하여 제1 주파수의 임피던스의 실수부를 연산한다. 또한, 연료 전지 제어기는 제2 주파수의 전압과 전류의 진폭 및 위상각을 이용하여 제2 주파수의 임피던스의 허수부를 연산한다.
연료 전지 제어기는 제1 주파수의 임피던스의 실수부 및 제2 주파수의 임피던스의 허수부를 통해 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하고, 따라서 연료 전지 스택의 상태를 진단할 수 있다. 진단된 상태에 기하여 연료 전지 스택에 공급되는 수소의 유량, 공기의 유량, 수소의 압력, 공기의 압력 또는 퍼지 주기등을 가변 제어할 수 있다. 이와 관련하여 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기를 개략적으로 도시한 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 논리 진단기는 도 2에서 설명된 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)를 입력으로 받아 퍼지 추론에 의하여 연료 전지 스택의 상태를 진단할 수 있다. 퍼지 논리 진단기는 퍼지화기(30), 퍼지 추론 장치(40), 룰베이스(45), 비퍼지화기(50)를 포함할 수 있다. 구체적으로 퍼지 논리 진단기는 수치적 입력 단계와 퍼지화기(30)에 의한 퍼지 언어 변환 단계, 퍼지 추론 장치(40)를 통한 규칙 추론과 퍼지 언어 출력 단계 및 비퍼지화기(50)에 의한 수치적 출력 변환 단계를 포함하는 과정을 통하여 연료 전지 스택의 상태를 진단하게 된다.
언어적 추론을 위하여 퍼지 룰베이스(45)가 이용되며, 퍼지 룰베이스(45)는 2 개의 입력 값인 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)에 따라 하나의 출력 조건인 연료 전지의 상태를 진단하는 규칙이 사용될 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 수치적인 값으로 퍼지화기에 입력되면, "크다(high)" 또는 "낮다(low)" 등의 언어적 퍼지 변수로 변환되며, 이와 같이 퍼지 변수로 변환된 언어적 입력으로부터 퍼지 추론 장치(40)는 다시 언어적 퍼지 제어 변수를 발생시키고, 비퍼지화기(50)에 의한 비퍼지화 과정을 통하여 스택의 상태를 진단하기 위한 수치적인 제어 변수로 변환된다.
퍼지 논리 제어기는 퍼지 룰베이스(45)에 대응되는 2개의 입력과 한 개의 출력을 가지게 되며, 2개의 입력은 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)이고, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)는 정규화되어 최대값과 최소값이 각각 "1"과 "0"이 된다. 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)는 정규화되어 최대값과 최소값이 각각 "1"과 "0"이 된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기에 따른 퍼지 소속 함수를 예시한 것이 도 4이며, 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기에 따른 퍼지 소속 함수를 예시한 것이 도 5이다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)는 퍼지화기(30)에서 퍼지수로 변환되어 퍼지 추론 장치(40)로 입력될 수 있다.
퍼지 논리 진단기의 출력은 연료 전지 스택의 상태를 나타낼 수 있으며, 연료 전지 스택의 수분 함량이 적은 드라이 아웃 상태일 때 퍼지 논리 진단기의 출력은 "1"이 되고, 연료 전지 스택의 수분 함량이 많은 플러딩 상태일 때 퍼지 논리 진단기의 출력이 "0"이 되도록 정규화된 값으로 나타낼 수 있으며, 연료전지 스택의 상태에 따른 소속 함수를 예시한 것이 도 6이다.
퍼지 추론 장치(40)는 설정된 퍼지 룰베이스(45) 및 2개의 입력 퍼지 소속 함수로부터 언어적 출력을 결정하며, 출력 퍼지 소속 함수를 이용하여 연료 전지 스택의 상태를 계산할 수 있다.
다만, 이러한 퍼지 논리 진단기는 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)를 입력값으로 하여 연료전지 스택의 상태를 출력값으로 출력하는 하나의 도구일 뿐이며, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기와 제2 주파수의 임피던스 허수부(20) 크기에 대응하여 기맵핑된 연료 전지 스택의 상태맵을 이용할 수 있다.
구체적으로 퍼지 논리 진단기의 퍼지 룰베이스에 의한 IF-THEN 규칙을 정리하면 다음과 같다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기에 따라 대응되는 수분 함량의 정도가 5개의 단계로 구분되어 있다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기는 기설정된 경계값들에 따라서 각각 3개의 범위로 나뉘어질 수 있다(L, M, H). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기가 어떠한 범위에 속하는지 여부에 따라 연료전지 스택의 수분 함량은 가장 플러딩한 상태(HH)인 제1 단계부터 가장 드라이한 상태(LL)인 제5 단계까지 5단계로 분류될 수 있다. 제1 단계보다는 덜 플러딩한 상태(H)인 제2 단계, 제5단계보다는 덜 드라이한 상태(L)인 제4 단계와 정상 상태인 제3 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L) 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 가장 플러딩한 상태이다(HH). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L) 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제1 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 가장 플러딩한 상태(HH)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 중간일 때(M), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 약간 플러딩한 상태이다(H). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 중간일 때(M), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제2 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 약간 플러딩한 상태(H)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부도 작을 때(L), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 정상 상태이다(M). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부도 작을 때(L), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제3 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 정상 상태(M)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 중간이고(M), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 작거나(L) 중간일 때(M), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 정상 상태이다(M). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 중간이고(M), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 작거나(L) 중간일 때(M), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제3 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 정상 상태(M)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 중간이고(M), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 약간 드라이 상태이다(L). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 중간이고(M), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제4 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 약간 드라이 상태(L)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 작거나(L) 중간일 때(M), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 드라이 상태이다(L). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 작거나(L) 중간일 때(M), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제4 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 약간 드라이 상태(L)임을 판단할 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 크고(H), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 대응되는 연료전지 스택의 상태는 매우 드라이 상태이다(LL). 즉, 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)가 크고(H), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 클 때(H), 퍼지로직 진단기의 출력 결과는 제5 단계에 해당하고, 이에 따라 연료전지 스택이 가장 드라이 상태(M)임을 판단할 수 있다.
여기서, 실수부와 허수부의 크기가 크다는 것은 크기에 따라 기설정된 경계값으로 분류된 3개의 범위(큰, 중간의, 작은) 중에 큰 범위 내에 속한다는 의미이며, 중간이라는 것은 3개의 범위 중 중간의 범위에 속한다는 것이고, 작다는 것은 3개의 범위 중 작은 범위에 속한다는 것이며, 절대적인 크기를 말하는 것이 아니다.
또한, 연료 전지 스택의 상태맵을 이용하는 경우, 이러한 상태맵은 다음과 같은 판단 기준에 의해 미리 설정될 수 있다. 즉, 퍼지로직 진단기를 이용할 때와 마찬가지로 연료 전지 스택의 드라이 아웃 상태(LL, L)와 플러딩 상태(HH, H) 및 정상 상태(M)는 5가지의 상태 단계들로 구분될 수 있다. 구체적으로 드라이 아웃 상태(LL, L)는 드라이 아웃 정도에 따라 2가지로 분류되고, 플러딩 상태(HH, H)를 플러딩 정도에 따라 2가지로 분류될 수 있다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)의 크기는 기설정된 경계값들에 따라 복수의 카테고리(L, M, H)들로 분류될 수 있고, 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기 또한 기설정된 경계값들에 따라 복수의 카테고리(L, M, H)들로 분류될 수 있다. 분류된 단계들과 연료 전지 스택 내부의 수분 함량과의 관계가 기맵핑될 수 있다.
제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 상대적으로 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기가 상대적으로 큰 경우(H)는 가장 플러딩한 상태(HH)와 대응되어 기맵핑된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 상대적으로 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기가 중간 크기(M)인 경우는 약간 플러딩한 상태(H)에 대응되어 기맵핑된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 상대적으로 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기가 상대적으로 작은(L) 경우는 정상 상태에 대응되어 기맵핑된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 중간 크기(M)이고, 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기가 중간 크기(M)이거나 혹은 상대적으로 작은 경우(L)는 정상 상태(M)에 대응되어 기맵핑된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 중간 크기(M)이고, 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기가 상대적으로 큰 경우(H)는 약간 드라이 아웃 상태(L)에 대응되어 기맵핑된다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 상대적으로 작고(L), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20) 크기가 상대적으로 작거나(L) 중간 크기(M)인 경우, 약간 드라이 상태(L)에 대응되어 기맵핑될 수 있다. 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10) 크기가 상대적으로 크고(H), 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)의 크기가 상대적으로 큰 경우(H), 가장 드라이한 상태(LL)에 대응되어 기맵핑될 수 있다. 상대적인 크기는 기설정된 경계값들에 의해 각각 상대적으로 작은값(L), 중간값(M), 상대적으로 큰 값(H)의 범위로 나뉘어질 수 있다.
즉, 기설정된 경계값들에 따라 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 복수의 단계로 분류될 수 있고, 연산된 제1 주파수의 임피던스의 실수부(10)와 제2 주파수의 임피던스의 허수부(20)가 분류된 단계 중에 어느 단계에 해당하는지 여부에 따라 기맵핑된 상태 맵을 통하여 연료 전지 스택의 수분 함량 및 연료 전지 스택의 상태를 진단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 상태 진단 방법에 따라 진단된 이후의 연료 전지 운전 제어를 도시한 표이다.
상술한 바와 같이 HH는 가장 플러딩 상태(제1 단계)를 나타내며, H는 약간 플러딩 상태(제2 단계)를 나타내고, M은 정상 상태(제3 단계)를, H는 약간 드라이 상태(제4 단계)를 나타내며, HH는 가장 드라이 상태(제5 단계)를 나타낸다.
진단된 연료 전지 스택의 상태가 HH에 해당되는 경우 플러딩 상태를 신속하게 극복하기 위하여 연료 전지 제어기는 수소 유량을 증가시키며, 수소 압력과 공기 유량을 증가시키며, 공기 압력을 낮추고, 수소 배출량을 증가시킬 수 있다.
진단된 연료 전지 스택의 상태가 H에 해당되는 경우, 연료 전지 제어기는 수소 유량을 증가시키고, 공기 유량을 감소시킬 수 있다. 즉, 연료 전지 스택의 플러딩 상태의 정도에 따라 조정, 제어하는 인자의 개수 및 제어 정도에 차이를 둘 수 있다.
진단된 연료 전지 스택의 상태가 정상 상태인 M에 해당되는 경우, 최적 운전 효율 조건이므로 현재 상태를 유지하도록 하며, 진단된 연료 전지 스택의 상태가 L에 해당되는 경우 드라이 아웃 상태를 회피하기 위해 공기 유량과 수소 압력을 감소시킬 수 있다. 진단된 연료 전지 스택의 상태가 LL 상태에 해당되는 경우 드라이 아웃 상태를 신속하게 극복하기 위해서 연료 전지 제어기는 수소 공급유량과 공기 압력을 증가시키며, 공기 유량과 수소 압력을 감소시킬 수 있다.
즉, 연료 전지 제어기는 제1 주파수와 제2 주파수 전류 성분을 갖는 합성 전류가 인가되어 출력된 전류와 전압의 제1 주파수 및 제2 주파수 전류, 전압의 진폭 및 위상을 통해 제1 주파수 임피던스의 실수부와 제2 주파수 임피던스의 허수부를 연산한다. 그리고 연산된 제1 주파수 임피던스의 실수부와 제2 주파수 임피던스의 허수부의 크기를 통해 제1 주파수 임피던스의 실수부 크기 및 제2 주파수 임피던스 허수부 크기의 대소에 따른 연료 전지 스택 내부의 수분 함량과의 관계가 기맵핑되어 있는 상태 맵을 이용하여 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하고 연료 전지 스택의 플러딩 혹은 드라이 아웃 상태를 진단할 수 있다.
발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 제1 주파수의 임피던스의 실수부 20 : 제2 주파수의 임피던스의 허수부
30 : 퍼지화기 40 : 퍼지 추론 장치
45 : 룰베이스 50 : 비퍼지화기

Claims (11)

  1. 연료 전지 스택에 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 전류를 동시에 인가하는 단계;
    상기 인가된 전류에 따라 상기 연료 전지 스택에서 출력되는 전류와 전압을 푸리에 변환하는 단계;
    상기 변환된 출력 전류 및 전압 중 상기 제1 주파수 및 제2 주파수의 전압과 전류의 진폭과 위상을 이용하여 제1 주파수의 임피던스의 실수부와 제2 주파수의 임피던스의 허수부를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 제1 주파수의 임피던스와 제2 주파수의 임피던스의 크기에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 주파수는 제2 주파수보다 높은 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 100Hz 이상이며, 상기 제2 주파수는 1Hz 내지 100Hz인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기에 대응하여 기맵핑된 연료 전지 스택의 상태 맵에 기반하여, 상기 연산된 실수부 및 허수부의 크기에 따라 상기 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 상태 맵은,
    상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기를 복수의 기설정된 경계값들에 따라 복수의 단계로 분류하여, 분류된 단계와 상기 연료 전지 스택 내부의 수분 함량과의 관계가 기맵핑된 상태 맵인 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 연산된 실수부와 허수부의 크기가 상기 분류된 단계 중 어느 단계에 속하는지 여부에 따라 상기 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부의 크기와 제2 주파수의 임피던스의 허수부의 크기에 대응하여, 퍼지 로직이 구현된 퍼지 로직 진단기의 출력을 이용하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 퍼지 로직 진단기의 출력은 상기 제1 주파수의 임피던스의 실수부 크기와 상기 제2 주파수의 임피던스의 허수부 크기에 의해 결정되며, 상기 퍼지 로직 진단기의 출력은 기설정된 경계값들에 따라 복수의 단계로 분류되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계는,
    상기 분류된 복수의 단계 중 어느 단계에 속하는지에 따라 상기 연료 전지 스택의 수분 함량을 판단하는 단계를 포함하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  9. 제5항 또는 제8항에 있어서,
    상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 복수의 단계로 분류하는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분류된 단계 중 어느 단계에 속하는지 여부에 따라 상기 연료전지 스택의 공기 유량, 공기 압력, 수소 유량, 수소 압력 및 수소 배출량을 포함하는 복수의 인자들을 가변시키는 단계를 더 포함하는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단계는 기설정된 경계값들에 따라 상기 수분 함량이 높은 순서대로 분류된 제1 단계 내지 제5 단계를 포함하며,
    상기 복수의 인자들을 가변시키는 단계는,
    상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제1 단계에 속하는 경우 상기 연료전지 스택의 공기 유량과, 수소 압력, 수소 유량 및 수소 배출량을 증가시키고, 공기 압력은 감소시키며,
    상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제2 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 수소 유량을 증가키시고, 공기 유량은 감소시키며,
    상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제4 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 공기 유량과 수소 압력을 감소시키며,
    상기 판단된 연료전지 스택의 수분 함량 정도가 제5 단계에 속하는 경우, 상기 연료전지 스택의 수소 유량과 공기 압력을 증가시키며, 공기 유량과 수소 압력을 감소시키는,
    연료전지 시스템의 제어 방법.
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