KR20160069881A - 연료전지 필터 오염 감지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 황 화합물과 같은 공기의 이물질 또는 불순물에 의해 오염된 연료전지의 화학 필터의 교체 여부를 판단할 수 있도록 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치는 1개 이상의 신호를 송신하는 신호 송신부, 상기 신호 송신부로부터 1개 이상의 신호를 수신하는 신호 수신부 및 상기 신호 송신부 및 상기 신호 수신부 사이에 구비되며, 화학 반응에 의해 저항이 가변될 수 있는 은 화합물이 구비된 저항부를 포함한다.

Description

연료전지 필터 오염 감지 장치 및 방법{Apparatus and Method for detecting filter contamination of fuel cell}
본 발명은 연료전지 필터 오염 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 오염 정도를 파악하여 필터의 교체 여부를 판단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 휴대용 컴퓨터(laptop computer), 휴대 전화 등과 같은 소비재 전자 제품에 전력을 공급하는 배터리를 대체할 수 있고, 미세 가공되어 컴퓨터 칩에 직접 전력을 공급할 수 있다. 연료전지의 다른 기대할 수 있는 상업적 용도로는 차량 및 운송수단의 내연기관을 대체할 수 있으며, 연료전지의 용도는 사실상 무한하다.
공지된 연료전지 구성 모두는 전지의 화학적 과정을 수행하기 위한 필수적인 원료로서 산소를 공통적으로 필요로 한다. 디젤 엔진을 포함하는 내연기관과 같은 다른 동력원도 산소를 필요로 한다. 대부분의 상업적 용도에서, 이러한 산소가 대기중으로부터 직접 공급되는 것이 바람직하다.
그러나, 현재의 대기에는 어느 정도의 오염물질이 있다. 이러한 오염물질은 암설(loose debris), 벌레, 꽃잎(tree blossom) 등과 같은 비교적 큰 것이거나, 먼지, 꽃가루, 스모그 또는 매연 입자 등과 같은 대기 중에 부유하는 작은 입자의 성질을 가질 수 있다. 화학적 오염물질도 대기중에 널리 존재한다.
전형적인 화학적 오염물질은 방향족 탄화수소, 메탄올, 부탄, 프로판과 다른 탄화수소 및 암모니아, 질소 산화물, 오존, 스모그, 황산화물, 일산화탄소, 황화 수소 등과 같은 휘발성 유기 화합물이 포함될 수 있다.
효율적인 연료전지 동작은 정교하게 균형이 조절된 화학반응에 의존하기 때문에, 전지에 의해 사용되는 공기 내의 오염물질은 전지의 동작에 심각한 부작용을 가져올 수 있고, 그 성질에 따라 연료전지가 동작을 계속할 수 없게 할 수도 있다.
그러므로, 연료전지 장치는 유해한 오염물질을 제거하도록 설계되고, 연료전지가 다양한 범위의 사용환경에서 사용될 수 있게 하는 여과 장치를 포함한다.
본 발명은 황 화합물과 같은 공기의 이물질 또는 불순물에 의해 오염된 연료전지의 화학 필터의 교체 여부를 판단할 수 있도록 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치는 1개 이상의 신호를 송신하는 신호 송신부, 상기 신호 송신부로부터 1개 이상의 신호를 수신하는 신호 수신부 및 상기 신호 송신부 및 상기 신호 수신부 사이에 구비되며, 화학 반응에 의해 저항이 가변될 수 있는 은 화합물이 구비된 저항부를 포함한다.
또한, 상기 신호 송신부 및 상기 신호 수신부 사이에 다른 저항부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 은 화합물이 구비된 저항부는 은이 포함된 박막 형태로 구비될 수 있다.
또한, 은 화학물이 구비된 저항부는 외부 온도를 보정해 주는 구조로써 핫 필름(Hot film) 구조, 열선 구조 또는 반도체 히터 구조를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통해 가변된 저항값에 따라 주파수를 포함하는 수신된 상기 신호가 변화될 수 있다.
또한, 상기 신호 수신부에서 출력된 주파수의 하모닉의 크기를 상기 신호 송신부에서 입력된 주파수의 하모닉의 크기로 나눈 후에 100을 곱한 값의 비율(THD)을 이용하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인지 여부에 따라 정상 상태의 필터(오염되지 않은 필터) 또는 비정상 상태의 필터(오염된 필터)로 분류할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 방법은 1개 이상의 신호를 송신하는 단계, 송신된 상기 신호가 화학 반응에 의해 저항이 가변될 수 있는 은 화합물이 구비된 저항부를 통과하는 단계 및 상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통과한 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 신호를 송신하는 단계와 송신된 상기 신호가 은 화합물이 구비된 저항부를 통과하는 단계 사이에 상기 신호는 다른 저항부를 더 통과할 수 있다.
또한, 상기 은 화합물이 구비된 저항부는 은이 포함된 박막 형태로 형성될 수 있다.
또한, 은 화학물이 구비된 저항부는 핫 필름(Hot film) 구조, 열선 구조 또는 반도체 히터 구조를 더 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통해 가변된 저항 값에 따라 주파수를 포함하는 수신된 상기 신호가 변화될 수 있다.
또한, 출력된 상기 주파수의 하모닉의 크기를 입력된 주파수의 하모닉의 크기로 나눈 후에 100을 곱한 값의 비율(THD)을 이용하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인지 여부에 따라 정상 상태의 필터(오염되지 않은 필터) 또는 비정상 상태의 필터(오염된 필터)로 분류할 수 있다.
또한, 상기 주파수의 하모닉의 크기의 비율(THD)을 이용하여 실시간으로 필터의 오염을 감지하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인 경우, 상기 연료전지 필터가 오염된 경우로 간주하여 사용자에게 상기 연료전지 필터 교체 알람을 하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 기술은 차량의 주행 중에 실시간으로 연료전지 필터의 오염을 확인할 수 있다.
아울러, 본 기술은 황 화합물에 의해 오염된 연료전지 필터를 즉시 교체하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치를 설명하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치를 이용하여 측정된 필터의 오염도를 설명하는 도면이다.
도 3은 이산화황에 의한 연료전지 필터 오염 감지 장치의 성능 저하를 설명하는 도면이다.
도 4는 차량의 주행 거리에 따라 연료전지 필터의 수명을 나타내는 그래프이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치를 설명하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 필터 오염 감지 장치는 신호 송신부(100), 신호 수신부(110) 및 은 화합물이 구비된 저항부(120)를 포함한다.
신호 송신부(100)는 신호 수신부(110)로 1개 이상의 주파수, 전압 또는 전류를 송신한다. 여기서, 신호 송신부(100)는 주파수, 전압 또는 전류 외에 신호 송신이 가능한 레이저, 빔 또는 기타 신호 등을 이용하여 신호 수신부(110)로 송신할 수 있다.
신호 수신부(110)는 신호 송신부(100)로부터 1개 이상의 주파수, 전압 또는 전류를 수신하고, 수신된 주파수, 전압 또는 전류를 측정한다.
여기서, 신호 송신부(100)와 신호 수신부(110)에는 은 화합물이 구비된 저항부(120) 외에 다른 저항부(130)를 더 포함할 수 있다.
은 화합물이 구비된 저항부(120)는 화학 반응에 의해 저항이 가변되며, 신호 송신부(100)와 신호 수신부(110) 사이에 구비되고, 은 화합물이 첨가된 저항체로 구성된다. 이러한 은 화합물이 구비된 저항부(120)에는 은이 포함된 박막 형태로 구비된 구조일 수 있다.
은 화학물이 구비된 저항부(120)는 외부 온도에 의해 저항 값이 변할 수 있기 때문에 신호를 처리 하는 과정에서 오류가 발생할 수 있으므로, 발열 장치를 이용하여 외부 온도를 보정해 주는 구조가 필요하다. 이러한 외부 온도를 보정해 주는 구조로써, 핫 필름(Hot film) 구조, 열선 구조, 반도체 히터 구조 등이 사용될 수 있다.
또한, 핫 필름(Hot film) 구조는 은 박막저항체의 온도를 상승시켜 특정 C 값을 만들기 위해 사용되며, C 값의 변화를 통해 주파수의 감쇠영역을 바꿀 수 있다.
여기서, 은 화합물이 구비된 저항부(120)는 공기 또는 물에는 반응하지 않으나, 황 화합물 또는 질소 화합물에 반응하여 회백색에서 검은색으로 변화되며, 저항 값이 변하는 특성을 이용하여 연료전지 필터의 수명을 감지할 수 있다.
아울러, 일반적인 금속의 경우 온도가 상승하면, 금속의 저항 값이 상승하지만, 은 화합물이 구비된 저항부(120)는 황 화합물 및 질소 화합물에 의해 오염된 경우에 온도가 상승하더라도 은 화합물이 구비된 저항부(120)의 저항 값이 하락하는 특성이 있다.
또한, 신호 송신부(100)는 입력 신호를 송신하고, 신호 수신부(110)는 출력되는 입력 신호를 수신함으로써, 정상 상태와 비정상 상태의 차이점을 판단하여 연료전지 내 화학 필터의 오염 여부를 실시간으로 감지할 수 있다. 즉, 신호 송신부(100)에서 입력 신호를 송신하는 경우에 은 화합물이 구비된 저항부(120)의 저항 값이 황 화합물 및 질소 화합물에 의해 가변되면서 입력 전압 또는 입력 전류와 출력 전압 또는 출력 전류의 차이에 의해 연료전지 내 화학 필터의 오염도를 측정할 수 있다.
아울러, 신호 송신부(100)에서 입력 신호를 송신하는 경우에는 은 화합물이 구비된 저항부(120)에서 출력 주파수 하모닉의 크기와 입력 주파수 하모닉의 크기의 비율(THD)을 이용한 필터의 오염도를 측정할 수 있으며, 출력 주파수 대비 입력 주파수의 비율(THD)이 기 설정된 출력 주파수 대비 입력 주파수의 비율(THD)보다 크게 나타나는 경우, 연료전지 필터를 교체할 수 있도록 운전자에게 알람을 이용하여 알릴 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 필터 오염 감지 장치를 이용하여 측정된 필터의 오염도를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 주파수 입력에 의한 실시간 필터의 오염을 감지할 경우에 정상 상태와 비정상 상태의 출력 신호를 나타낸다. 황 화합물에 의한 필터의 오염이 된 경우에는, 은 화합물이 구비된 저항부의 저항 값은 가변되고, 기존의 신호와 다른 신호가 입력되거나, 신호의 왜곡이 발생될 수 있다. 이러한 경우에 왜곡률을 이용하여 실시간으로 필터의 오염 정도를 측정할 수 있다.
여기서, 정상 상태에서의 주파수 및 비정상 상태에서의 주파수를 측정하되, 출력 주파수 대비 입력 주파수의 비율(Total Harmonic Distortion, THD)을 이용한 필터의 오염도를 측정할 수 있다. 여기서, THD는 기본 주파수에 정수 배가 되는 주파수들 성분의 비율을 나타낸다. 특히, 하모닉(Harmonic)은 고조파로서, 기본 주파수의 2~4배와 같은 정수 배에 해당하는 물리적 전기량을 의미한다. 즉, 하모닉은 원천 주파수의 배수 주파수 성분을 의미한다.
여기서, 출력되는 하모닉은 THD 방법을 이용하여 계산할 수 있는데, THD는 전고조파왜곡률로써, 비선형 시스템으로 주파수가 입력되었을 경우 왜곡된 주파수가 나오는 비율이다.
THD의 계산 방법은 출력 주파수의 하모닉의 크기를 입력 주파수의 하모닉의 크기로 나누고 100을 곱한 값을 의미한다. 만약, 정상 시스템(오염되지 않은 필터)의 경우 기본 입력 주파수에 대하여 왜곡되는 주파수가 없으므로 THD는 0%에 가깝다. 황 화합물 또는 질소 화합물에 의해 은 화합물이 구비된 저항부가 오염되었을 경우에는 기본 주파수에 대하여 신호 왜곡이 발생하고, 출력 주파수는 0% 이상의 값을 갖게 된다.
즉, 황화합물에 의해 은 화합물이 구비된 저항체가 오염되었을 경우 입력 신호에 대하여 출력 신호의 왜곡이 발생하고, ECU 또는 신호처리부에서는 왜곡률을 산출하고 이를 토대로 고장 여부를 진단할 수 있다. 이러한 왜곡률을 산출하는 방법으로는 THDA(Total harmonic distortion analysis)가 사용될 수 있다.
도 3은 이산화황에 의한 연료전지 필터 오염 감지 장치의 성능 저하를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 연료전지에서 황 화합물 오염에 따른 연료전지의 성능 저하를 나타내는 그래프이다.
그래프 1은 황 화합물에 오염되지 않은 경우에 시간에 따른 전압의 변화가 미미한 상태를 나타낸다.
그래프 2와 그래프 3은 황 화합물의 농도를 증가시킬 경우에 시간에 따른 전압이 급격하게 변화된 상태를 나타낸다. 즉, 황 화합물의 농도가 높을수록 연료전지의 성능이 급격하게 저하되는 것을 알 수 있다.
도 4는 차량의 주행거리에 따라 연료전지 필터의 수명을 나타내는 그래프이다. 먼지 필터의 경우에는 초기 성능 대비 차압의 상승으로 먼지 필터의 수명을 예측하여 오염여부를 판단할 수 있지만, 화학 필터의 경우에는 주행 거리에 따른 화학적 오염이 선형적으로 증가하지 않기 때문에 화학 필터의 교환 주기를 예측할 수 없다.
도 4를 참조하면, 차량의 주행거리가 각각 다르게 분포된 차량에 대하여 포집 효율을 나타내는 그래프이다.
여기서, 연료전지의 필터는 황 화합물 또는 질소 화합물에 대한 오염에 취약하고, 차량의 주행거리에 따라 연료전지의 필터의 수명에는 큰 차이가 존재하지 않으므로 실시간으로 예측할 수 있는 방안이 요구된다.
전술한 바와 같이, 본 기술은 차량의 주행 중에 실시간으로 연료전지 필터의 오염을 확인할 수 있다.
아울러, 본 기술은 황 화합물에 의해 오염된 연료전지 필터를 즉시 교체하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명은 비록 한정된 구성과 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 것에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술적 사상과 하기 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 실시가 가능할 것이다.

Claims (13)

1개 이상의 신호를 송신하는 신호 송신부;
상기 신호 송신부로부터 1개 이상의 신호를 수신하는 신호 수신부; 및
상기 신호 송신부 및 상기 신호 수신부 사이에 구비되며, 화학 반응에 의해 저항이 가변될 수 있는 은 화합물이 구비된 저항부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신호 송신부 및 상기 신호 수신부 사이에 다른 저항부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 은 화합물이 구비된 저항부는 은이 포함된 박막 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
청구항 1에 있어서,
은 화학물이 구비된 저항부는 핫 필름(Hot film) 구조, 열선 구조 또는 반도체 히터 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통해 가변된 저항값에 따라 주파수를 포함하는 수신된 상기 신호가 변화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신호 수신부에서 출력된 주파수의 하모닉의 크기를 상기 신호 송신부에서 입력된 주파수의 하모닉의 크기로 나눈 후에 100을 곱한 값의 비율(THD)을 이용하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인지 여부에 따라 정상 상태의 필터(오염되지 않은 필터) 또는 비정상 상태의 필터(오염된 필터)로 분류할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 장치.
1개 이상의 신호를 송신하는 단계;
송신된 상기 신호가 화학 반응에 의해 저항이 가변될 수 있는 은 화합물이 구비된 저항부를 통과하는 단계; 및
상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통과한 신호를 수신하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 신호를 송신하는 단계와 송신된 상기 신호가 은 화합물이 구비된 저항부를 통과하는 단계 사이에 상기 신호는 다른 저항부를 더 통과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 은 화합물이 구비된 저항부는 은이 포함된 박막 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 7에 있어서,
은 화학물이 구비된 저항부는 핫 필름(Hot film) 구조, 열선 구조 또는 반도체 히터 구조를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 은 화합물이 구비된 저항부를 통해 가변된 저항 값에 따라 주파수를 포함하는 수신된 상기 신호가 변화되는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 11에 있어서,
출력된 상기 주파수의 하모닉의 크기를 입력된 주파수의 하모닉의 크기로 나눈 후에 100을 곱한 값의 비율(THD)을 이용하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인지 여부에 따라 정상 상태의 필터(오염되지 않은 필터) 또는 비정상 상태의 필터(오염된 필터)로 분류할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 주파수의 하모닉의 크기의 비율(THD)을 이용하여 실시간으로 필터의 오염을 감지하되, 상기 비율이 설정된 비율 이상인 경우, 상기 연료전지 필터가 오염된 경우로 간주하여 사용자에게 상기 연료전지 필터 교체 알람을 하는 것을 더 포함하는 연료전지 필터 오염 감지 방법.
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