KR20170068648A - 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제1 측정단계; 상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키는 출력 증가 단계; 상기 저주파수에서 연료전지 스택의 임피던스를 다시 측정하는 제2 측정단계; 및 상기 제2 측정단계에서 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 오염 판단 단계를 포함하는 연료전지 스택 오염 진단 방법이 개시된다.

Description

연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DIAGNOSING CONTAMINATION OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 진단 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 고주파 임피던스 및 저주파 임피던스의 측정을 통해 연료전지 스택의 성능 저하 원인이 오염에 의한 것임을 정확하게 진단할 수 있는 연료전지 스택의 오염 진단 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제(산소)를 공급하기 위해 공기를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 셀이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 셀은 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리 (MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치한다. 그리고 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다. 또한, 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드와 대면하는 막-전극 어셈블리의 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치한다. 그리고 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치한다. 그리고 스택의 양단에는 엔드 플레이트가 위치하여 적층된 셀의 구조를 잡아준다.
연료전지 스택은 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소가 공급되는 전극에서는 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 공기가 공급되는 전극에서는 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응이 일어난다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다. 즉, 수소는 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이 때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 물 이외에 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 연료전지 시스템에서, 연료전지 스택의 성능이 하락하는 경우 그 원인이 매우 다양한 바 연료전지 스택의 성능 하락의 원인을 진단하는 기술이 요구된다. 연료전지 스택의 성능 하락의 원인으로는 수분 과다 상태인 플러딩(flooding), 수분 부족 상태인 드라이 아웃(dry-out) 및 불순물 유입 등으로 인한 오염 등의 원인이 있을 수 있다.
예를 들어, 연료전지 스택이 오염으로 인해 성능이 하락한 경우를 잘못 진단하여 플러딩에 의한 성능 저하로 잘못 진단하게 되면, 플러딩을 해소하기 위해 공기 유량을 증가시키는 등의 제어를 실시하게 되므로, 오히려 드라이-아웃이 발생하게 되는 문제가 발생하게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2013-191362 A JP 2007-012420 A
이에 본 발명은, 연료전지 스택의 고주파 임피던스 및 저주파 임피던스의 측정을 통해 연료전지 스택의 성능 저하 원인이 오염에 의한 것임을 정확하게 진단할 수 있는 연료전지 스택의 오염 진단 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제1 측정단계;
상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키는 출력 증가 단계;
상기 저주파수에서 연료전지 스택의 임피던스를 다시 측정하는 제2 측정단계; 및
상기 제2 측정단계에서 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 오염 판단 단계;
를 포함하는 연료전지 스택 오염 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택이 드라이 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 낮고 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 낮은 경우, 상기 연료전지 스택이 정상 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제2 측정단계에서 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 작은 경우, 상기 연료전지 스택이 플러딩 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정단계;
상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키는 출력 증가 단계;
상기 연료전지 스택의 출력 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및
상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압이 상기 임피던스 측정단계 직전 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 사전 설정된 임계 레벨 이상 상승하지 않은 경우 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 오염 판단 단계;
를 포함하는 연료전지 스택 오염 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 임피던스 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택이 드라이 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 임피던스 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 낮고 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 낮은 경우, 상기 연료전지 스택이 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압이 상기 임피던스 측정단계 직전 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 상기 임계 레벨 이상 상승한 경우, 상기 연료전지 스택이 플러딩 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
상기 임피던스 측정부에서 측정된 상기 연료전지 스택의 저주파수에서의 임피던스 및 고주파수에서의 임피던스에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 연료전지 시스템 제어부;를 포함하며,
상기 연료전지 시스템 제어부는,
상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 측정한 연료전지 스택의 임피던스 입력 받고,
상기 고주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키도록 제어하며,
상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시킨 후, 상기 임피던스 측정부가 상기 저주파수에서 다시 측정한 연료전지 스택의 임피던스를 입력 받고,
상기 다시 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 시스템을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
연료전지 스택의 출력 전압을 검출하는 스택 전압계;
사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
상기 임피던스 측정부에서 측정된 상기 연료전지 스택의 저주파수에서의 임피던스 및 고주파수에서의 임피던스에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 연료전지 시스템 제어부;를 포함하며,
상기 연료전지 시스템 제어부는,
상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 측정한 연료전지 스택의 임피던스를 입력 받고,
상기 고주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키도록 제어하며,
상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시킨 후, 상기 스택 전압계가 검출한 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 입력 받고,
상기 검출된 출력 전압이, 상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 직전에 상기 스택 전압계에서 검출된 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 사전 설정된 임계 레벨 이상 상승하지 않은 경우 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 시스템을 제공한다.
상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템에 따르면, 연료전지 스택의 성능이 저하되는 경우 성능 저하의 원인이 불순물 오염에 의한 것임을 정확하게 진단할 수 있으며, 그에 따른 적절한 대응 방법 수립을 수립할 수 있게 한다.
특히, 상기 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템에 따르면, 부정확한 진단에 의한 부적절한 대응 방법의 적용으로 인한 연료전지 스택에 더 큰 문제점이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택의 성능 저하의 원인을 드라이 아웃에 의한 것으로 오판하여 공기 유량 감소 등의 제어를 함으로써 오히려 플러딩을 발생시켜 연료전지 스택의 안정성 하락 및 내구성능 하락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 반대로, 연료전지 스택의 성능 저하의 원인을 플러딩에 의한 것으로 오판하여 공기유량 증가 등 플러딩 해소를 위한 제어를 함으로써 오히려 드라이 아웃을 발생시켜 연료전지 스택 성능을 지속적으로 하락 시키게 되는 경우를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법의 흐름도이다.
도 4는 연료전지 스택의 촉매층 오염 시 연료전지 스택의 임피던스를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 연료전지 스택의 수분 상태에 따른 연료전지 스택의 임피던스를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 시스템은, 연료전지 스택(10)과, 연료전지 스택의 출력 전압을 검출하는 스택 전압계(11)와, 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(12) 및 연료전지 스택의 출력 전압과 임피던스에 대한 정보를 입력 받고 그에 따라 연료전지 스택(10)의 상태를 진단하는 연료전지 시스템 제어부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지 스택(10)은 공급되는 수소와 산소에 의한 산화/환원 반응을 통해 전력을 생성하는 요소이다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택(10)은, 연속적으로 배열된 단위 셀이 적층된 구조를 갖는 것으로, 단위 셀은 전해질막, 촉매층, 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)으로 구성되는 막-전극 어셈블리와 막-전극 어셈블리의 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)을 포함하여 구성될 수 있다.
수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소가 공급되는 전극에서는 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 공기가 공급되는 전극에서는 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응이 일어난다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다. 즉, 수소는 애노드로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온 만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이 때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 물 이외에 열도 부수적으로 발생하게 된다.
본 발명의 일 실시형태는 전술한 것과 같은 연료전지 스택의 상태를 진단하기 위한 것으로, 특히, 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀의 촉매층 오염 여부를 진단하기 위한 것이다.
임피던스 측정부(12)는 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 위한 요소이다. 임피던스 측정부(12)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정부(12)는, 각 단위 셀 또는 직렬 연결된 단위 셀을 사전 설정된 개수만큼 묶은 단위셀 군 또는 전체 연료전지 스택(10)에 사전 설정된 주파수를 갖는 전압 신호(또는 전류 신호)를 인가하고, 해당 주파수에 대응되는 연료전지 스택(10)의 전류(또는 전압 변화)를 검출하여 각 주파수 성분에 대한 임피던스를 연산할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 임피던스 측정부(12)에서 측정되는 임피던스는 사전 설정된 고주파수 성분에 대응되는 고주파수 임피던스와 사전 설정된 저주파수 성분에 대응되는 저주파수 임피던스를 포함할 수 있다. 고주파수 임피던스와 저주파수 임피던스를 측정하기 위해 인가되는 전압 신호의 주파수는 연료전지 스택의 사양에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 고주파수의 경우 1000Hz 이상이 될 수 있으며, 저주파의 경우 10Hz 이하가 될 수 있다.
임피던스 측정부(12)는 연료전지 시스템 제어부(13)의 제어에 의해 동작될 수 있다.
연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)의 오염 상태 진단을 위해 스택 전압계(11) 및 임피던스 측정부(12)에서 제공되는 정보들을 이용하여 필요한 정보를 연산하고 필요에 따라 연료전지 시스템 내의 다른 요소들을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 연료전지 시스템 제어부(13)는 임피던스 측정부(12)에서 측정된 연료전지 스택의 고주파수 임피던스와 저주파수 임피던스 및/또는 스택 전압계(11)에서 검출된 연료전지 스택(10)의 출력 전압의 크기와 변동 여부에 따라 다양하게 연료전지 상태를 진단할 수 있다.
이하에서는, 전술한 것과 같은 구성을 갖는 연료전지 스택 오염 진단 시스템에 의해 구현되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법에 대한 상세한 설명을 통해 전술한 것과 같은 구성을 갖는 연료전지 스택 오염 진단 시스템의 작용에 대해서 더욱 명료하게 이해될 수 있을 것이다.
도 2 및 3은 도 2 및 도 3은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법의 흐름도이다.
먼저, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)의 출력 전압을 스택 전압계(11)에서 입력 받고(S11) 그 값의 크기에 따라 연료전지 스택(10)의 상태를 진단할 필요가 있는지 판단할 수 있다(S12). 이 경우, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)의 출력단에서 부하로 제공되는 전류의 크기를 검출하는 스택 전류계(14)의 검출 전류를 함께 제공받을 수 있다. 즉, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)의 출력 전압과 출력 전류를 입력 받고, 연료전지 스택의 출력 전류에 대응되는 출력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 전압(V1)보다 작은지 판단한다(S12).
이어, 연료전지 시스템 제어부(13)는 출력 전압의 크기가 사전 설정된 기준 전압(V1)보다 작은 경우, 임피던스 측정부(12)로 연료전지 스택(10)의 임피던스(고주파수 임피던스, 저주파수 임피던스)를 측정할 것을 지시하고, 그에 따라 임피던스 측정부(12)에서 측정된 고주파수 임피던스와 저주파수 임피던스를 제공받는다(S13).
이어, 연료전지 시스템 제어부(13)는 임피던스 측정부(12)에서 측정된 고주파수 임피던스와 저주파수 임피던스의 크기와 사전 설정된 제1 임계값(Z1) 및 사전 설정된 제2 임계값(Z2)과 비교한다(S14, S15). 연료전지 시스템 제어부(13)는 고주파수 임피던스가 제1 임계값(Z1) 보다 작고 저주파수 임피던스가 제2 임계값보다 큰 경우, 연료전지 스택(10)에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시켜 연료전지 스택(10)을 출력을 증가시킬 수 있는 방향으로 반응기체를 공급하게 한다(S15). 이를 위해, 연료전지 시스템 제어부(13) 연료전지 시스템의 연료인 수소 공급을 증가시키기 위해 미반응 수소를 회수하는 라인의 퍼지 밸브(15)를 개방하거나 미반응 수소를 다시 연료전지 스택으로 제공하는 재순환 펌프(16)의 가동량을 증가시킬 수 있다. 또한, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)에 제공되는 산화제인 공기 공급량을 증가시키기 위해 공기를 공급하는 공기 블로워(17)의 가동량을 증가시킬 수 있다.
이어, 연료전지 시스템 제어부(13)는 사전 설정된 시간이 경과한 후 임피던스 측정부(12)로 다시 연료전지 스택(10)의 저주파수 임피던스를 측정하도록 지시하고, 그에 따라 임피던스 측정부(12)에서 다시 측정된 저주파수 임피던스의 값을 입력 받아 제2 임계값(Z2)과 비교한다(S17, S18).
비교 결과(S18), 연료전지 스택(10)의 저주파수 임피던스가 감소하지 않고 여전히 제2 임계값(Z2)보다 큰 경우, 연료전지 시스템 제어부(13)는 스택 오염에 의해 연료전지 스택(10)의 출력 저하가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이러한, 연료전지 시스템 제어부(13)의 판단은 오염에 따른 연료전지 스택의 고주파수 임피던스 및 저주파수 임피던스의 특성을 이용한 것이다.
도 4는 연료전지 스택의 촉매층 오염 시 연료전지 스택의 임피던스를 측정한 결과를 도시한 도면이고, 도 5는 연료전지 스택의 수분 상태에 따른 연료전지 스택의 임피던스를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
특히, 도 4 는 연료전지 스택의 촉매층이 CO에 의해 오염된 정도에 따른 임피던스 변화를 나타낸 것으로, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 촉매층의 오염이 더 심한 경우 저주파수 임피던스의 크기가 크게 증가하며, 촉매층의 오염 정도에 따라 상관없이 고주파수 임피던스의 크기는 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
한편, 도 5를 참조하면, 연료전지 스택의 수분 상태가 플러딩 상태가 될수록 저주파수 임피던스의 크기가 크게 증가함을 알 수 있다.
즉, 도 4 및 도 5를 참조하면, 연료전지 스택은 오염이 증가하거나 플러딩 상태가 될수록 저주파수 임피던스의 크기가 증가하는 유사한 패턴을 가짐을 확인할 수 있다. 다만, 오염 상태는 연료나 산화제의 공급에 의해 해소될 수 있는 것이 아니고, 플러딩 상태는 연료나 산화제의 공급을 증가시켜 수분을 제거하는 운전을 시행함으로써 개선될 수 있는 것이다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시형태에서는, 연료전지 스택의 저주파수 임피던스가 일정 수준 이상 높은 것으로 판단된 경우, 연료전지 시스템 제어부(13)가 플러딩 조건을 해소하기 위한 연료 및/또는 산화제 공급을 위한 운전을 시행하고(수소 공급 증가 또는 공기 공급 증가)(S16), 그에 따라 연료전지 스택(10)의 저주파수 임피던스가 감소하면 연료전지 스택(10)에 플러딩이 발생한 것으로 판단하고(S181), 여전히 저주파수 임피던스가 높은 상태인 경우 연료전지 스택(10)이 오염된 것으로 판단할 수 있게 되는 것이다(S19).
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지 스택 오염 진단 방법을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 실시형태는, 전술한 도 2의 실시형태와 비교할 때, 단계(S11 내지 S16)은 실질적으로 동일하며, 연료전지 스택의 출력 증가를 위한 운전을 실시한 이후(S16), 연료전지 시스템 제어부(13)가 연료전지 스택(10)의 전압을 검출한 결과를 이용하여 연료전지 스택(10)을 진단한다는 점에서 차이가 있다.
즉, 도 3의 실시형태는, 연료전지 스택의 출력 증가를 위한 운전을 실시한 이후(S16) 일정 시간이 경과하면, 연료전지 시스템 제어부(13)는 스택 전압계(11)부터 입력 받은 연료전지 스택(10)의 출력전압과 사전 설정된 임계 레벨을 비교하고(S21, S22), 연료전지 스택(10)의 출력전압이 임계 레벨 이상 상승하지 않은 경우 연료전지 스택(10)이 오염된 것으로 판단할 수 있다(S23). 이는, 연료전지 스택(10)의 출력 저하 원인이 플러딩에 의한 것이라면, 단계(S16)의 운전에 의해 플러딩이 어느 정도 개선되어 연료전지 스택(10)의 출력이 향상되어야 하기 때문이다. 따라서, 단계(S18)에서 연료전지 스택(10)의 출력 전압이 임계 레벨 이상 상승한 경우에는, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)의 출력 저하의 원인을 플러딩에 의한 것으로 판단할 수 있다(S221).
한편, 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 다양한 실시형태에서, 단계(S14)에서 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값(Z1)보다 큰 것으로 판단된 경우, 연료전지 시스템 제어부(13)는, 연료전지 스택(10)이 드라이 상태인 것으로 판단할 수 있다(S141). 또한, 단계(S14 및 S15)에서, 고주파수에서의 임피던스가 제1 임계값(Z1)보다 낮고 저주파수에서의 임피던스가 제2 임계값(Z2)보다 낮은 경우, 연료전지 시스템 제어부(13)는 연료전지 스택(10)이 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다(S151).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 다른 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템은, 연료전지 스택의 성능이 저하되는 경우 성능 저하의 원인이 불순물 오염에 의한 것임을 정확하게 진단할 수 있으며, 그에 따른 적절한 대응 방법 수립을 수립할 수 있게 한다.
특히, 부정확한 진단에 의한 부적절한 대응 방법의 적용으로 인한 연료전지 스택에 더 큰 문제점이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 연료전지 스택의 성능 저하의 원인을 드라이 아웃에 의한 것으로 오판하여 공기 유량 감소 등의 제어를 함으로써 오히려 플러딩을 발생시켜 연료전지 스택의 안정성 하락 및 내구성능 하락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 반대로, 연료전지 스택의 성능 저하의 원인을 플러딩에 의한 것으로 오판하여 공기유량 증가 등 플러딩 해소를 위한 제어를 함으로써 오히려 드라이 아웃을 발생시켜 연료전지 스택 성능을 지속적으로 하락 시키게 되는 경우를 예방할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 연료전지 스택 11: 스택 전압계
12: 임피던스 측정부 13: 연료전지 시스템 제어부
14: 스택 전류계 15: 퍼지 밸브
16: 재순환 펌프 17: 공기 블로워

Claims (10)

  1. 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제1 측정단계;
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키는 출력 증가 단계;
    상기 저주파수에서 연료전지 스택의 임피던스를 다시 측정하는 제2 측정단계; 및
    상기 제2 측정단계에서 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 오염 판단 단계;
    를 포함하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택이 드라이 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 낮고 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 낮은 경우, 상기 연료전지 스택이 정상 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 측정단계에서 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 작은 경우, 상기 연료전지 스택이 플러딩 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  5. 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 제1 측정단계;
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서의 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키는 출력 증가 단계;
    상기 연료전지 스택의 출력 전압을 측정하는 전압 측정 단계; 및
    상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압이 상기 제1 측정단계 직전 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 사전 설정된 임계 레벨 이상 상승하지 않은 경우 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 오염 판단 단계;
    를 포함하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 큰 경우, 상기 연료전지 스택이 드라이 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 측정단계에서 측정된 고주파수에서의 임피던스가 상기 제1 임계값보다 낮고 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 낮은 경우, 상기 연료전지 스택이 정상 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 전압 측정 단계에서 측정된 전압이 상기 제1 측정단계 직전 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 상기 임계 레벨 이상 상승한 경우, 상기 연료전지 스택이 플러딩 상태인 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 방법.
  9. 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 임피던스 측정부에서 측정된 상기 연료전지 스택의 저주파수에서의 임피던스 및 고주파수에서의 임피던스에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 연료전지 시스템 제어부;를 포함하며,
    상기 연료전지 시스템 제어부는,
    상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 측정한 연료전지 스택의 임피던스 입력 받고,
    상기 고주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키도록 제어하며,
    상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시킨 후, 상기 임피던스 측정부가 상기 저주파수에서 다시 측정한 연료전지 스택의 임피던스를 입력 받고,
    상기 다시 측정된 저주파수에서의 임피던스가 상기 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 시스템.
  10. 연료전지 스택의 출력 전압을 검출하는 스택 전압계;
    사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서의 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 임피던스 측정부에서 측정된 상기 연료전지 스택의 저주파수에서의 임피던스 및 고주파수에서의 임피던스에 따라 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 연료전지 시스템 제어부;를 포함하며,
    상기 연료전지 시스템 제어부는,
    상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 측정한 연료전지 스택의 임피던스를 입력 받고,
    상기 고주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제1 임계값보다 낮고 상기 저주파수에서 측정된 임피던스가 사전 설정된 제2 임계값보다 높은 경우, 상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시키도록 제어하며,
    상기 연료전지 스택에 공급되는 연료 또는 산화제의 양을 증가시킨 후, 상기 스택 전압계가 검출한 상기 연료전지 스택의 출력 전압을 입력 받고,
    상기 검출된 출력 전압이, 상기 임피던스 측정부가 사전 설정된 저주파수 및 고주파수에서 상기 연료전지 스택의 임피던스를 측정하기 직전에 상기 스택 전압계에서 검출된 상기 연료전지 스택의 출력 전압보다 사전 설정된 임계 레벨 이상 상승하지 않은 경우 상기 연료전지 스택이 오염된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 오염 진단 시스템.
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