KR20170100117A - 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀 내부저항 측정장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택 진단에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀 전압 및 임피던스 검출을 통해 연료전지 스택을 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료전지 스택 진단에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀 전압 및 임피던스 검출을 통해 연료전지 스택을 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 대개 연료전지 차량에 적용되고 있다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부 및 연료전지 스택의 반응열과 물을 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리 장치를 구비하고 있다.
연료전지 스택은 수십에서 수 백장의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로 이루어지며, 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성될 수 있다.
이러한 연료전지 스택은 연속적으로 적층된 단위 셀들의 최 외측(양측)에 설치되는 엔드 플레이트를 구비하며, 이들 엔드 플레이트는 체결수단을 통해 체결되며 단위 셀들을 가압한다.
그리고, 단위 셀들의 세퍼레이터에는 반응기체(수소와 공기)와 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 매니폴드를 형성하고 있으며, 어느 한 쪽의 엔드 플레이트에는 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구를 형성하고 있다.
따라서, 엔드 플레이트의 반응기체 입구로 공급된 반응기체는 매니폴드를 따라 유동하며 단위 셀들로 공급되고, 단위 셀들에 공급되고 남은 반응기체는 다른 매니폴드를 따라 유동하며 엔드 플레이트의 반응기체 출구를 통해 배출될 수 있다. 이 과정에 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그런데, 이와 같은 연료전지 스택의 성능은 그 연료전지 스택에서 발생하는 전류와 전압 측정으로 평가된다. 특히 각 단위셀의 전압 측정은 스택 운전시 각 단위 셀의 성능 및 특성을 나타내주는 중요한 자료가 된다. 따라서 연료전지스택이 최적의 상태로 안정적으로 운전되고 갑작스런 성능 감소에 따른 운전정지를 방지하기 위해 각 단위 셀의 전압을 측정하여 감시해야 한다.
또한, 연료전지의 전해질 재료는 존재하고 있지만 소성공정에서 전해질이 연료극과 화학반응함에 따라 내부저항이 증대하여 효율적으로 기전력을 얻을 수 없다.
이러한 이유는, 연료극과 공기극을 적층해 놓은 연료전지 스택에서 단위 셀간에 성능 편차가 있을 경우, 성능이 낮은 단위 셀은 매우 낮은 전압으로 인하여 손상을 입을 가능성이 커지는 문제점이 발생하기 때문이다. 결국 연료전지 스택에서 단위 셀의 수명 상태를 내부저항 측정을 통해서 확인해야하는 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택의 셀 전압을 복수의 그룹으로 나누어 측정하여 주파수 분석을 통해 직류성분과 교류 성분을 추출함으로써, 연료전지 스택의 고장을 효율적으로 진단할 수 있으며, 나아가 임피던스 계산을 통해 연료전지 스택의 가습 제어를 수행할 수 있는, 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법은 기본 동작 전류(DC)로 구동되는 연료전지 스택에 교류 전류(AC)를 인가하는 단계; 상기 연료전지 스택의 셀 전압을 복수의 그룹으로 나누어 측정하는 단계; 상기 복수의 그룹별로 측정된 셀 전압 각각의 주파수를 분석하는 단계; 상기 주파수
의 분석에 따라 추출되는 직류(DC) 성분을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계; 및 상기 주파수의 분석에 따라 추출되는 교류(AC) 성분을 이용하여 임피던스를 계산하는 단계를 포함한다.
상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계는 상기 연료전지 스택의 셀 전압인 상기 직류 성분을 전압-전류(VI)특성 곡선과 비교하여 상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 임피던스를 계산하는 단계는 상기 교류 성분에 해당하는 주파수의 전압 크기와, 상기 연료전지 스택에 인가된 상기 교류 전류의 크기를 이용(R=V/I)하여 상기 임피던스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법은 상기 계산된 임피던스를 이용하여 상기 연료전지 스택의 습윤 상태를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과에 따라 상기 연료전지 스택에 대한 가습 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 셀 전압을 복수의 그룹으로 나누어 측정하는 단계는 상기 연료전지 스택의 각 단위 셀을 복수의 그룹으로 구분하여 배치하는 단계; 상기 복수의 그룹 각각에 전압 측정 회로를 연결하여 복수의 전압 측정 채널을 형성하는 단계; 및 상기 연료전지 스택에 인가된 상기 교류 전류로 인해 나타나는 상기 연료전지 스택의 교류 전압 값을 상기 전압 측정 채널별로 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
복수의 전압 측정 채널은 적어도 2개의 채널로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 스택의 셀 전압을 복수의 그룹으로 나누어 측정하여 주파수 분석을 통해 직류 성분과 교류 성분을 추출함으로써, 연료전지 스택의 고장을 효율적으로 진단할 수 있으며 임피던스 계산을 통해 연료전지 스택의 가습 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 장치를 설명하기 위해 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
연료전지 스택의 셀 전압 검출 및 전압(V)-전류(I) 특성 곡성을 이용한 연료전지 스택 고장 진단과 스택의 전압을 몇 개의 그룹으로 나누어 주파수 분석을 통한 임피던스 검출 방법을 동일한 하드웨어 구성을 통해서 구현할 수 있다.
연료전지 스택의 진단 방법은 셀 전압을 검출하여 V-I 특성 곡선과 비교하거나 상대적으로 일정 기준보다 낮은 전압이 발생하면 고장으로 인식하는 것이다.
임피던스 검출 방법은 교류 전류를 연료전지 스택에 주입하고 스택의 전압을 몇 개의 그룹으로 나누어 읽고 이 읽은 전압에 대해 주파수 분석을 수행하는 것이다.
주파수 분석 결과에서 직류(DC) 성분은 셀 전압이므로 V-I 특성 곡선과 비교하여 고장 여부를 판단하는 데에 이용될 수 있다. 교류(AC) 성분은 해당하는 주파수의 전압의 크기와 주입(연료전지 스택에 인가)해준 교류 전류의 크기를 이용(R=V/I)하여 임피던스를 계산하여 습윤 상태를 판단하고 가습 제어를 수행하는 데에 이용될 수 있다.
이는 동일한 하드웨어 구성을 통해서 고장 진단과 연료 전지 가습 제어라는 2가지 목적 달성을 통해 부품의 개수와 가격을 낮출 수 있는 효과 를 가져올 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 셀 전압의 직류 성분과 교류 성분을 추출하여 연료전지 스택의 고장을 진단할 뿐만 아니라, 임피던스 계산을 통해 연료전지 스택의 가습 제어를 수행할 수 있다.
110: 연료전지 스택
120: 교류전류 발생회로
122: 파워
124: 커패시터
130: 전압 측정 회로
140: 마이컴
120: 교류전류 발생회로
122: 파워
124: 커패시터
130: 전압 측정 회로
140: 마이컴
Claims (2)
- 연료전지 스택의 진단 장치에 의해 수행되는 연료전지 스택 진단 방법에 있어서,
기본 동작 전류(DC)로 구동되는 연료전지 스택에 교류 전류(AC)를 인가하는 단계;
상기 연료전지 스택의 셀 전압을 복수의 그룹으로 나누어 측정하는 단계;
상기 복수의 그룹별로 측정된 셀 전압 각각의 주파수를 분석하는 단계;
상기 주파수의 분석에 따라 추출되는 직류(DC) 성분을 이용하여 상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계;및
상기 주파수의 분석에 따라 추출되는 교류(AC) 성분을 이용하여 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계는 상기 연료전지 스택의 셀 전압인 상기 직류 성분을 전압-전류(V-I) 특성 곡선과 비교하여 상기 연료전지 스택의 고장을 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 전압 및 임피던스 검출을 통한 연료전지 스택 진단 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160022249A KR20170100117A (ko) | 2016-02-25 | 2016-02-25 | 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀 내부저항 측정장치 및 그 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160022249A KR20170100117A (ko) | 2016-02-25 | 2016-02-25 | 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀 내부저항 측정장치 및 그 방법 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20170100117A true KR20170100117A (ko) | 2017-09-04 |
Family
ID=59924104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020160022249A KR20170100117A (ko) | 2016-02-25 | 2016-02-25 | 소형 이동형 고분자전해질연료전지의 셀 내부저항 측정장치 및 그 방법 |
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| KR (1) | KR20170100117A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220075959A (ko) | 2020-11-30 | 2022-06-08 | 현대자동차주식회사 | 연료전지스택의 임피던스 측정시스템 및 측정방법 |
-
2016
- 2016-02-25 KR KR1020160022249A patent/KR20170100117A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220075959A (ko) | 2020-11-30 | 2022-06-08 | 현대자동차주식회사 | 연료전지스택의 임피던스 측정시스템 및 측정방법 |
| US11901595B2 (en) | 2020-11-30 | 2024-02-13 | Hyundai Motor Company | System and method for measuring impedance of a fuel cell stack |
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