KR20180042745A - 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단함으로써, 채널 단위의 이상 여부를 검출해 낼 수 있는 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 연료전지 스택의 상태 진단 장치에 있어서, 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출하는 SVM(Stack Voltage Monitor); 및 상기 SVM이 산출한 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 제어기를 포함한다.

Description

연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR DIAGNOSING STATE OF FUEL CELL STACK AND METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동 시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 셀 내 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀들을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 셀을 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 셀들을 적층한 것이 스택이다. 1개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약 1.3V로서, 차량 구동에 필요한 전력을 생산하기 위해 다수의 셀을 직렬로 적층하고 있다.
따라서, 연료전지 스택을 구성하는 단위 셀들 중에서 어느 하나의 셀에서 성능저하가 발생하거나 고장이 발생하면 연료전지 스택의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생한다.
종래의 연료전지 스택의 상태 진단 기술은 소정 개수의 셀로 이루어진 채널별 임피던스가 아닌, 연료전지 스택의 임피던스만을 이용하여 연료전지 스택의 상태를 진단하기 때문에, 채널 단위의 이상 여부를 검출해 낼 수 없는 문제점이 있다.
특히, 종래의 연료전지 스택의 상태 진단 기술은 이물질이 유입된 셀, 빙결(freezing) 셀, 가습량이 부족한 셀, 가습량이 과다한 셀 등을 검출해 낼 수 없으며, 아울러 가습량이 부족한 셀과 가습량이 과다한 셀이 동시에 존재하는 혼합상태를 진단할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1416400호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단함으로써, 채널 단위의 이상 여부를 검출해 낼 수 있는 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단함으로써, 이물질이 유입된 셀, 빙결(freezing) 셀, 가습량이 부족한 셀, 가습량이 과다한 셀 등을 검출해 낼 수 있는 것은 물론, 가습량이 부족한 셀과 가습량이 과다한 셀이 동시에 존재하는 혼합상태를 진단해 낼 수 있는 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 연료전지 스택의 상태 진단 장치에 있어서, 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출하는 SVM(Stack Voltage Monitor); 및 상기 SVM이 산출한 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 제어기를 포함한다.
여기서, 상기 SVM은 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스를 각각 산출한다.
또한, 상기 SVM은 상기 산출된 각 채널의 임피던스의 분포를 기반으로 연료전지 스택의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스, 연료전지 스택의 모든 채널의 임피던스 분포와 운전조건을 기반으로 연료전지 스택의 상태를 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 각각 제1 임계치 이상이고 정상운전이면, 연료전지 스택의 상태를 가습량 부족상태로 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스와 최대전압변동 채널의 임피던스 및 스택 임피던스가 각각 정상범위보다 낮고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 평균전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 가습량 과다상태로 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 정상범위이고, 각 채널 간 임피던스 편차가 제2 임계치 이상이며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 혼합상태로 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 정상범위이며, 연료전지 스택의 시작 위치의 채널의 임피던스가 정상범위를 초과하며 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 이물질 유입상태로 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스와 연료전지 스택의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 각각 정상범위를 초과하며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 냉각유량 부족상태로 진단한다.
또한, 상기 제어기는 최소전압 채널의 임피던스와 평균전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스 및 연료전지 스택의 양단 채널의 임피던스가 각각 제3 임계치 이상이고, 저온시동이면 연료전지 스택의 상태를 스택 빙결 상태로 진단한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 연료전지 스택의 상태 진단 방법에 있어서, SVM(Stack Voltage Monitor)이 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출하는 단계; 및 제어기가 상기 산출된 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단함으로써, 채널 단위의 이상 여부를 검출해 낼 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 본 발명은 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택의 상태를 진단함으로써, 이물질이 유입된 셀, 빙결(freezing) 셀, 가습량이 부족한 셀, 가습량이 과다한 셀 등을 검출해 낼 수 있는 것은 물론, 가습량이 부족한 셀과 가습량이 과다한 셀이 동시에 존재하는 혼합상태를 진단해 낼 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 구동 시스템에 대한 일예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 SVM이 채널별로 측정한 전압을 나타내는 일예시도,
도 3 은 본 발명에 따른 SVM이 전압을 기반으로 선정한 채널을 나타내는 일예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 SVM이 선정된 각 채널을 대상으로 측정한 임피던스를 나타내는 일예시도,
도 5 는 본 발명에 따른 SVM이 추정한 전체 채널의 임피던스 분포를 나타내는 일예시도,
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
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 1 은 본 발명이 적용되는 연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 구동 시스템에 대한 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 연료전지 차량의 구동 시스템은, 연료전지 스택(10), 진단 장치(20), 배터리(30), 컨버터(40), 인버터(50), 및 모터(60)를 포함한다.
여기서, 연료전지 스택(10)은 수백 개의 셀로 구성되며, 연료전지 차량을 구동시키기 위한 전원을 제공한다.
특히, 연료전지 스택(10)은 컨버터(40) 및 인버터(50)와 전기적으로 연결되어 있어, 컨버터(40)의 스위치 동작 및 인버터(50)의 스위치 동작으로 인해 연료전지 스택(10)의 출력에는 교류성분이 발생한다. 즉, 컨버터(40)의 출력전압의 변화 및 인버터(50)의 출력전압의 변화로 인해 연료전지 스택(10)의 출력에는 교류성분이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 장치(20)는 연료전지 스택(10)의 채널별 임피던스를 측정할 수 있다.
이러한 진단 장치(20)는 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정하며, 상기 측정된 전압을 이용하여 채널을 선정하고, 상기 선정된 채널의 임피던스를 산출한 후 이에 기초하여 연료전지 스택(10)을 진단한다. 이때, 채널을 선정하는 과정에 대해서는 하기에서 상세히 다루기로 한다.
배터리(30)는 12V 보조 배터리로서, 연료전지 차량의 전장부하에 전원을 공급하는 역할을 한다.
컨버터(40)는 연료전지 스택(10)의 전압(200V~400V)을 차량의 12V 전장부하(램프, 엑츄에이터, 오디오 등)에서 사용할 수 있도록 낮은 전압(12V~14V)으로 강압(step down)해 준다.
이러한 컨버터(40)는 1차측 반도체스위치(MOSFET)를 제어하여 연료전지 스택(10)의 DC 전압(Vin)을 AC 전압으로 변환하고, 변압기(Tr)를 이용하여 상기 변환된 AC 전압을 낮은 AC 전압(12V~14V)으로 강압하며, 2차측 동기정류기(MOSFET)를 통해 DC 전압으로 정류한 후 상기 정류된 DC 전압을 필터(Lf-Cf)를 통과시켜 안정된 DC 전압(Vo)을 차량의 전장부하에 공급한다. 이러한 DC 전압(Vo)은 배터리(30)의 충전용으로도 사용될 수 있다.
인버터(50)는 컨버터(40)로부터 출력되는 DC 전압을 모터 구동용 정격 AC 전압으로 변환한다.
모터(60)는 엔진을 대신하여 연료전지 차량을 이동시키는 역할을 수행하는 기기로서, 인버터(50)로부터의 AC 전압에 기초하여 작동한다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 장치(20)에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 장치(20)는, SVM(Stack Voltage Monitor)(21) 및 제어기(controller)(22)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 SVM(21)은 프로세서를 구비하여 연료전지 스택(10)을 모니터링하는 모듈로서, 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수(일례로, 1~10개)의 셀로 이루어진 채널을 구성한다.
일례로, 600개의 개별 셀로 구성된 연료전지 스택(10)에 대해서 3개의 셀을 하나의 채널로 구성하는 경우, 총 채널은 200개가 된다. 이때, 연료전지 스택(10)의 시작 위치의 채널은 연료전지 스택(10)의 각 채널의 임피던스 분포를 파악하는데 이용되는 특이 위치의 채널로서, 채널의 위치적 특성으로 인해 낮은 온도, 매니폴드에 의한 눌림 등과 같은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 중앙 위치의 채널은 연료전지 스택(10)의 각 채널의 임피던스 분포를 파악하는데 이용되는 특이 위치의 채널로서, 채널의 위치적 특성으로 인해 높은 온도 등과 같은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 마지막 위치의 채널은 연료전지 스택(10)의 각 채널의 임피던스 분포를 파악하는데 이용되는 특이 위치의 채널로서, 채널의 위치적 특성으로 인해 낮은 온도, 매니폴드에 의한 눌림 등과 같은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)의 1/4 위치의 채널과 3/4 위치의 채널은 연료전지 스택(10)의 각 채널의 임피던스 분포를 파악하는데 이용되는 특이 위치의 채널이다.
이렇게 구성된 채널을 대상으로 SVM(21)이 채널별로 측정한 전압은 도 2에 도시된 바와 같다. 도 2에서 세로축은 전압(V)을 나타내고, 가로축은 채널번호(Ch No)를 나타낸다.
이후, SVM(21)은 도 3에 도시된 바와 같이 각 채널을 대상으로 각 채널의 전압에 기초하여 연료전지 스택(10)의 상태를 진단하는데 영향을 미치는 채널을 선정한다. 즉, SVM(21)은 전체 채널 중에서 전압이 최소인 채널(이하, 최소전압 채널), 전압이 최대인 채널(이하, 최대전압 채널), 전압이 평균전압인 채널(이하, 평균전압 채널), 전압 변동률이 최대인 채널(이하, 최대전압변동 채널) 전압 변동률이 최소인 채널(이하, 최소전압변동 채널)을 선정한다. 이때, 평균전압은 전체 채널(200개)의 평균전압을 의미한다.
이렇게 선정된 최소전압 채널은 가장 취약한 채널이므로 임피던스 분석이 필요하다. 최대전압 채널은 가장 강건한 채널이므로 임피던스 분석이 필요하며 대조군(comparison group)으로 활용될 수 있다. 평균전압 채널은 평균 상태의 채널이므로 임피던스 분석이 필요하며 대조군으로 활용될 수 있다. 최대전압변동 채널은 전압변동이 크기 때문에 취약한 셀로 발전할 가능성이 있어 임피던스 분석이 필요하다. 최소전압변동 채널은 가장 안정된 상태의 채널이므로 임피던스 분석이 필요하며 대조군으로 활용될 수 있다.
또한, SVM(21)은 최소전압 채널이 복수 개 존재하는 경우에 복수의 최소전압 채널 중에서 임의의 채널을 선정한다. 또한, SVM(21)은 최대전압 채널이 복수 개 존재하는 경우에 복수의 최대전압 채널 중에서 임의의 채널을 선정한다. 또한, SVM(21)은 평균전압 채널이 복수 개 존재하는 경우에 복수의 평균전압 채널 중에서 임의의 채널을 선정한다. 또한, SVM(21)은 최대전압변동 채널이 복수 개 존재하는 경우에 복수의 최대전압변동 채널 중에서 임의의 채널을 선정한다. 또한, SVM(21)은 최소전압변동 채널이 복수 개 존재하는 경우에 복수의 최소전압변동 채널 중에서 임의의 채널을 선정한다.
이후, SVM(21)은 상술한 바와 같이 선정한 채널들을 대상으로 임피던스를 산출한다. 즉, SVM(21)은 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스를 산출한다. 이렇게 산출된 각 채널의 임피던스는 도 4에 도시된 바와 같다. 도 4에서 세로축은 임피던스를 나타내고, 가로축은 채널번호(Ch No)를 나타낸다.
또한, SVM(21)은 상기 산출된 각 채널의 임피던스의 분포를 기반으로 연료전지 스택(10)의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정할 수도 있다. 이때, SVM(21)은 커브 피팅(Curve Fitting) 기법 등을 이용할 수 있다. 이렇게 추정된 임피던스 분포는 도 5에 도시된 바와 같다. 도 5에서 세로축은 임피던스를 나타내고, 가로축은 채널번호(Ch No)를 나타낸다.
또한, SVM(21)은 연료전지 스택(10)의 임피던스(이하, 스택 임피던스)를 산출할 수도 있다. 이때, 스택 임피던스는 종래의 기술에서 언급한 것으로, 연료전지 스택(10)을 채널로 구분하지 않고 연료전지 스택(10)의 전체 셀을 대상으로 산출한 임피던스를 의미한다.
결국, SVM(21)은 연료전지 스택(10)을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성한 후 각 채널의 전압을 측정하고, 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스를 산출하며, 연료전지 스택(10)의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 모든 채널(200개)에 대해 임피던스를 산출하지 않고, 연료전지 스택(10)의 상태 진단에 영향을 미치는 채널(5개)만을 대상으로 임피던스를 산출하기 때문에 연산량을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 제어기(20)는 MCU(Micro Control Unit)로 구현될 수 있으며, SVM(21)로부터 제공되는 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스, 연료전지 스택(10)의 모든 채널의 임피던스 분포와 운전조건(저온 시동 여부)을 기반으로 연료전지 스택(10)의 상태를 진단한다. 이때, 제어기(20)는 연료전지 스택(10)에 구비된 온도센서(미도시)를 통해 운전조건(정상운전, 저온시동)을 확인할 수 있다.
이하, 제어기(20)가 연료전지 스택(10)의 상태를 진단하는 과정에 대해 살펴보기로 한다. 이때, 하기의 경우가 아니면 연료전지 스택(10)을 정상상태로 판단한다. 참고로, 임피던스의 정상범위는 70~100mΩㆍ㎠이다.
1) 최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치(일례로, 120mΩㆍ㎠) 이상이고, 스택 임피던스가 상기 제1 임계치 이상이며 정상운전이면 연료전지 스택(10)의 상태를 가습량 부족상태로 진단한다.
이는 최소전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 모두 높은 경우로서, 수분 부족으로 인해 전해질막 저항이 증가하기 때문에 운전온도와 공기유량 및 수소극 압력을 모두 낮추는 조치사항을 제공할 수 있다.
2) 최소전압 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 평균전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 스택 임피던스가 정상범위보다 낮으며, 정상운전이면 연료전지 스택(10)의 상태를 가습량 과다상태로 진단한다.
이는 최대전압변동 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 모두 낮은 경우로서, 수분 과다에 의한 전압 불안정 현상이 발생하고 및 전해질막 저항이 감소하기 때문에 운전온도와 공기유량 및 수소극 압력을 모두 높이는 조치사항을 제공할 수 있다.
3) 최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 정상범위이고, 적어도 하나 이상의 채널(최소전압 채널, 최대전압 채널, 평균전압 채널, 최대전압변동 채널, 최소전압변동 채널) 간 임피던스 편차가 제2 임계치(일례로, 20mΩㆍ㎠) 이상이며, 정상운전이면 연료전지 스택(10)의 상태를 혼합상태로 진단한다.
이는 채널 간 임피던스 편차가 크고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 높으며, 최대전압변동 채널의 임피던스가 낮은 경우로서, 가습량 부족상태와 가습량 과다상태가 혼합되어 있는 상태로, 가습량 부족으로 인한 전해질막 저항의 증가는 전압손실이 크고, 가습량 과다는 큰 전압변동을 유발하기 때문에 운전온도, 공기유량 및 압력, 수소유량 및 압력 등을 상/하향으로 반복조정하여 연료전지 스택(10)의 상태를 평준화하는 조치사항을 제공할 수 있다.
4) 최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치(일례로, 200mΩㆍ㎠) 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스가 정상범위이며, 연료전지 스택(10)의 시작 위치의 채널(연료/냉각수 입구 주변의 채널)의 임피던스가 정상범위를 초과하고 정상운전이면 연료전지 스택(10)의 상태를 이물질 유입상태로 진단한다.
이는 임피던스 분포에서 연료 또는 냉각수 입구 근처의 채널 임피던스가 크고, 스택 임피던스가 정상이며, 최소전압 채널의 임피던스가 매우 큰 경우로서, 연료 또는 냉각수 입구를 통해 이물질이 유입된 상태로 판단하여 이물질 배출 프로세스를 실시하는 조치사항을 제공할 수 있다. 일례로, 냉각수 입구를 통한 이물질 유입인 경우, 운전온도를 낮추고 고전류 운전을 통해 물 배출을 촉진시킨다.
5) 최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스가 정상범위를 초과하고, 연료전지 스택(10)의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 정상범위를 초과하며, 정상운전이면 연료전지 스택(10)의 상태를 냉각유량 부족상태로 진단한다.
이는 임피던스 분포에 있어 연료전지 스택(10)의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 높은 경우로서, 냉각유량 부족으로 인한 전해질막 저항이 증가하기 때문에 운전온도를 낮추고 냉각수 유량을 높이는 조치사항을 제공할 수 있다.
6) 최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 평균전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 연료전지 스택(10)의 시작 위치의 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이며, 연료전지 스택(10)의 마지막 위치의 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 저온시동이면 연료전지 스택(10)의 상태를 스택빙결 상태로 진단한다. 이때, 연료전지 스택(10)의 시작 위치의 채널의 임피던스와 마지막 위치의 채널의 임피던스는 연료전지 스택(10)의 양단 채널의 임피던스를 의미한다.
이는 저온시동시 스택 임피던스와 최소전압 채널의 임피던스가 높은 경우로서, 셀 내부의 수분 빙결로 인해 유효반응 면적이 감소한 상태로 판단하여 스택 손상을 예방하기 위해 저온시동 프로토콜을 조정하는 조치사항을 제공할 수 있다. 일례로, 50A 출력 저온시동을 20A 출력 저온시동으로 조정하는 조치사항을 제공할 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 상태 진단 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, SVM(21)이 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출한다(601). 이때, SVM(21)은 최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스를 각각 산출한다. 또한, SVM(21)은 상기 산출된 각 채널의 임피던스의 분포를 기반으로 연료전지 스택의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정한다.
이후, 제어기(22)가 SVM(21)에 의해 산출된 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단한다(602).
여기서, 제어기(22)는 최소전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 각각 제1 임계치 이상이고 정상운전이면, 연료전지 스택의 상태를 가습량 부족상태로 진단한다.
또한, 제어기(22)는 최소전압 채널의 임피던스와 최대전압변동 채널의 임피던스 및 스택 임피던스가 각각 정상범위보다 낮고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 평균전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 가습량 과다상태로 진단한다.
또한, 제어기(22)는 최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 정상범위이고, 각 채널 간 임피던스 편차가 제2 임계치 이상이며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 혼합상태로 진단한다.
또한, 제어기(22)는 최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 정상범위이며, 연료전지 스택의 시작 위치의 채널의 임피던스가 정상범위를 초과하며 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 이물질 유입상태로 진단한다.
또한, 제어기(22)는 최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스와 연료전지 스택의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 각각 정상범위를 초과하며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 냉각유량 부족상태로 진단한다.
또한, 제어기(22)는 최소전압 채널의 임피던스와 평균전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스 및 연료전지 스택의 양단 채널의 임피던스가 각각 제3 임계치 이상이고, 저온시동이면 연료전지 스택의 상태를 스택 빙결 상태로 진단한다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 연료전지 스택
20 : 진단 장치
21 : SVM
22 : 제어기
30 : 배터리
40 : 컨버터
50 : 인버터
60 : 모터

Claims (20)

  1. 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출하는 SVM(Stack Voltage Monitor); 및
    상기 SVM이 산출한 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 제어기
    를 포함하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 SVM은,
    최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스 중 하나 이상을 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 SVM은,
    상기 산출된 각 채널의 임피던스의 분포를 기반으로 연료전지 스택의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스, 연료전지 스택의 모든 채널의 임피던스 분포와 운전조건을 기반으로 연료전지 스택의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 각각 제1 임계치 이상이고 정상운전이면, 연료전지 스택의 상태를 가습량 부족상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스와 최대전압변동 채널의 임피던스 및 스택 임피던스가 각각 정상범위보다 낮고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 평균전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 가습량 과다상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 정상범위이고, 각 채널 간 임피던스 편차가 제2 임계치 이상이며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 혼합상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 정상범위이며, 연료전지 스택의 시작 위치의 채널의 임피던스가 정상범위를 초과하며 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 이물질 유입상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스와 연료전지 스택의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 각각 정상범위를 초과하며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 냉각유량 부족상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    최소전압 채널의 임피던스와 평균전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스 및 연료전지 스택의 양단 채널의 임피던스가 각각 제3 임계치 이상이고, 저온시동이면 연료전지 스택의 상태를 스택 빙결 상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 장치.
  11. SVM(Stack Voltage Monitor)이 연료전지 스택을 구성하는 셀들을 대상으로 소정 개수의 셀로 이루어진 채널을 구성하고, 각 채널의 전압을 측정한 후 특정 전압을 가지는 채널의 임피던스를 산출하는 단계; 및
    제어기가 상기 산출된 각 채널의 임피던스에 기초하여 상기 연료전지 스택의 상태를 진단하는 단계
    를 포함하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 임피던스 산출 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스를 각각 산출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 임피던스 산출 단계는,
    상기 산출된 각 채널의 임피던스의 분포를 기반으로 연료전지 스택의 전체 채널의 임피던스 분포를 추정하는 단계
    를 더 포함하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스, 최대전압 채널의 임피던스, 평균전압 채널의 임피던스, 최대전압변동 채널의 임피던스, 최소전압변동 채널의 임피던스, 스택 임피던스, 연료전지 스택의 모든 채널의 임피던스 분포와 운전조건을 기반으로 연료전지 스택의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 각각 제1 임계치 이상이고 정상운전이면, 연료전지 스택의 상태를 가습량 부족상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스와 최대전압변동 채널의 임피던스 및 스택 임피던스가 각각 정상범위보다 낮고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 평균전압 채널의 임피던스가 정상범위이거나 정상범위보다 낮으며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 가습량 과다상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최대전압변동 채널의 임피던스가 정상범위보다 낮고, 최소전압변동 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이며, 스택 임피던스가 정상범위이고, 각 채널 간 임피던스 편차가 제2 임계치 이상이며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 혼합상태로 진단하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스가 제3 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스가 정상범위이며, 연료전지 스택의 시작 위치의 채널의 임피던스가 정상범위를 초과하며 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 이물질 유입상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스가 제1 임계치 이상이고, 최대전압 채널의 임피던스가 정상범위이며, 스택 임피던스와 연료전지 스택의 중앙 위치의 채널의 임피던스가 각각 정상범위를 초과하며, 정상운전이면 연료전지 스택의 상태를 냉각유량 부족상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    최소전압 채널의 임피던스와 평균전압 채널의 임피던스와 스택 임피던스 및 연료전지 스택의 양단 채널의 임피던스가 각각 제3 임계치 이상이고, 저온시동이면 연료전지 스택의 상태를 스택 빙결 상태로 진단하는 연료전지 스택의 상태 진단 방법.
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