KR20220049966A - 수소 연료전지 기밀진단방법 - Google Patents

수소 연료전지 기밀진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 연료전지 기밀진단방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소극에 수소를 충진하여 압력 변화 정도에 따라 수소의 누출을 감지하도록 함으로써 별도의 장치없이 차량, 드론 등의 주행 중에도 정확한 수소 누출의 감지가 가능하고, 스택 내부 전해질막 리크에 의해 발생하는 수소 누출과 외부 리크에 의한 누출 모두를 구분하여 정확하게 감지할 수 있도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법에 관한 것이다.

Description

수소 연료전지 기밀진단방법{A Method for Detecting Leakage of Hydrogen Fuel Cell}
본 발명은 수소 연료전지 기밀진단방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소극에 수소를 충진하여 압력 변화 정도에 따라 수소의 누출을 감지하도록 함으로써 별도의 장치없이 차량, 드론 등의 주행 중에도 정확한 수소 누출의 감지가 가능하고, 스택 내부 전해질막 리크에 의해 발생하는 수소 누출과 외부 리크에 의한 누출 모두를 구분하여 정확하게 감지할 수 있도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 산업용, 가정용 및 차량용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 휴대기기의 전력을 공급하는데에도 이용될 수 있다.
연료전지는 여러 종류가 존재하나 높은 전력 밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이 주로 사용되고 있으며, 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극접합체에는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode, 공기극) 및 애노드(Anode, 수소극)로 구성된다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소를 포함하는 연료와 공기와 같은 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 공급된 연료가 애노드 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온이 고분자 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산화제와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
그러나 수소는 무색, 무미, 무취의 폭발성이 강한 기체로 아주 미세한 정전기에도 쉽게 발화하는 성질이 있으며, 특히 공기와 접촉하는 경우에는 특정 혼합비에서 자연 발화되어 폭발하게 되는 위험이 있다.
따라서, 기존의 연료전지에서는 아래 특허문헌과 같이 연료전지 주위에 수소를 감지하는 수소센서를 설치하여 연료전지로부터 누출되는 수소를 감지하도록 하였다.
그러나 이러한 수소감지센서는 연료전지의 외부리크를 통해 누출되는 수소만을 감지할 수 있으며, 이마저도 차량 등의 주행중인 경우에는 수소가 희석되어 수소 감지의 정확성이 떨어지게 된다.
또한, 연료전지 전해질막의 내부 리크 발생시에는 수소의 유출을 감지하기 어렵고, 공기극에서의 수소와의 직접 접촉을 통해 폭발이 발생할 위험이 존재한다.
따라서, 친환경적인 연료전지의 사용 확대를 위해서는 수소의 누출을 정확하게 감지하고 폭발 위험에 미리 대처할 수 있도록 하는 기술 개발의 필요성이 매우 높은 상황이다.
(특허문헌)
등록특허공보 제10-1714128호(2017.03.02. 등록)"연료전지차량의 수소 누출 판단 시스템 제어방법"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 수소극에 수소를 충진하여 압력 변화 정도에 따라 수소의 누출을 감지하도록 함으로써 별도의 장치없이 차량, 드론 등의 주행 중에도 정확한 수소 누출의 감지가 가능하고, 스택 내부 전해질막 리크에 의해 발생하는 수소 누출과 외부 리크에 의한 누출 모두를 구분하여 정확하게 감지할 수 있도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소극의 압력 변화에 대한 변곡점을 이용하여 수소 누출이 이루어지지 않는 정상상태, 스택의 내외부 리크를 정확하게 감지할 수 있도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 변곡점이 발생하는 압력과 시간에 의하여 수소 누출 상태의 정확한 감지가 가능하도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 외부 저항을 이용하여 공기극에 잔존하는 산소를 제거하도록 함으로써, 수소극의 압력 변화에 따른 누출 감지가 더욱 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 수소 연료전지 기밀진단방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법은 수소극에 수소를 공급하여 설정된 압력으로 상승시키는 수소충진단계와, 수소의 충진후 수소극에서의 압력 변화 정도에 따라 연료전지의 기밀 상태를 진단하는 기밀진단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 수소충진단계는 연료전지에 대한 공기의 공급을 차단하는 공기공급차단단계와, 수소극에 수소를 공급하는 수소공급단계와, 수소극의 압력이 설정된 압력에 도달하는 경우 수소의 공급을 중단하는 수소공급차단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 기밀진단단계는 수소극의 압력 변화의 정도가 일정정도 이상으로 변화하는 변곡점을 이용하여 정상상태, 스택의 외부리크, 내부리크를 검출하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 기밀진단단계는 수소의 충진후 수소극에 대한 압력 변화의 패턴을 측정하는 압력변화패턴측정단계와; 측정된 압력변화 패턴을 이용하여 변곡점의 위치를 산출하는 변곡점산출단계와; 변곡점에서의 수소극 압력, 변곡점 도달까지의 시간을 이용하여 수소극의 누출 상태를 판단하는 상태판별단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 상태판별단계는 수소 누출에 관하여 정상상태로 판단하는 정상판단단계를 포함하고, 상기 정상판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 (P1-0.21*2)Bara를 기준으로 일정 범위 내에서 변곡점이 생성되는 경우 정상상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에서, 상기 정상판단단계는 수소극의 압력이 P1에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간보다 (P1-0.21*2)Bara에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간이 더 길고, 초기상태에서 수소극 압력이 1Bara로 감소하는 시간이 60초보다 길 때 정상상태로 판단하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에, 상기 상태판별단계는 스택의 내부리크 발생으로 판단하는 내부리크판단단계를 포함하고, 상기 내부리크판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 (P1-0.21*2+0.79)/2 Bara를 기준으로 일정 범위 내에서 변곡점이 발생하고 변곡점이 발생하는 시간이 초기상태로부터 30초미만일 때 내부리크로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 상태판별단계는 스택의 외부리크 발생으로 판단하는 외부리크판단단계를 포함하고, 상기 외부리크판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 1Bara의 일정 범위 내에서 변곡점이 발생하고 변곡점이 발생하는 시간이 초기상태로부터 30초미만일 때 외부리크로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법은 수소의 충진 후 외부 저항을 이용하여 공기극의 산소를 제거하는 잔존산소제거단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법에 있어서, 상기 잔존산소제거단계는 공기극에 외부 저항을 연결하는 외부저항연결단계와, 연료전지의 셀전압을 측정하는 셀전압측정단계와, 셀전압이 설정된 전압 이하로 감소할 때 외부저항의 연결을 종료하는 제거종료단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 수소극에 수소를 충진하여 압력 변화 정도에 따라 수소의 누출을 감지하도록 함으로써 별도의 장치없이 차량, 드론 등의 주행 중에도 정확한 수소 누출의 감지가 가능하고, 스택 내부 전해질막 리크에 의해 발생하는 수소 누출과 외부 리크에 의한 누출 모두를 구분하여 정확하게 감지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 수소극의 압력 변화에 대한 변곡점을 이용하여 수소 누출이 이루어지지 않는 정상상태, 스택의 내외부 리크를 정확하게 감지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 변곡점이 발생하는 압력과 시간에 의하여 수소 누출 상태의 정확한 감지가 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 외부 저항을 이용하여 공기극에 잔존하는 산소를 제거하도록 함으로써, 수소극의 압력 변화에 따른 누출 감지가 더욱 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법의 순서도
도 2는 수소충진단계의 과정을 나타내는 순서도
도 3은 잔존산소제거단계의 과정을 나타내는 순서도
도 4는 기밀진단단계의 과정을 나타내는 순서도
도 5는 상태판별단계의 과정을 나타내는 순서도
도 6은 정상상태(a), 내부리크상태(b), 외부리크상태(c)에 따라 수소극의 압력 변화를 나타내는 그래프
이하에서는 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법을 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 상기 수소 연료전지 기밀진단방법은 수소극에 수소를 공급하여 설정된 압력으로 상승시키는 수소충진단계(S1)와, 수소의 충진 후 외부 저항을 이용하여 공기극의 산소를 제거하는 잔존산소제거단계(S2)와, 수소의 충진후 수소극에서의 압력 변화 정도에 따라 연료전지의 기밀 상태를 진단하는 기밀진단단계(S3)를 포함한다.
수소 연료전지에 있어서 수소가 외부로 누출되는 경우 높은 폭발 위험이 존재하며, 이를 위해 연료전지에는 수소를 감지하는 센서가 설치되어 수소의 누출을 감지하도록 하고 있다.
그러나 앞서 배경기술에서 살펴본 바와 같이 수소 센서를 이용하여 수소를 감지하는 경우에는 외부 리크로 인한 누출만을 감지할 수 있을 뿐, 스택 내의 전해질막(멤브레인)의 내부 리크를 통해 공기극으로 수소가 누출되는 것은 감지할 수 없으며, 이러한 경우에도 공기극의 공기와의 직접 접촉을 통해 폭발 위험이 높아지게 된다. 또한, 연료전지가 드론 또는 차량 등에 설치되는 경우 주행중 발생하는 주행풍에 의해 수소가 희석되어 수소의 누출을 정확하게 감지할 수 없게 되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 수소극에 수소를 주입하여 수소극의 압력 변화를 관찰하도록 하고, 압력 변화의 패턴, 더욱 정확하게는 압력 변화의 정도가 급격하게 변하는 변곡점이 발생하는 수소극의 압력과 시간에 따라 수소의 누출을 감지할 수 있도록 하였다. 특히, 본 발명은 변곡점에 따라 수소가 누출되지 않는 정상상태, 내부 전해질막의 내부리크, 외부 손상을 통한 외부리크를 구분하여 진단하도록 함으로써, 연료전지의 손상과 부위를 신속하고 정확하게 감지할 수 있도록 하였다.
따라서, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법은 별도의 장치 없이도 수소의 누출과 누출부위를 정확하게 감지할 수 있으며, 연료전지가 정지한 경우 또는 IDLE STOP 시에 작동하여 수소의 누출을 감지하도록 할 수 있다.
상기 수소충진단계(S1)는 수소극에 수소를 충진하는 과정으로, 공기극을 통한 공기의 공급을 차단한 다음 수소극에 수소를 일정 압력까지 주입하도록 한다. 이를 위해, 상기 수소충진단계(S1)는 공기공급차단단계(S11), 수소공급단계(S12), 수소공급차단단계(S13)를 포함할 수 있다.
상기 공기공급차단단계(S11)는 공기극을 통한 공기의 공급을 차단하는 과정으로, 연료전지를 통해 전기의 발생을 중단할 수 있도록 하며, 이를 통해 수소극의 압력 변화를 통한 수소 누출의 감지가 정확하게 이루어질 수 있도록 한다.
상기 수소공급단계(S12)는 수소극에 수소를 공급하는 과정으로, 기존의 수소 공급 장치를 이용하여 그대로 수소를 공급하게 된다. 상기 수소공급단계(S12)는 상기 공기공급차단단계(S11)에 의해 공기의 공급이 차단된 후 수소를 공급하도록 하며, 설정된 압력이 될 때까지 수소의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 수소공급차단단계(S13)는 수소공급단계(S12)에서의 수소 공급을 중단하는 과정으로, 설정된 압력에서 수소의 공급을 중단하도록 한다. 수소공급차단단계(S13)에서 수소의 공급이 중단될 때의 설정된 압력을 P1이라고 가정하며, P1은 1Bara 이상이 되도록 하는 것이 바람직하고, P1으로부터 수소극에서의 수소 압력이 변하는 패턴에 따라 수소의 누출을 진단할 수 있도록 한다.
상기 잔존산소제거단계(S2)는 공기극에 잔존하는 산소를 제거하는 과정으로, 공기극에서의 산소 제거를 통해 수소이온과 산소의 혼합에 의해 전기가 발생하는 것을 차단하도록 하고, 이에 따라 수소극에서의 압력 패턴 변화가 정확하게 측정될 수 있도록 한다. 상기 잔존산소제거단계(S2)는 연료전지에서 발생하는 전압이 일정 정도 이하가 될 때까지 공기극에 잔존하는 공기를 제거하도록 하여, 전기의 발생이 이루어지지 않는 정도의 충분한 공기 제거가 이루어질 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 잔존산소제거단계(S2)는 외부저항연결단계(S21), 셀전압측정단계(S22), 제거종료단계(S23)를 포함할 수 있다.
상기 외부저항연결단계(S21)는 공기극에 외부 저항을 연결하는 과정으로, 외부 저항의 연결을 통해 공기극에 잔존하는 산소를 제거하도록 할 수 있다. 상기 외부저항연결단계(S21)는 공기극에 외부 저항을 직렬로 연결하여 산소를 제거하도록 할 수 있으며, 연료전지의 셀에서 발생하는 전압이 일정전압 이하가 될 때까지 산소를 제거할 수 있도록 한다.
상기 셀전압측정단계(S22)는 상기 외부저항연결단계(S21)에서 공기극에 외부 저항을 연결시킨 후 연료전지의 셀에서 발생하는 전압을 측정하는 과정으로, 일정전압에 도달하는지 여부를 확인할 수 있도록 한다.
상기 제거종료단계(S23)는 외부 저항의 연결을 통한 잔존 산소의 제거를 종료하는 과정으로, 셀전압측정단계(S22)에서 측정되는 전압이 설정된 일정전압 이하가 되는 경우 외부 저항의 연결을 종료하도록 한다. 일 예로, 상기 제거종료단계(S23)는 셀 전압이 0.1V 이하로 감소하는 경우 외부 저항의 연결을 종료하도록 할 수 있다.
상기 기밀진단단계(S3)는 수소극의 압력 변화에 따라 수소의 누출 여부를 감지하는 과정으로, 수소가 누출되지 않는 정상상태, 연료전지의 전해질막의 내부 리크가 발생한 상태, 연료전지의 외부 리크가 발생한 상태를 구분하여 감지할 수 있도록 한다. 상기 기밀진단단계(S3)는 상기 수소충진단계(S1)에서 수소극에 수소를 일정압력까지 충진하고, 상기 잔존산소제거단계(S2)에서 공기극에 잔존하는 산소를 제거한 후 수소극의 압력 변화를 측정하도록 하며, 압력의 변화정도가 급격하게 변하는 변곡점에 따라 수소의 누출 상태를 진단하도록 한다. 다시 말해, 수소가 누출되지 않는 정상상태에서는 수소극의 압력이 초기에만 급격하게 감소하다 긴 시간에 걸쳐 완만하게 감소하는 변화 패턴을 가지며, 내부 리크 및 외부 리크의 경우에는 짧은 시간에 압력이 급격하게 감소하면서 외부리크의 경우 더욱 낮은 압력에서 변곡점이 발생하는 특징을 갖는다. 특히, 본 발명에서는 정상상태, 내부리크, 외부리크의 발생에 따라 변곡점이 발생하는 압력과 시간을 실험을 통해 특정하였으며, 이에 따라 상기 기밀진단단계(S3)에서는 수소극의 압력 변화 패턴에 따라 변곡점을 산출하고, 변곡점에서의 수소극의 압력, 초기상태로부터의 경과시간에 따라 자동으로 정상상태, 내부리크, 외부리크를 판별하도록 한다. 이를 위해, 상기 기밀진단단계(S3)는 압력변화패턴측정단계(S31), 변곡점산출단계(S32), 상태판별단계(S33)를 포함할 수 있다.
상기 압력변화패턴측정단계(S31)는 수소극의 압력 변화를 측정하는 과정으로, 수소극의 압력을 측정하여 시간에 따른 변화를 검출하도록 한다. 따라서, 상기 압력변화패턴측정단계(S31)는 도 6에 도시된 바와 같은 형태로 수소극의 압력이 감소하는 형태의 그래프로 나타내어질 수 있으며, 시간에 따른 압력의 변화정도가 측정된다.
상기 변곡점산출단계(S32)는 압력의 변화정도가 급격하게 변하는 변곡점을 산출하는 과정으로, 상기 압력변화패턴측정단계(S31)에서 측정된 압력의 변화패턴에 따라, 즉 도 6에 도시된 바와 같은 그래프 상에서의 변곡점을 산출하도록 한다. 상기 변곡점산출단계(S32)에서 산출되는 변곡점은 압력의 변화정도, 즉 기울기의 절대값이 변하는 정도가 설정된 값보다 크게 변화하는 시점과 그 시점에서의 압력을 산출해내도록 할 수 있다. 일 예로, 상기 변곡점산출단계(S32)는 도 6에서 보는 바와 같이 수소극에서의 압력이 급격하게 감소하다가 서서히 감소하는 것으로 변화되는 지점을 변곡점으로 산출하도록 할 수 있으며, 시간에 따른 압력값 변화의 기울기가 일정한 설정값 이상으로 변화하는 지점을 변곡점으로 산출하도록 한다.
상기 상태판별단계(S33)는 수소 누출에 관한 정상상태, 내부리크 및 외부리크가 발생한 상태를 판별하는 과정으로, 상기 변곡점산출단계(S32)에서 산출된 변곡점에서의 수소극 압력, 시간에 따라 각 상태를 판별하도록 한다. 이를 위해, 상기 상태판별단계(S33)는 정상판단단계(S331), 내부리크판단단계(S332), 외부리크판단단계(S333)를 포함할 수 있다.
상기 정상판단단계(S331)는 수소극의 압력 변화에 따라 수소의 누출이 없는 정상상태로 판단하는 과정으로, 상기 변곡점산출단계(S32)에서 산출된 변곡점에서의 압력이 도 6(a)에 도시된 바와 같이 (P1-0.21*2)Bara 일 때 정상상태로 판별하도록 할 수 있으며, 일정 오차의 반영을 위해 (P1-0.21*2)Bara를 기준으로 변곡점에서의 압력이 일정 범위 내일 때 정상상태로 판별하도록 할 수 있다. 또한, 상기 정상판단단계(S331)는 더욱 정확한 정상상태의 판별을 위해 시간의 조건을 추가하도록 할 수 있으며, 도 6(a)에 도시된 바와 같이 수소극의 압력이 P1에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간 t1보다 (P1-0.21*2)Bara에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간 t2가 더 길고, 초기상태에서 수소극 압력이 1Bara로 감소하는 시간이 60초보다 길 때 정상상태로 판단하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 정상판단단계(S331)는 초기에만 압력이 급격하게 감소한 후 변곡점으로부터 충분한 시간을 가지며 완만하게 감소하는 경우를 정확하게 판단하여 정상상태를 판별하도록 할 수 있다.
상기 내부리크판단단계(S332)는 연료전지 내의 전해질막에 내부 리크가 발생하여 공기극으로 수소가 누출되는 상태를 판별하는 구성으로, 역시 수소극의 압력 변화 패턴에 따라 발생하는 변곡점에서의 압력에 따라 내부 리크 상태로 진단할 수 있도록 한다. 상기 내부리크판단단계(S332)는 수소극에서의 압력의 변화정도가 일정 정도 이상으로 변하는, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 급격한 감소에서 완만한 감소로 변하는 변곡점에서의 압력이 (P1-0.21*2+0.79)/2 Bara 인 경우 내부 리크 상태로 판단하도록 하며, 일정오차를 수용하기 위해 (P1-0.21*2+0.79)/2 Bara에서 일정 범위 내에 변곡점의 압력이 존재하는 경우 내부 리크로 판단할 수 있도록 한다. 또한, 상기 내부리크판단단계(S332)는 변곡점에 도달하는 시간(t3)을 측정하여 30초이내인 경우 내부리크로 판단하도록 함으로써, 더욱 정확한 내부 리크의 감지가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 외부리크판단단계(S333)는 스택 외부로 수소가 누출되는 상태를 감지하는 과정으로, 역시 수소극의 압력 변화 패턴에 따라 발생하는 변곡점에서의 압력에 따라 외부 리크 상태로 진단할 수 있도록 한다.상기 외부리크판단단계(S333)는 도 6(c)에 도시된 바와 같이 수소극의 압력이 1Bara에서 변곡점이 생성되는 경우 외부 리크로 판단하도록 할 수 있으며, 일정 오차를 반영하기 위해 1Bara로부터 일정 범위 내의 압력에서 변곡점이 생성되는 경우 외부 리크로 판단하도록 할 수 있다. 또한, 상기 외부리크판단단계(S333)는 변곡점이 생성되는 시간(t4)이 초기상태로부터 30초 이내인 경우 외부 리크로 판단하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 수소 연료전지 기밀진단방법은 별도의 장치를 설치하지 않고도 수소극에 대한 수소의 주입과 압력 변화의 패턴 측정만으로 수소의 누누출 여부를 감지할 수 있으며, 특히, 수소가 누출되지 않는 정상상태, 내부 전해질막의 내부리크, 스택의 외부리크를 통한 수소의 누출을 구분하여 진단하도록 함으로써 수소 누출에 대한 신속하고 정확한 대처가 이루어지도록 할 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
S1: 수소충진단계 S11: 공기공급차단단계
S12: 수소공급단계 S13: 수소공급차단단계
S2: 잔존산소제거단계 S21: 외부저항연결단계
S22: 셀전압측정단계 S23: 제거종료단계
S3: 기밀진단단계 S31: 압력변화패턴측정단계
S32: 변곡점산출단계 S33: 상태판별단계
S331: 정상판단단계 S332: 내부리크판단단계
S333: 외부리크판단단계

Claims (10)

  1. 수소극에 수소를 공급하여 설정된 압력으로 상승시키는 수소충진단계와,
    수소의 충진후 수소극에서의 압력 변화 정도에 따라 연료전지의 기밀 상태를 진단하는 기밀진단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수소충진단계는
    연료전지에 대한 공기의 공급을 차단하는 공기공급차단단계와, 수소극에 수소를 공급하는 수소공급단계와, 수소극의 압력이 설정된 압력에 도달하는 경우 수소의 공급을 중단하는 수소공급차단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기밀진단단계는
    수소극의 압력 변화의 정도가 일정정도 이상으로 변화하는 변곡점을 이용하여 정상상태, 스택의 외부리크, 내부리크를 검출하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기밀진단단계는
    수소의 충진후 수소극에 대한 압력 변화의 패턴을 측정하는 압력변화패턴측정단계와; 측정된 압력변화 패턴을 이용하여 변곡점의 위치를 산출하는 변곡점산출단계와; 변곡점에서의 수소극 압력, 변곡점 도달까지의 시간을 이용하여 수소극의 누출 상태를 판단하는 상태판별단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 상태판별단계는
    수소 누출에 관하여 정상상태로 판단하는 정상판단단계를 포함하고,
    상기 정상판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 (P1-0.21*2)Bara를 기준으로 일정 범위 내에서 변곡점이 생성되는 경우 정상상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  6. 제 5 항에서, 상기 정상판단단계는
    수소극의 압력이 P1에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간보다 (P1-0.21*2)Bara에서 0.1Bara 만큼 감소하는 시간이 더 길고, 초기상태에서 수소극 압력이 1Bara로 감소하는 시간이 60초보다 길 때 정상상태로 판단하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  7. 제 4 항에, 상기 상태판별단계는
    스택의 내부리크 발생으로 판단하는 내부리크판단단계를 포함하고,
    상기 내부리크판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 (P1-0.21*2+0.79)/2 Bara를 기준으로 일정 범위 내에서 변곡점이 발생하고 변곡점이 발생하는 시간이 초기상태로부터 30초미만일 때 내부리크로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 상태판별단계는
    스택의 외부리크 발생으로 판단하는 외부리크판단단계를 포함하고,
    상기 외부리크판단단계는 수소가 충진되는 초기압력이 P1일 때 수소극 압력이 1Bara의 일정 범위 내에서 변곡점이 발생하고 변곡점이 발생하는 시간이 초기상태로부터 30초미만일 때 외부리크로 판단하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 수소 연료전지 기밀진단방법은
    수소의 충진 후 외부 저항을 이용하여 공기극의 산소를 제거하는 잔존산소제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 잔존산소제거단계는
    공기극에 외부 저항을 연결하는 외부저항연결단계와, 연료전지의 셀전압을 측정하는 셀전압측정단계와, 셀전압이 설정된 전압 이하로 감소할 때 외부저항의 연결을 종료하는 제거종료단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료전지 기밀진단방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120136824A (ko) * 2011-06-10 2012-12-20 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법
KR20200056188A (ko) * 2018-11-14 2020-05-22 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그의 제어방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120136824A (ko) * 2011-06-10 2012-12-20 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 산소 및 수소 누설 검출 방법
KR20200056188A (ko) * 2018-11-14 2020-05-22 현대자동차주식회사 연료전지 시스템 및 그의 제어방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116505030A (zh) * 2023-06-28 2023-07-28 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法
CN116505030B (zh) * 2023-06-28 2023-09-01 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池系统的中冷器漏气诊断方法

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