KR101610118B1 - 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템 - Google Patents

연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지의 임피던스 측정방법은, 임피던스 측정장치가, 연료전지에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입하는 단계와, 임피던스 측정장치가, 연료전지로부터 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하는 단계와, 임피던스 측정장치가, 합성파 전류 및 응답 전압을 이용하여 연료전지의 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템{Method and device for measuring fuel cell impedance, and system for measuring the same}
본 발명은 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 사각파(rectangular wave)와 같은 비정현 주기파(Nonsinusoidal periodic waveform)인 합성파(associated wave)를 이용하는 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로 일종의 발전 장치라고 할 수 있다. 기본적으로 산화 및 환원 반응을 이용한다는 점에서 화학 전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지 반응을 하는 화학 전지와는 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응 생성물이 연속적으로 시스템 외부로 제거되는 차이점이 있다. 최근에는 연료 전지에 대한 실용화가 이루어지고 있으며, 연료 전지의 반응 생성물이 순수한 물이기 때문에 친환경적인 차량의 에너지원으로 사용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기 및 전자제품의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
예를 들어, 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 시동시간과 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), 및 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함할 수 있다.
연료 전지는 복수의 단위 셀(unit cell)들이 연속적으로 배치된 스택 어셈블리(Stack Assembly)로 구성되며, 이를 연료 전지 스택(fuel cell stack) 이라고 한다. 연료 전지 스택의 단위 셀들에 연료인 수소와 산화제인 산소를 제공하여 전기 에너지를 생산한다. 연료 전지 스택을 구성하는 단위 셀들 중에서 어느 하나의 셀에서 성능저하가 발생되거나 고장이 발생되면 연료 전지 스택의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생한다.
연료 전지 스택의 각 단위 셀에서 출력되는 전압을 측정하여 연료 전지 스택의 성능을 진단하는데, 이러한 진단 방법으로는 THDA(total harmonic distortion analysis) 방법이 있다. 이 방법은 스택 전압의 주파수분석을 통하여 왜곡(distortion)율을 산출하여 셀전압을 진단한다. 그러나 이러한 방법은 셀 전압의 하락은 용이하게 검출할 수 있으나, 실질적으로 셀 전압 하락의 원인을 정량적으로 측정하기 어려운 단점이 있을 수 있다.
또한 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 이용하여 연료 전지 스택의 임피던스를 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 정현파(sine wave)의 전류 또는 전압을 연료 전지 스택으로 공급한 다음에 연료 전지 스택의 전류(I)와 전압(V)을 측정하고 이를 토대로 임피던스를 산출한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제(목적)는, 사각파(square wave)와 같은 비정현 주기파인 합성파를 이용하는 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결(달성)하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법은, 임피던스 측정장치가, 연료전지에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입하는 단계; 상기 임피던스 측정장치가, 상기 연료전지로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하는 단계; 및 상기 임피던스 측정장치가, 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합성파의 전류는, 사각파, 삼각파(triangle wave), 또는 톱니파(sawtooth wave)의 전류일 수 있다.
상기 사각파 생성을 위한 전력이 동일한 조건에서 상기 사각파의 듀티 레이트(duty rate)는 1% 이상이고 10% 이하일 수 있다. 상기 사각파의 듀티 레이트는, 50%, 25%, 20%, 또는 5%일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정장치는, 연료전지에 인가되는 비정현 주기파인 합성파 전류를 발생하는 신호 발생부; 상기 연료전지로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하는 신호 수신부; 및 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함할 수 있다.
상기 합성파의 전류는, 사각파, 삼각파, 또는 톱니파의 전류일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정시스템은, 전기부하에 연결된 연료전지; 상기 연료전지에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입한 후 상기 연료전지로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하고, 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정장치; 및 상기 임피던스 측정장치로부터 임피던스 측정 결과 정보를 수신하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 합성파의 전류는, 사각파, 삼각파, 또는 톱니파의 전류일 수 있다.
상기 사각파 생성을 위한 전력이 동일한 조건에서 상기 사각파의 듀티 레이트(duty rate)는 1% 이상이고 10% 이하일 수 있다. 상기 사각파의 듀티 레이트는, 50%, 25%, 20%, 또는 5%일 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템은, 사각파(직각파)와 같은 비정현 주기파 1개를 사용하여 연료전지의 임피던스를 측정할 수 있으므로, 다수의 사인파(sine wave) 교류들을 사용하여 연료전지의 임피던스를 측정하는 방법보다 더 효과적으로 연료전지의 임피던스를 측정할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법, 측정장치, 및 측정시스템은, 사각파와 같은 비정현 주기파를 사용하여 연료전지의 임피던스를 측정하므로, 연료전지 임피던스 측정을 간소화하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 측정용 교류전류의 파형을 사인파에서, 생성하기 쉽고 고주파 교류 전류를 포함하는 비정현 주기파로 변경함으로써, 측정용 교류전류 제어를 단순화시킬 수 있다.
또한 본 발명은 비정현 주기파가 다수의 사인파들의 합으로 표현될 수 있다는 푸리에 변환(Fourier transform)(또는 푸리에 급수(Fourier series))의 특성(정의)을 이용한다. 따라서 본 발명은 하나의 비정현 주기파를 측정용 전류로 사용할 수 있으므로, 측정용 교류전류의 개수를 감소시킬 수 있다. 그러므로 측정용 교류전류의 진폭 및 위상 제어의 강건성(robustness)이 증대될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 교류 임피던스 측정방법에 따른 연료전지에 주입되는 교류전류를 시간 영역 및 주파수 영역에서 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법에서 사용되는 임피던스 측정용 교류전류와, 교류전류에 대응하는 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면(그래프(graph))이다.
도 3은 도 2에 도시된 사각파의 듀티 레이트 조절에 따른 임피던스 측정값의 표준편차를 설명하는 도면(그래프)이다.
도 4는 도 2의 사각파의 듀티 레이트 조절에 따른 임피던스 측정값의 표준편차를 설명하는 도표(table)이다.
도 5는 사각파의 듀티 레이트 조절에 따른 사각파의 주파수 영역값을 설명하는 도표(table)이다.
도 6은 본 발명의 사각파의 듀티 레이트 조절에 대비되는 사인파(sine wave)의 주파수 영역값을 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 17은 본 발명의 사각파의 듀티 레이트 값에 따른 사각파의 주파수 영역값을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법이 적용되는 시스템을 설명하는 블록도(block diagram)이다.
도 19는 도 18의 시스템에 사각파와 사인파 교류전류을 입력한 경우의 임피던스 측정값의 예를 나타내는 그래프이다.
도 20은 도 18의 시스템에 사각파와 사인파 교류전류을 입력한 경우의 임피던스 측정값의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 21은 도 18에 도시된 임피던스 측정장치의 실시예를 설명하는 블록도이다.
도 22는 도 18에 도시된 연료전지의 실시예를 설명하는 도면이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
고분자 전해질 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell)와 같은 연료전지의 성능과 수명은, 연료전지의 운전조건(operating condition)에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 연료전지의 운전조건에는 전류, 온도, 반응물질의 양, 반응물질의 압력, 냉각물질의 양, 또는 함수량(water content) 등이 있을 수 있다.
전술한 연료전지 운전 조건을, 연료전지의 현재 상태에 기반하여 최적으로 제어하기 위하여, 업계에서는 연료전지 상태진단을 다양한 방면으로 실시하고 있다. 상기 연료전지 상태진단의 예는, 교류 임피던스(impedance) 측정, 전류전압 곡선 측정(전류 대 전압 곡선 측정), 또는 촉매 면적 측정 등이 있을 수 있다.
상기 교류 임피던스 측정은, 수~수십 주파수 영역의 교류 신호를 연료전지에 주입(인가)한 후, 각각의 전압응답을 측정하여 임피던스를 계산하는 방법일 수 있다. 교류 임피던스 측정은 일반적으로 실험실에서 이루어진다. 이는 임피던스 측정에 필요한 수~수십 주파수의 영역의 교류 신호를 만들어 내고 분석할 때, 복잡한 장치, 비용, 그리고 시간이 필요하기 때문이다.
부연하여 설명하면, 상기 연료전지의 임피던스를 측정할 때 다수개의 교류들을 사용하는 방법은, 2개 이상의 교류전류를 발생시켜 연료전지에 주입할 수 있다. 이를 위해 복잡하고 정밀한 전력반도체 제어가 필요할 수 있다. 임피던스 이론 자체가 sine파를 기본(base)로 하기 때문에, 상기 교류 임피던스 측정 방법에서는, 사각파와 같은 합성파가 사용되지 않는다.
도 1은 교류 임피던스 측정방법에 따른 연료전지에 주입되는 교류전류를 시간 영역 및 주파수 영역에서 나타낸 도면이다.
교류 임피던스 측정방법에서, 도 1에 도시된 교류전류를 생성하기 위하여, 복잡한 전류제어가 필요하며, 주입되는 전류의 수만큼 임피던스 측정의 복잡성이 증대되며 측정의 강건성이 저하될 수 있다.
부연하여 설명하면, 임피던스는 크기(magnitude)와 위상(phase) 성분을 가지고 있다. 연료전지의 임피던스를 측정하기 위해, 주입하는 교류전류 주파수의 종류가 늘어날 수록 크기(magnitude)와 위상(phase) 계산에 요구되는 연산능력도 증대된다.
또한 임피던스는 위상(phase)에 따라 실수부(real part)와 허수부(imaginary part)의 크기가 민감하게 결정되는 특징을 가지고 있다. 따라서 잡음이 심한 환경인 자동차에서 연료전지 임피던스 측정을 실행할 경우, 상기 측정의 강건성(robustness)은 상당한 위협을 받을 수 있다. 그러므로 다수의 교류전류를 주입하는 측정방식은, 교류전류의 개수가 많을 수록 측정의 강건성이 저하된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법에서 사용되는 임피던스 측정용 교류전류와, 교류전류에 대응하는 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면(그래프(graph))이다.
본 발명은, 도 2의 1인 진폭(amplitude)을 가지는 사각파(직각파), 삼각파, 또는 톱니파와 같은 1개의 합성파를 사용하여 연료전지 임피던스를 측정할 수 있다. 임피던스 이론 자체가 sine파를 기본(base)로 하기 때문에, 본 발명은 사각파(직각파)와 같은 비정현 주기파를 사용하는 것에 의해 교류 임피던스 측정 방법에서의 문제점을 극복할 수 있는 효과를 가질 수 있다. 따라서 본 발명은 연료전지 임피던스 측정을 간소화하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 연료전지를 포함하는 차량에 적용되어 연료전지의 임피던스를 효율적으로 측정할 수 있다.
본 발명은 임피던스 측정용 교류전류를 정현파 형태로 생성하지 않고, 사각파, 삼각파, 또는 톱니파 등 주파수 영역에서 정현파의 합으로 표현되는 형태로 생성할 수 있다.
사각파를 측정용 교류전류로 사용할 때, 사각파를 표현하는, 기본주파수의 정현파 교류와 기본주파수의 홀수 배의 정현파 교류를 함께 사용하는 것과 같은 효과가 있다. 이 사실은 사각파의 푸리에 급수(series)(또는 푸리에 변환)을 통해 다음과 같은 [수학식]을 통해 확인할 수 있다.
[수학식]
Figure 112014079990799-pat00001
상기 [수학식]에서,
Figure 112014079990799-pat00002
및
Figure 112014079990799-pat00003
는 푸리에 급수의 계수를 지시(indication)할 수 있다. 상기 [수학식]은, 크기가 0 및 1로 변하는 사각파의 푸리에 급수 계수를 나타낼 수 있다.
도 2에서 확인할 수 있는 것처럼, 시간영역에서 일정한 주파수를 갖는 사각파는 주파수 영역에서 여러 주파수의 사인파들(sine waves)의 합으로 해석될 수 있다. 따라서 하나의 사각파를 임피던스 측정용 신호로 사용하는 것은 여러 개의 사인파를 임피던스 측정용 신호로 사용하는 것과 같은 효과를 가질 수 있다.
연료전지의 임피던스 측정은, 측정의 신뢰성을 향상시키기 위해 측정 신호의 크기가 클 필요가 있을 수 있다. 그러나 측정신호가 크면, 측정에 소비되는 전력이 증가하는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 사각파의 듀티 레이트(Duty Rate)의 조절을 통해, 전력 소모량 증가 없이 측정의 신뢰성이 향상될 수 있거나 또는, 동일한 측정 신뢰성을 확보하기 위한 소모 에너지가 감소될 수 있다. 이는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 임피던스 측정의 신뢰성이 측정 신호의 진폭이 클 수록 향상되기 때문이다. 상기 듀티 레이트(Duty Rate)는, 한 주기에 포함된 신호 값 0과 신호 값 1의 비율을 의미할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 사각파의 듀티 레이트 조절에 따른 임피던스 측정값의 표준편차를 설명하는 도면(그래프)이고, 도 4는 도 2의 사각파의 듀티 레이트 조절에 따른 임피던스 측정값의 표준편차를 설명하는 도표(table)이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 동일한 전력을 사용할 때, 듀티(Duty) 5% 0~10(A)의 임피던스 측정치의 표준편차(standard deviation)가, 듀티(Duty) 50% 0~1A의 표준편차(standard deviation)보다 작을 수 있다. 그 이유는, 사각파에 포함된 사인등가 전류(sine equivalent current)의 진폭 차이에서 기인한 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 실험에 따르면, 임피던스 측정 신뢰성과 소모전력 최소화를 위한 이상적인 측정신호의 듀티 레이트(Duty Rate)은 1~10% 일 수 있다. 사각파의 일반적인 듀티 레이트(Duty Rate)는 50(%)일 수 있다.
부연하여 설명하면, 사각파의 발생(생성)을 위한 임피던스 측정장치의 전력소모량이 일정할 때, 사각파의 듀티 레이트(duty rate)가 감소하면 임피던스 측정의 신뢰성이 증대(증가)될 수 있다. 즉, 임피던스 측정의 신뢰성이 일정할 때, 듀티 레이트(duty rate)가 감소하면 측정장치의 전력 소모량이 감소될 수 있다.
또한 본 발명은 사각파의 듀티 레이트(Duty Rate)를 조절함으로써, 도 5, 및 도 7 내지 도 17에 도시된 바와 같이 기본 주파수 외에 부수적으로 발생하는 주파수의 크기를 조절할 수 있다. 측정신호의 듀티 레이트(Duty Rate)는 50%, 25%, 20%, 또는 5%로 정하는 것이 유용할 수 있다.
그 이유는, 듀티 50%의 경우 기본 주파수의 진폭이 가장 크고, 듀티 25%와 20%는 저주파수 영역과 고주파수 영역을 대비하여 관찰할 수 있으며, 듀티 5%는 기본 주파수의 1~10배인 주파수 영역을 고르게 관찰할 수 있기 때문이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 임피던스 측정방법이 적용되는 시스템을 설명하는 블록도(block diagram)이다.
도 18을 참조하면, 연료전지의 임피던스 측정시스템(100)은, 연료전지(fuel cell)(105), 전기부하(electrical load)(110), 임피던스 측정 장치(impedance measurement device)(200), 및 제어기(controller)(115)를 포함할 수 있다.
연료전지(105)는, 하나의 단위 셀, 또는 다수의 단위 셀들이 직렬로 연결된 연료전지 스택(fuel cell stack)일 수 있다.
전기부하(110)는, 전자부하를 포함할 수 있고, 연료전지(105)에 전기적으로 연결되고, 예를 들어, 모터(motor)일 수 있다.
임피던스 측정 장치(200)는 연료전지(105)에 비정현 주기파인 합성파 교류전류(CUR)를 주입(injection)하고 교류전압(VOL)을 측정할 수 있다. 임피던스 측정 장치(200)는 연료전지(105)에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입한 후 연료전지(105)로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 응답 전압을 수신하고, 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 연료전지(105)의 임피던스를 측정(계산)할 수 있다.
상기 임피던스는 시간함수인 응답 전압의 라플라스 변환(Laplace transformation)(또는 푸리에 변환)을 시간 함수인 합성파 전류의 라플라스 변환(또는 푸리에 변환)으로 나눗셈(제산)하는 것에 의해 계산될 수 있다. 상기 합성파의 전류는, 예를 들어, 도 2, 또는 도 7 내지 도 17에 도시된 사각파, 삼각파(triangle wave), 또는 톱니파의 전류일 수 있다.
상기 사각파 생성을 위한 전력이 동일한 조건하에서 사각파의 듀티 레이트는, 도 3 및 도 4에 대한 설명에서 언급한 바 같이, 1% 이상이고 10% 이하일 수 있다. 상기 사각파의 듀티 레이트는, 기본 주파수의 진폭이 가장 큰 50%, 저주파수 영역과 고주파수 영역을 대비하여 관찰할 수 있는 25% 및 20%, 또는 기본 주파수의 1~10배인 주파수 영역을 관찰할 수 있는 5%일 수 있다.
제어기(115)는 임피던스 측정 장치(200)로부터 임피던스 측정 결과 정보를 수신하는 제어 장치일 수 있다. 제어기(115)는 상기 임피던스 측정 결과 정보를 통해 연료전지(105)의 운전특성을 파악할 수 있다. 상기 운전특성은 연료전지(105)의 내부 수분량, 또는 기체공급 이상 여부 등 일 수 있다.
제어기(115)는 임피던스 측정 결과 정보와 미리 설정된 기준 임피던스를 비교하여 연료전지의 이상 유무를 판단할 수 있다. 기준 임피던스는 연료전지(105)의 전해질 막이 정상 동작할 수 있는 습윤 상태(moisture state)에 대한 임계 임피던스 값 또는 연료전지(105)의 촉매 활성에 의한 임계 임피던스 값으로, 사용자의 설정에 따라 달리 설정될 수 있다. 연료전지(105)의 전해질 막의 막 저항 또는 연료전지(105) 내부의 촉매 활성을 나타내는 활성 저항을 기준 임피던스와 비교하여 큰 경우, 연료전지(105)는 이상(abnormality)이 있는 것으로 판단될 수 있다.
제어기(115)는, CPU(central processing unit)의 기능을 수행하고, 임피던스 측정장치(200)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다. 제어기(115)는 본 발명의 연료전지의 임피던스 측정방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함하는 프로그램을 포함할 수 있다.
본 발명은 하나의 사각파와 같은 비정현 주기파인 합성파 교류전류를 연료전지(105)에 입력하여, 다수개의 주파수 응답인 임피던스를 측정할 수 있다. 상기 비정현 주기파는, 삼각파 또는 톱니파를 포함할 수 있다. 상기 합성파는, 사인파의 합으로 나타낼 수 있는 파형을 말한다.
하나의 사각파 및 다수개의 사인파를 이용하여 연료전지의 임피던스를 측정한 실험결과는, 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 절대적인 값과 경향이 유사하며 측정 오차 이내의 차이를 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 실험 데이터(data)와, 다수의 사인파들을 사용하여 연료전지의 임피던스 측정하는 방법의 실험 데이터를 비교할 때, 다수개의 사인파를 사용한 경우와 하나의 사각파를 사용한 경우의 임피던스 측정 결과가 동일하므로, 사각파가 연료전지의 임피던스 측정에서 사용될 때 연료전지 임피던스 측정시스템이 보다 단순화될 수 있고, 사용 전류가 저감될 수 있다.
도 19를 참고하면, 사각파의 경우, 22(Hz) 기본 주파수(basic frequency)를 가지는 하나의 신호만 사용하여, 기본 주파수의 1, 3, 5, 7 및 9배의 주파수인 22Hz, 66Hz, 110Hz, 154Hz, 및 198Hz에 해당하는 임피던스를 측정할 수 있다. 그러나, 사인파의 경우, 22Hz, 66Hz, 110Hz, 154Hz, 및 198Hz 신호를 5개 모두 사용한 경우만 해당 주파수의 임피던스를 측정할 수 있다.
도 20을 참고하면, 사각파의 경우, 22(Hz) 기본 주파수를 가지는 하나의 신호만 사용하여, 기본 주파수의 1 내지 10배의 주파수인 22Hz 내지 220Hz에 해당하는 임피던스를 측정할 수 있다. 그러나, 사인파의 경우, 22Hz 내지 220Hz 신호를 모두 10개 사용한 경우만 해당 주파수의 임피던스를 측정할 수 있다.
따라서 본 발명은 다수의 사인파들(sine waves)을 사각파(rectangular wave)와 같은 비정현 주기파로 대체하여, 임피던스 측정 기능을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 하나의 비정현 주기파 전류를 이용하여 연료전지의 임피던스를 측정하므로. 연료전지의 임피던스 측정 시스템(임피던스 측정장치)의 부품구조를 단순화시켜 시스템의 제조원가를 절감시킬 수 있고 임피던스 측정의 강건성을 향상시킬 수 있다.
도 21은 도 18에 도시된 임피던스 측정장치의 실시예를 설명하는 블록도이다.
도 21을 참조하면, 임피던스 측정장치(200)는, 신호 발생부(205), 신호 수신부(210), 및 임피던스 측정부(215)를 포함할 수 있다.
신호 발생부(205)는, 연료전지(도 18의 105)에 인가(입력)되는 비정현 주기파인 합성파 전류를 발생(생성)할 수 있다. 신호 발생부(205)는, 합성파 전류를 발생할 수 있는 함수 발생기(function generator)를 포함할 수 있다. 상기 합성파의 전류는, 사각파(구형파), 삼각파, 또는 톱니파의 전류일 수 있다.
신호 수신부(210)는, 연료전지(105)로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 응답 전압을 수신할 수 있다.
임피던스 측정부(215)는, 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 연료전지의 임피던스를 측정(계산)할 수 있다. 상기 임피던스는 시간함수인 응답 전압의 라플라스 변환(또는 푸리에 변환)을 시간 함수인 합성파 전류의 라플라스 변환(또는 푸리에 변환)으로 나눗셈(제산)하는 것에 의해 계산될 수 있다.
도 22는 도 18에 도시된 연료전지의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 22의 좌측에는 한 개의 단위 셀(cell)인 연료전지(105)의 종단면이 도시되어 있다. 연료전지(105)는 예를 들어 수소 연료전지로서, 전해질막인 수소이온 교환막(305), 수소이온 교환막(305)의 외부 양측(양면)에 배치(또는 코팅(coating))된 백금 촉매층(310), 백금 촉매층(310)의 외부 양측에 배치된 기체 확산층(315), 및 기체 확산층(315)의 외부 양측에 배치된 금속 분리판(320)를 포함할 수 있다. 기체 확산층(315) 및 금속 분리판(320) 사이에는 가스(gas) 통로(미도시)가 배치될 수 있다.
연료전지(105)는 도 22의 우측에 도시된 전기회로로 모델링(modelling)되어 해석될 수 있다. 전기회로에서 Rm은 연료전지(105)의 전해질 막 저항인 오믹(ohmic) 저항을 나타내고, Rct는 연료전지의 활성화 저항(activation resistance)을 나타내고, Cdl은 연료전지의 전기 이중 층(electric double layer) 용량을 나타낼 수 있다.
연료전지(105)의 교류 임피던스 측정을 통해 Rm, Rct, 및 Cdl의 값이 유추(계산)될 수 있고, 상기 값들에 의해 연료전지(105)의 내부 상태가 파악될 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 “~부(unit)” 또는 블록 또는 모듈은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(fieldprogrammable gate array)나 ASIC(applicationspecific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부' 등은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
105: 연료전지
110: 전기부하
115: 제어기
200: 임피던스 측정장치
205: 신호 발생부
210: 신호 수신부
215: 임피던스 측정부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 연료전지의 임피던스 측정방법에 있어서,
    임피던스 측정장치가, 연료전지에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입하는 단계;
    상기 임피던스 측정장치가, 상기 연료전지로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하는 단계; 및
    상기 임피던스 측정장치가, 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 합성파의 전류는, 사각파의 전류를 포함하고,
    상기 사각파의 듀티 레이트는, 50%, 25%, 20%, 또는 5%이며,
    상기 사각파의 듀티 레이트가 50%일 때 상기 사각파에 포함된 기본 주파수의 진폭이 가장 크고, 상기 사각파의 듀티 레이트가 25%와 20%일 때 상기 사각파에 포함된 저주파수 영역과 고주파수 영역이 관찰되고, 상기 사각파의 듀티 레이트가 5%일 때 상기 사각파에 포함된 기본 주파수의 1~10배인 주파수 영역이 관찰되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 임피던스 측정방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 연료전지의 임피던스 측정시스템에 있어서,
    전기부하에 연결된 연료전지;
    상기 연료전지에 비정현 주기파인 합성파 전류를 주입한 후 상기 연료전지로부터 상기 합성파 전류에 응답하는 전압을 수신하고, 상기 합성파 전류 및 상기 응답 전압을 이용하여 상기 연료전지의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정장치; 및
    상기 임피던스 측정장치로부터 임피던스 측정 결과 정보를 수신하는 제어기;
    를 포함하며,
    상기 합성파의 전류는, 사각파의 전류를 포함하고,
    상기 사각파의 듀티 레이트는, 50%, 25%, 20%, 또는 5%이며,
    상기 사각파의 듀티 레이트가 50%일 때 상기 사각파에 포함된 기본 주파수의 진폭이 가장 크고, 상기 사각파의 듀티 레이트가 25%와 20%일 때 상기 사각파에 포함된 저주파수 영역과 고주파수 영역이 관찰되고, 상기 사각파의 듀티 레이트가 5%일 때 상기 사각파에 포함된 기본 주파수의 1~10배인 주파수 영역이 관찰되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 임피던스 측정시스템.
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