KR20200129268A - 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법 - Google Patents

임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20200129268A
KR20200129268A KR1020190053426A KR20190053426A KR20200129268A KR 20200129268 A KR20200129268 A KR 20200129268A KR 1020190053426 A KR1020190053426 A KR 1020190053426A KR 20190053426 A KR20190053426 A KR 20190053426A KR 20200129268 A KR20200129268 A KR 20200129268A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
impedance
cell stack
low
frequency
Prior art date
Application number
KR1020190053426A
Other languages
English (en)
Inventor
박건형
서경원
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020190053426A priority Critical patent/KR20200129268A/ko
Priority to US16/535,753 priority patent/US11411229B2/en
Priority to CN201910752470.6A priority patent/CN111916794B/zh
Publication of KR20200129268A publication Critical patent/KR20200129268A/ko
Priority to US17/855,998 priority patent/US11799101B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04634—Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649—Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0053—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 저온 조건에서 연료전지 시스템의 정지시 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하고, 측정된 저주파 임피던스를 이용하여 연료전지 스택으로 과급되는 물 제거용 공기 공급량 및 공급 시간을 조절할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택 내로 공기의 불필요한 과급을 방지하는 동시에 연료전지 스택 내(특히, 분리판의 채널 내)에 잔존하는 물을 용이하게 제거할 수 있도록 한 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR REMOVING WATER OF FUEL CELL VEHICLE USING IMPEDANCE}
본 발명은 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템의 정지시 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 연료전지 스택 내의 잔존하는 물을 적절하게 제거할 수 있도록 한 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치와, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템 등을 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 스택은 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포되는 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)과, 공기극 및 연료극의 바깥쪽에 적층되는 기체확산층(Gas Diffusion Layer)과, 기체확산층의 바깥쪽에 적층되는 분리판 등을 포함하는 수십에서 수백 개의 유니트 셀이 적층된 구조로 구비된다.
상기 분리판은 수소와 공기의 흐름 경로, 그리고 전기화학 반응에 의해 발생된 물의 배출 경로인 매니폴드 및 채널이 형성된 구조로 구비된다.
한편, 상기 연료전지 차량의 주행 종료에 따라 연료전지 시스템이 정지되면 연료전지 스택 내에 전기 화학적 반응의 부산물인 물이 잔존하게 되고, 특히 분리판의 채널 등에 물이 잔존하게 된다.
이렇게 연료전지 스택 내에 물이 잔존하는 상태에서 외기온도가 낮을 경우, 잔존하는 물이 얼음으로 빙결될 수 있고, 이로 인하여 연료전지 차량의 시동이 걸리지 않는 등의 문제가 초래되거나 연료전지 스택의 변형이 초래될 수 있다.
이에, 연료전지 시스템이 정지되면 연료전지 스택 내에 잔존하는 물을 적절히 제거해주는 것이 꼭 필요하다.
종래의 물 제거 방법으로서, 연료전지 시스템이 정지되는 시점에서 외기온 또는 스택 냉각수 온도가 임계온도보다 낮을 경우, 연료전지 스택에 공기를 공급하기 위한 공기압축기를 구동시켜서 연료전지 스택 내로 공기를 과급시키는 방법이 사용되고 있다.
좀 더 상세하게는, 종래의 물 제거 방법에 따르면 미리 실험을 통한 정성적 방법을 이용하여 연료전지 스택으로 과급되는 공기 유량 및 공급 시간을 미리 설정한 상태에서 공기압축기를 구동시킴으로써, 연료전지 스택 내로 일정한 공기량이 과급된다.
이에, 연료전지 스택 내로 과급되는 공기의 흐름력으로 인하여 연료전지 스택 내에 잔존하던 물이 공기의 흐름과 함께 연료전지 스택의 외부로 배출되며 제거될 수 있다.
그러나, 연료전지 시스템의 사양 및 운전 방법에 따라 연료전지 시스템의 정지시 연료전지 스택 내에 잔존하는 물의 양이 달라짐에도 불구하고, 종래의 물 제거 방법에 의하여 항상 일정한 공기량이 연료전지 스택으로 과급됨으로써, 충분한 물 제거가 이루어지지 않아 분리판의 채널에 여전히 물이 잔존하게 되거나, 오히려 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상이 발생되는 문제점이 있다.
한편, 종래 기술의 다른 예로서, 일본특허 제5790516호(2015.08.14)에는 연료전지 내부의 물 제거시 임피던스를 측정하여 연료전지의 내부 수분량이 최적의 수분량이 될 때까지만 물 제거 공정(소기 처리)을 실시할 수 있도록 한 연료전지 시스템이 개시되어 있다.
즉, 연료전지 내부의 수분량과 임피던스 간의 상관 관계로서, "연료전지 내부의 수분량이 감소하면 전해질 막이 건조해져서 전해질 막의 도전율이 저하되는 동시에 전해질 막의 저항(막 저항)이 증가하고, 이때 측정되는 연료전지의 각 셀의 임피던스가 증가한다." 는 원리를 이용하여, 연료전지 셀의 습윤 영역와 건조 영역 간의 경계 위치인 국소부위의 임피던스를 측정하고, 제어부에서 임피던스 측정치가 기준 임계값 이상(임피던스가 증가하는 시점)이 되었을 때 물 제거를 위한 가스 공급을 중지하여 물 제거 공정을 종료하는 연료전지 시스템이 개시되어 있다.
그러나, 일본특허 제5790516호의 경우에는 분리판의 채널 내에 존재하는 물 이외에 전해질 막 등의 수분까지 과도하게 제거됨에 따른 전해질 막의 저항 증가 등으로 인하여 임피던스가 전체적으로 증가하는 시점에서 물 제거 공정을 종료함에 따라, 오히려 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 저온 조건에서 연료전지 시스템의 정지시 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하고, 측정된 저주파 임피던스를 이용하여 연료전지 스택으로 과급되는 물 제거용 공기 공급량 및 공급 시간을 조절할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택 내로 공기의 불필요한 과급을 방지하는 동시에 연료전지 스택의 분리판 채널 내에 잔존하는 물만을 용이하게 제거할 수 있도록 한 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및 상기 임피던스 측정부에서 측정되는 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 기반으로 상기 공기 공급부의 구동을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 경우 상기 공기공급부를 구동시키고, 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 증가하기 전인 최소 기준값에 도달하면 공기공급부의 구동 속도를 줄이거나 구동을 정지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는: 시동 정지 신호가 입력되면, 제어부에서 외기 온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하인지 여부를 확인하는 단계; 저온 상태이면, 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 단계; 상기 제어부에서 공기공급부를 구동시켜 연료전지 스택 내로 공기가 공급되는 단계; 상기 연료전지 스택 내로 공기가 공급되는 도중, 상기 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 반복 측정하는 단계; 상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 증가하기 전인 최소 기준값에 도달되면 제어부에서 공기공급부의 구동 속도를 줄이거나 구동을 정지시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 외기온이 저온인 상태에서 연료전지 시스템이 정지되면, 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하고, 측정된 저주파 임피던스를 이용하여 연료전지 스택으로 과급되는 물 제거용 공기 공급량 및 공급 시간을 조절할 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택 내로 공기의 불필요한 과급을 방지하는 동시에 연료전지 스택 내(특히, 분리판의 채널 내)에 잔존하는 물을 용이하게 제거할 수 있다.
다시 말해서, 외기온이 저온인 상태에서 연료전지 시스템이 정지되면, 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 주기적으로 측정하고, 측정되는 저주파 임피던스가 감소하여 최소 기준값에 도달할 때까지 물 제거를 위한 공기를 연료전지 스택에 공급할 수 있도록 함으로써, 공기의 불필요한 과급 없이 연료전지 스택 내(특히, 분리판의 채널 내)에 잔존하는 물을 최대한 제거할 수 있다.
둘째, 연료전지 시스템의 사양 및 운전 방법에 따라 연료전지 스택 내에 잔존하는 물의 양이 달라지더라도, 저주파 임피던스가 감소하여 최소 기준값에 도달할 때까지 연료전지 스택에 물 제거를 위한 공기를 공급하면 되므로, 연료전지 시스템의 사양 및 운전 방법이 다르더라도 일정한 물 제거 효과를 얻을 수 있다.
셋째, 기존의 물 제거 방법은 충분한 물 제거가 이루어지지 않아 분리판의 채널에 여전히 물이 잔존하게 되거나, 오히려 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상이 발생되는 문제점이 있었지만, 본 발명의 저주파 임피던스를 이용한 물 제거 방법에서는 저주파 임피던스가 감소하여 최소 기준값에 도달하면 분리판의 채널에 잔존하는 물이 제거된 상태로 판단할 수 있으므로, 분리판의 채널 내에 잔존하는 물을 충분히 제거할 수 있고, 그에 따라 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법을 도시한 순서도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법에서 저주파 임피던스가 연료전지 스택 내 잔존하는 물의 양에 따라 변화되는 것을 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템을 나타내며, 도면부호 10은 연료전지 스택을 지시한다.
연료전지 차량의 주행 종료에 따라 연료전지 시스템이 정지되면, 상기 연료전지 스택(10) 내에 전기 화학적 반응의 부산물인 물이 잔존하게 되고, 특히 분리판의 채널 등에 물이 잔존하게 된다.
상기 연료전지 스택(10) 내에 잔존하는 물을 제거해주기 위하여 연료전지 시스템의 전반적인 제어를 담당하는 제어기인 제어부(30)의 제어에 의하여 공기공급부인 공기압축기(12)가 온 구동됨으로써, 연료전지 스택 내로 공기가 과급된다.
본 발명에 따르면, 상기 연료전지 스택(10)에 저주파 임피던스를 측정하기 위한 임피던스 측정부인 임피던스 측정기기(20)가 연결되며, 이 임피던스 측정기기(20)는 공기압축기(12)의 구동 전(오프 상태)에 제어부(30)의 제어 명령에 따라 연료전지 스택의 저주파 임피던스 측정을 시작한다.
또한, 상기 임피던스 측정기기(20)는 공기압축기(12)의 온 구동에 따라 스택으로 공기가 과급되는 도중, 즉 공기압축기의 온 구동에 따라 과급되는 공기에 의하여 스택 내의 물 제거가 이루어지는 도중에도 제어부의 제어 명령에 따라 연료전지 스택의 저주파 임피던스 측정을 수회 반복적으로 실시하게 된다.
또한, 상기 연료전지 스택(10)에는 임피던스 측정을 위한 전류를 공급하기 위한 구성으로서, 고전압 배터리(22) 및 고전압 전력변환기(24)가 스위치(26)를 매개로 연결된다.
본 발명의 물 제거 시스템은 임피던스 측정 과정 및 공기 압축기 구동 제어를 위한 제어부(30)를 포함한다.
상기 제어부(30)는 연료전지 시스템이 정지된 상태에서 외기온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하인 경우, 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하기 위한 제어 명령을 임피던스 측정기기(20)에 내리도록 구성된다.
또한, 상기 제어부(30)는 임피던스 측정기기(20)에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스 측정을 시작하면 연료전지 스택으로의 공기 과급을 위하여 공기압축기(12)를 온으로 구동시키는 제어를 하고, 이후 상기 임피던스 측정기기(20)에서 측정되는 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 기반으로 공기 압축기(12)의 온 유지 또는 오프 제어를 하게 되며, 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 최소 기준값에 도달되면 공기압축기를 오프시키는 제어를 하게 된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 임피던스를 이용한 물 제거 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 연료전지 차량의 주행 종료에 따라 연료전지 시스템이 정지되면(S101), 연료전지 스택이 저온 상태인지 여부를 확인한다(S102).
즉, 상기 연료전지 시스템이 정지되면, 상기 제어부(30)에서 외기온도 센서로부터의 온도 신호와 냉각수온 센서로부터의 온도 신호를 기반으로, 외기온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하의 저온 상태인지를 확인한다.
상기 단계 S102에서의 확인 결과, 외기온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하로 판정되면, 상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스(ZRe(1))를 측정한다(S103).
이를 위해, 상기 제어부(30)의 제어 명령(전류지령)에 따라 스위치(26)가 온/오프되면서 고전압 배터리(22)로부터의 전류가 고전압 전력변환기(24)를 경유하여 연료전지 스택(10)에 인가되고, 이와 함께 상기 제어부(30)의 제어 신호에 의하여 임피던스 측정기기(20)에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스(ZRe(1))를 측정하여 그 측정 결과를 제어부(30)에 전송하게 된다.
이때, 상기 연료전지 스택의 임피던스 측정시의 주파수는 스택의 물질전달 저항(예, 스택 내 잔존하는 물)에 관련된 주파수 중 하나로서, 시험적으로 30Hz 이하가 바람직하며, 그 이유는 저주파일수록 임피던스 측정 시간은 증가하지만 물질전달 저항이 크게 발생하여 임피던스 측정 신뢰도가 향상될 수 있기 때문이다.
이어서, 상기 임피던스 측정기기에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스(ZRe(1))를 측정하기 시작되면, 연료전지 스택(10) 내에 잔존하는 물을 제거하기 위하여 연료전지 스택으로 공기를 과급시킨다(S104).
즉, 상기 제어부(30)의 구동 명령 신호에 의하여 공기압축기(12)가 온 구동함으로써, 연료전지 스택 내로 공기가 과급된다.
이에, 연료전지 스택 내로 과급되는 공기의 흐름력으로 인하여 연료전지 스택 내에 잔존하던 물이 공기의 흐름과 함께 연료전지 스택의 퍼지부를 통해 외부로 배출되며 제거된다.
다음으로, 상기 공기압축기(12)의 구동에 따른 물 제거가 이루어지는 도중, 상기 S103 단계에서 측정한 방법과 동일하게 수회에 걸쳐 연료전지 스택의 저주파 임피던스(ZRe(n), n = 2,3,...)를 반복 측정한다(S105).
이때, 상기 공기공급부인 공기압축기(12)의 구동에 의하여 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 공급 시간은 이전 측정된 저주파 임피던스(ZRe(n-1))에서 현재 측정된 저주파 임피던스( ZRe(n))를 차감한 임피던스 측정주기(ZRe(n-1) - ZRe(n))에 따라 유동적으로 조절된다.
즉, 상기 임피던스 측정주기(ZRe(n-1) - ZRe(n))가 클수록 공기의 공급 시간은 길게 설정되고, 작을수록 짧게 설정된다.
한편, 도 3a의 위쪽 도면을 참조하면, 연료전지 스택 내의 잔존하는 물이 제거되기 전(예, 상기 S104 단계 전)에는 물질전달 저항(예, 스택 내 잔존하는 물)으로 인하여 1개의 저주파에서 측정된 저주파 임피던스가 높게 나타난다.
반면, 도 3a의 아래쪽 도면을 참조하면, 연료전지 스택 내의 잔존하는 물이 제거되기 시작하면(예, 상기 S104 단계 후), 물질전달 저항(예, 스택 내 잔존하는 물)이 줄어들게 되고, 1개의 저주파에서 측정된 저주파 임피던스가 점차 낮아지게 된다.
이때, 연료전지 스택 내의 잔존하는 물이 과도하게 제거되면, 예를 들어 분리판의 채널 내에 존재하는 물 이외에 전해질 막 등의 수분까지 과도하게 제거되면, 전해질 막의 저항 및 수소이온 이동저항 등의 증가로 인하여 도 3b의 아래쪽 도면에서 보듯이 저주파 대역 및 중간 대역 임피던스가 전체적으로 증가하게 된다.
따라서, 도 3a의 아래쪽 도면 및 도 3b의 위쪽 도면에 표시된 바와 같이, 물질전달 저항이 줄어들어 1개의 저주파에서 측정된 저주파 임피던스가 점차 낮아진 후, 연료전지 스택의 전해질 막 및 전극에 존재하는 물까지 제거되는 과도한 물 제거로 인하여 저주파 대역 및 중간 대역 임피던스가 전체적으로 증가하기 전 지점을 저주파 임피던스의 최소 기준값으로 설정할 수 있다.
다시 말해서, 상기 최소 기준값은 연료전지 스택 내의 물량이 점점 줄어듦에 따라 스택 내의 물질전달 저항이 줄어들어 1개의 저주파에서 측정된 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 점차 낮아져 더 이상 낮아지지 않는 지점인 동시에 연료전지 스택의 전해질 막 및 전극에 존재하는 물까지 제거되는 과도한 물 제거로 인하여 저주파 대역 및 중간 대역 임피던스가 전체적으로 증가하기 전 지점으로 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 최소 기준값에 도달하는 것을 판단하는 방법은 아래 수식 1과 같이 이전 측정된 저주파 임피던스에서 최종 측정된 저주파 인피던스를 차감한 절대값 또는 아래 수식 2와 같이 차감한 값이 최소 기준값보다 작으면 저주파 임피던스가 최소 기준값에 도달하는 것을 판단도록 한다.
(수식 1) : ｜ZRe(n-1) - ZRe(n)｜ < 최소 기준값
(수식 2) : ZRe(n-1) - ZRe(n) < 최소 기준값
이에 따라, 연료전지 스택으로 공기가 과급되어 물 제거가 이루어지는 중, 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 최소 기준값으로 수렴할 때, 스택 내 분리판의 채널 내에 잔존하는 물이 최대한 제거된 것으로 판단하여, 과도한 물 제거 방지를 위해 스택에 대한 공기 과급을 중단시키도록 한다.
이를 위해, 상기 제어부(30)에서 상기 S105 단계에 의하여 측정되는 저주파 임피던스(ZRe(n), n = 2,3,...)가 최소 기준값에 도달하였는지 여부를 판정하고(S106), 측정된 저주파 임피던스가 최소 기준값에 도달되면 공기압축기(12)의 작동을 오프시킨다(S107).
이와 같이, 저주파 임피던스를 이용하여 연료전지 스택으로 과급되는 물 제거용 공기 공급량 및 공급 시간을 조절하되, 분리판의 채널 내에 잔존하는 물이 최대한 제거되는 동시에 과도한 물 제거가 이루어지기 전까지 조절할 수 있도록 함으로써, 공기의 불필요한 과급을 방지하는 동시에 스택 내에 잔존하는 물을 효율적으로 제거할 수 있다.
다시 말해서, 기존의 물 제거 방법은 분리판의 채널에 존재하는 물 이외에 전해질 막에 존재하는 수분까지 제거됨에 따라, 오히려 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상이 발생되는 문제점이 있었지만, 본 발명의 저주파 임피던스를 이용한 물 제거 방법에서는 저주파 임피던스가 감소하여 최소 기준값에 도달하면 분리판의 채널에 잔존하는 물이 제거된 상태로 판단할 수 있으므로, 분리판의 채널 내에 잔존하는 물만을 충분히 제거할 수 있고, 그에 따라 전해질 막의 건조 등을 초래하는 과건조 현상을 방지할 수 있다.
아울러, 연료전지 시스템의 사양 및 운전 방법에 따라 연료전지 스택 내에 잔존하는 물의 양이 달라지더라도, 저주파 임피던스가 감소하여 최소 기준값에 도달할 때까지 연료전지 스택에 물 제거를 위한 공기를 공급하면 되므로, 연료전지 시스템의 사양 및 운전 방법이 다르더라도 일정한 물 제거 효과를 얻을 수 있다.
10 : 연료전지 스택
12 : 공기압축기
20 : 임피던스 측정기기
22 : 고전압 배터리
24 : 고전압 전력변환기
26 : 스위치
30 : 제어부

Claims (8)

  1. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 임피던스 측정부에서 측정되는 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 기반으로 상기 공기 공급부의 구동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 경우 상기 공기공급부를 구동시키고, 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 임피던스가 증가하기 전인 최소 기준값에 도달하면 공기공급부의 구동 속도를 줄이거나 구동을 정지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 최소 기준값은 연료전지 스택의 물량이 줄어듦에 따라 물질전달 저항이 줄어들어 1개의 저주파에서 측정된 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 낮아진 후, 연료전지 스택 내의 과도한 물 제거로 인하여 저주파 대역 및 중간 대역 임피던스가 증가하기 전 지점으로 설정된 것임을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 시동 정지 신호가 입력된 상태에서 외기온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하인 경우, 상기 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는 상기 공기공급부의 온 구동에 따른 스택의 물 제거가 이루어지는 중 상기 제어부의 제어 명령에 따라 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 반복 측정하도록 구비된 것임을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템.
  5. 시동 정지 신호가 입력되면, 제어부에서 외기 온도 또는 냉각수 온도가 기준치 이하인지 여부를 확인하는 단계;
    저온 상태이면, 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 제어부에서 공기공급부를 구동시켜 연료전지 스택 내로 공기가 공급되는 단계;
    상기 연료전지 스택 내로 공기가 공급되는 도중, 상기 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 반복 측정하는 단계;
    상기 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 증가하기 전인 최소 기준값에 도달되면 제어부에서 공기공급부의 구동 속도를 줄이거나 구동을 정지시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 최소 기준값은 연료전지 스택의 물량이 줄어듦에 따라 물질전달 저항이 줄어들어 1개의 저주파에서 측정된 연료전지 스택의 저주파 임피던스가 낮아진 후, 연료전지 스택 내의 과도한 물 제거로 인하여 저주파 대역 및 중간 대역 임피던스가 증가하기 전 지점으로 설정된 것임을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 공기공급부의 구동에 의하여 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 공급 시간은 이전 측정된 저주파 임피던스와 현재 측정된 저주파 임피던스 간의 임피던스 측정주기 크기가 클수록 길게 설정되고, 작을수록 짧게 설정되는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 임피던스 측정부에서 연료전지 스택의 저주파 임피던스를 측정할 때의 주파수는 스택의 물질전달 저항에 관련된 주파수로서 30Hz 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 방법.
KR1020190053426A 2019-05-08 2019-05-08 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법 KR20200129268A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053426A KR20200129268A (ko) 2019-05-08 2019-05-08 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법
US16/535,753 US11411229B2 (en) 2019-05-08 2019-08-08 Water removing system and method of fuel cell vehicle using impedance
CN201910752470.6A CN111916794B (zh) 2019-05-08 2019-08-15 使用阻抗的燃料电池车辆除水***和方法
US17/855,998 US11799101B2 (en) 2019-05-08 2022-07-01 Water removing system and method of fuel cell vehicle using impedance

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053426A KR20200129268A (ko) 2019-05-08 2019-05-08 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200129268A true KR20200129268A (ko) 2020-11-18

Family

ID=73046642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190053426A KR20200129268A (ko) 2019-05-08 2019-05-08 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법

Country Status (3)

Country Link
US (2) US11411229B2 (ko)
KR (1) KR20200129268A (ko)
CN (1) CN111916794B (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3702768B1 (en) * 2017-10-23 2023-09-13 National University Corporation Shizuoka University Soil sensor and soil measurement method
CN112670541A (zh) * 2020-12-24 2021-04-16 新源动力股份有限公司 一种燃料电池低温启动过程膜电极结冰的判断方法、***及存储介质
CN114683968B (zh) * 2020-12-30 2024-02-27 丰田自动车株式会社 车辆控制方法及装置、存储介质、终端
CN112909300B (zh) * 2021-01-26 2022-02-15 新源动力股份有限公司 一种燃料电池停机吹扫的判定方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5070707B2 (ja) * 2006-02-06 2012-11-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5120593B2 (ja) * 2006-10-18 2013-01-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5062512B2 (ja) * 2006-10-18 2012-10-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4895023B2 (ja) * 2007-02-14 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5267835B2 (ja) * 2007-06-25 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムのインピーダンス測定方法
JP2009158248A (ja) * 2007-12-26 2009-07-16 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4640661B2 (ja) * 2009-01-13 2011-03-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR20100121354A (ko) * 2009-05-08 2010-11-17 삼성전자주식회사 연료 전지의 열화를 진단하는 방법 및 장치
JP5790516B2 (ja) * 2012-01-24 2015-10-07 株式会社デンソー 燃料電池システム
KR101416400B1 (ko) * 2012-12-11 2014-08-07 현대자동차 주식회사 연료 전지 스택의 고장 진단 방법 및 그 장치
KR101567643B1 (ko) * 2013-11-29 2015-11-10 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법
KR101592704B1 (ko) * 2014-06-11 2016-02-15 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 상태 진단 방법 및 연료전지 시스템의 제어방법
FR3030895B1 (fr) * 2014-12-19 2017-01-13 Michelin & Cie Systeme a pile a combustible
KR101755923B1 (ko) * 2015-12-09 2017-07-10 현대자동차주식회사 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템
KR101910919B1 (ko) * 2016-03-15 2018-10-23 현대자동차주식회사 수분량 추정을 통한 연료전지 제어 방법 및 장치
KR101866072B1 (ko) * 2016-10-18 2018-06-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 상태 진단 장치 및 그 방법
KR102360162B1 (ko) * 2017-06-09 2022-02-09 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 운전 제어 장치 및 방법
KR102506859B1 (ko) * 2017-10-26 2023-03-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 수분 함유 상태 진단 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20200358114A1 (en) 2020-11-12
CN111916794B (zh) 2024-02-27
US20220336830A1 (en) 2022-10-20
CN111916794A (zh) 2020-11-10
US11411229B2 (en) 2022-08-09
US11799101B2 (en) 2023-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20200129268A (ko) 임피던스를 이용한 연료전지 차량의 물 제거 시스템 및 방법
JP4860930B2 (ja) 燃料電池システムの停止方法及び燃料電池システム
CN110767924B (zh) 燃料电池***
JP4977342B2 (ja) 燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法
US7947403B2 (en) Fuel cell system
JP5005910B2 (ja) 燃料電池システム及び蓄電装置の充電制御方法
US20120107706A1 (en) Fuel cell system and control method at starting in the fuel cell system
JP2002246053A (ja) 燃料電池システム
JP2009158383A (ja) 燃料電池システム及びその制御方法。
US9761896B2 (en) Method for stopping fuel cell system and fuel cell system
US7977002B2 (en) Fuel cell system and mobile article
US11069911B2 (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP4505489B2 (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
JP5256586B2 (ja) 燃料電池システム
JP2009070576A (ja) 燃料電池システム及び劣化検出装置
JP4542911B2 (ja) 燃料電池システムの掃気処理装置及び掃気処理方法
KR101851830B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법
US8101309B2 (en) Fuel cell system and scavenging method therefor
JP2009076261A (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
JP2018085308A (ja) 電動車両の燃料電池装置
JP2011048922A (ja) 燃料電池システム及びその運転停止方法
JP6442987B2 (ja) 燃料電池システム
JP2021150162A (ja) 燃料電池システムの運転停止方法及び燃料電池システム
US8097372B2 (en) Fuel cell system and method of starting operation of the fuel cell system
JP2021184362A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination