Development of Real-time Diagnosis Method for PEMFC Stack via Intermodulation Method

CopyrightⒸ2014 KSAE / 133-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.7.076

< 기 술 논 문 >

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 7, pp.76-83 (2014)

Intermodulation 방법에 의한 자동차용 연료전지 스택의 실시간 진단방법 개발

이 용 현^*1)․유 승 열²⁾․김 종 현¹⁾

강남대학교 전자공학과¹⁾․한국기술교육대학교 기계공학과²⁾

Development of Real-time Diagnosis Method for PEMFC Stack via Intermodulation Method

Young-Hyun Lee^*1)․Seungyeol Yoo²⁾․Jonghyeon Kim¹⁾

1)Department of Electronic Engineering, Kangnam University, Gyeonggi 446-702, Korea

2)School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and Education, Chungnam 330-708, Korea (Received 31 March 2014 / Revised 19 June 2014 / Accepted 23 June 2014)

Abstract : During PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) operation monitoring and diagnosis are important issues for reliability and durability. Stack defect can be followed by a critical cell voltage drop in the stack. One method for monitoring the cell voltage is CVM(Cell Voltage Monitoring), where all cells in the stack are electrically connected to a voltage measuring system and monitored these voltages. The other methods are based on the EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) and on nonlinear frequency response.

In this paper, intermodulation(IM) method for diagnosis PEMFC stack is introduced. To detect one or more critical PEMFC cell voltage PEMFC stack is excited by two or more test sinusoid current, and the frequency response of the stack voltage is analyzed. If one or more critical cell voltage exists, higher harmonics on the voltage frequency spectrum will appear. For the proposed IM method, stack simulation and experiments are conducted.

Key words : PEMFC stack(양성자교환막 스택), Stack diagnosis(스택 진단), Critical fuel cell voltage(임계 연료전 지 전압), Intermodulation(인터모듈레이션)

Nomenclature¹⁾

Vtesti : stack voltage amplitude spectrum by test current signal i, V/Hz

Vn : stack voltage amplitude spectrum harmonics (n>3), V/Hz

τ : time constant, sec Rmem : membrane resistance, Ω Ract : activation resistance, Ω Cdl : double layer capacitance, F

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

전 세계적인 화석연료의 고갈, 환경오염문제의 해결을 위해 자동차분야에서는 전기차의 개발과 생 산에 심혈을 기울이고 있다. 국내 자동차사는 이미 2013년에 연료전지 자동차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)의 시험생산을 시작했고, Toyota 등의 국외 자동차제조사도 향후의 생산계획을 발표했다.

연료전지 자동차의 핵심부품인 연료전지 스택의 내구성과 가격은 시장선점과 경쟁력을 나타내는 척 도가 될 것이다. 연료전지 스택의 내구성확보는 수 분, 온도, 압력 등의 스택운전 파라미터의 최적 제어

Intermodulation 방법에 의한 자동차용 연료전지 스택의 실시간 진단방법 개발

뿐 만 아니라 연료전지 스택의 on-line 실시간 진단 을 통해 가능하고, 가격경쟁력은 무엇보다도 고가 의 백금촉매의 최소사용에 좌우될 것이다.¹⁾ 또한 연 료전지 스택의 on-line 실시간진단을 통해 연료전지 스택의 결함을 초기에 발견하여 빠른 해결 및 대책 을 강구할 수 있다.

연료전지스택의 비정상상태는 연료전지 셀(들) 의 비정상적 전압강하로 나타나고, 현재 이러한 연 료전지 셀의 전압강하는 각 셀의 전압 측정 장치 (CVM)를 통해 계측된다. 그러나 CVM은 셀의 개수 가 많아질수록 단자개수의 증가와 장치의 복잡도가 증가하고, 기계적인 진동에 의해 단자의 탈락이 발 생하여 그 신뢰성에 문제가 있다. 이 외에도 전통적 인 전기화학적 방법인 EIS(Electro chemical impe- dance spectroscopy)를 통해 이상 진단이 가능하나 on-line실시간 진단방법으로는 부적합하다. 비선형 주파수응답분석을 통해 멤브레인의 수분부족 및 과 다, 그리고 애노드 촉매제의 poisoning에 의한 연료 전지의 이상과 그 원인을 진단하는 방법도 제안되 었다.²⁾

연료전지의 비정상적인 셀 전압강하는 전압전류 특성곡선의 선형구간 또는 저항손실 구간의 비선형 화로 나타난다. IM(Intermodulation) 방법은 이러한 연료전지 스택의 비선형화를 신호처리방법으로 검 출한다. 이는 CVM과 같이 각 셀의 전압을 측정하는 것이 아니라 연료전지 스택을 하나의 시스템으로 접근하여 그 시스템의 비선형성을 검출함으로서 스 택을 진단하는 효율적인 방법이다.

스택 시스템의 비선형성을 검출하기위해 시스템 입력으로 정현파전류를 직류 스택운전 전류에 중첩 시킨 후, 스택 전압을 측정하고 그 전압 신호를 Fourier 변환(FFT, Fast Fourier Transformation)한 후, 진폭 주파수 성분을 분석한다. 이러한 주파수응답 에 의한 진단방법은 하나의 정현파 전류신호를 입 력하여 진단하는 방법³⁾과, 전기앰프의 왜곡율을 측 정하는 방법과 같이 2개의 서로 다른 주파수를 갖는 신호를 입력하는 검출효율이 향상⁵⁾된 IM 방법이 있 다. Fig. 1은 도식적으로 IM방법을 표시하였다.

본 논문에서는 스택의 비정상적 셀 전압강하와 같은 비정상상태를 실시간 진단하는 IM 방법을 제

Fig. 1 Schematic diagram of the IM method

안한다. 먼저 연료전지 스택 모델을 제안한 후, IM 방법의 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 test bench에 서의 실험을 통해 그 유용성을 확인하였다.

2. IM 방법을 위한 연료전지 스택 모델과 시뮬레이션

연료전지의 모델은 전기화학적 모델과 전압전류 특성곡선 모델이 있다. 전기화학적 모델은 잘 알려 진 Nernst방정식에 기초한 모델을, 전압전류특성곡 선 모델은 특성곡선의 curve fitting을 통한 고차 다 항식모델을 사용하였다. 그러나 전기 화학적 모델 과 전압전류특성곡선 모델은 시간적 dynamic성을 나타낼 수 없는 단점이 있어 시간지연(delay) 모델을 위해 전기적 모델을 구하였으며, 전기적 모델의 각 전기소자의 특성치는 parameter identification을 통 해 구하였다.

2.1 전기 화학적 모델과 IM 시뮬레이션 본 논문에서 사용한 전기 화학적 모델은 기존의 연료전지 스택 모델⁴⁾을 수정, 보완하여 Matlab/

Simulink©로 구성하였다. Fig. 2는 이 모델의 구성도 이다. IM방법의 시뮬레이션을 위해 cell 전압 상태 를 정상(normal)과 비정상(abnormal)상태로 나타낼 수 있고, 전체 스택 중 비정상 셀의 개수를 조정 가 능하게 구성하였다. 시스템 출력으로 정상 및 비정 상 스택의 전압전류특성곡선과, 정현파 test전류들 을 스택전류에 중첩 하였을 시 스택전압을 나타낼 수 있다. 또한, THD module은 스택전압을 FFT 변환

Young-Hyun Lee․Seungyeol Yoo․Jonghyeon Kim

Fig. 2 Block diagram of electrochemical model (Simulink©)

하고, Decision Maker module에서는 THD값을 기반 으로 하여 스택진단을 하여 스택 상태(SoS, State of Stack)를 출력한다.

Fig. 3은 Fig. 2의 모델에 기반 한 IM방법의 시뮬 레이션 결과이다. Fig. 3(a)와 (b)는 48개 셀 스택의 모든 셀이 정상전압을 가질 때의 결과로서 스택전 압(Fig. 3(a))과 진폭 주파수응답(Fig. 3(b))이다. 입력 주파수 조합(16Hz, 32Hz)은 시스템의 주파수 통과 대역 내에서 시뮬레이션을 통한 최적의 조합으로 선정 하였으며, 진폭 주파수응답 상에 입력한 입력 주파수 성분만 나타나는 것을 알 수 있다. Fig. 3(c)와 (d)는 48개 셀 스택 중 10개의 셀이 비정상전압을 가 질 때의 결과로서 스택전압(Fig. 3(c))과 진폭 주파수 응답(Fig. 3(d))이다. 비정상 셀로 인한 스택 시스템 의 비선형성의 증가로, 진폭 주파수응답 상에 입력

한 주파수 성분(16Hz, 32Hz)외의 성분이 나타남을 알 수 있다.

전자증폭기의 왜율 척도로 사용하는 THD와 같 이 스택의 비선형성 척도를 위한 THD를 아래 식 (1) 과 같이 정의하였다. 또한 IM의 경우 직류(DC)성분 은 원하는 정보를 제공하지 않으므로, THD값의 분 별력 향상을 위해 제외하였다. THD 값은 시스템의 비선형성의 척도이며, Fig. 3에서 보이는 바와 같이, 정상상태의 THD값은 0.7258%, 비정상상태의 값은 16.2311%으로, 스택 비정상 상태 시 THD가 크게 나 오는 것을 확인하였다.





  

 max

_^

(in %) (1)

Development of Real-time Diagnosis Method for PEMFC Stack via Intermodulation Method

(a) VI(Voltage Current) characteristic curve of normal stack (b) FFT amplitude spectrum of normal stack

(c) VI characteristic curve of abnormal stack (d) FFT amplitude spectrum of abnormal stack Fig. 3 Results of IM simulation

2.2 전류전압특성곡선 셀 모델과 IM 시뮬레이션 일반적으로 전류전압특성곡선은 스택의 종류와 운전 상태에 따라 변화하나, IM방법의 검증을 위해 계측한 정상상태와 비정상상태의 대표적인 셀 전압 전류특성곡선(VI characteristic curve)을 사용 하였 다. 이 특성곡선을 Matlab©의 curve fitting기능을 사 용하여 3차 다항식으로 식 (2)와 같이 표현하였다.

식 (2a)는 정상상태 셀, 식 (2b)는 비정상상태 셀의 다항식 모델이다.

   × ^  × ^  ×    (2a)

   × ^  × ^  ×    (2b) 식 (2)의 특성곡선을 사용하여 IM방법을 시뮬레이 션 한 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4(a)는 정상적인 셀 특 성곡선으로 그 주파수특징이 Fig. 4(b)와 같이 입력주 파수(16, 32Hz)만을, 그리고 Fig. 4(c)는 비정상적 셀 의 특성곡선이고, Fig. 4(d)와 같이 그 주파수 특성이 입력주파수 외의 주파수 성분이 나타남을 알 수 있다.

한 개의 test 전류신호와 두 개의 test 전류신호 사 용 시의 THD값의 분해능을 비교하였다.⁵⁾ Table 1에 는 1개(Fig. 4(e))와 2개(Fig. 4(d))의 test signal사용 시 THD값을 비교하였고, 2개의 test signal을 사용 시 더 많은 고조파 성분이 발생하여 상대적으로 더 좋은 결과를 보였다. 비교결과의 정확성을 위해 두 경우 의 RMS(Root Mean Square)값을 동일하게 설정하였

Table 1 Simulation condition and results of a abnormal cell One test signal Two test signal

(IM) Cell operating

current (A) 1 1

Frequency of test

signal(s) (Hz) 16 16+32

Amplitude of test

signal (A) 0.1 0.05

THD value (%) 26.3398 31.8351

다, 즉 IM 시 test전류신호 진폭을 0.05A로, 한 개의 test 전류신호 시는 그 2배인 0.1A로 설정하였다.

2.3 모델 다이나믹 특성을 위한 전기적 모델 IM 시뮬레이션의 다이나믹 특성을 위한 전기적 등가회로는 Fig. 5와 같은 간략한 Randles모델을 사 용하였다. 각 소자의 값은 실험적(test bench는 3절 참조)으로 Fig. 6과 같이 단위계단응답을 구하여 확 인할 수 있었다(system identification). 이 결과 시정 수(τ)는 13.02ms, Rmem은 7.29mΩ, Ract는 22.5mΩ 그리고 Cdl은 0.58F로 확인되었다. Fig. 7(a)는 확인 된 전자소자 값들을 사용한 전달함수 모델이며 Fig. 7(b) 는 계단응답의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션의 결과 시정수(τ)는 12.5ms, Rmem은 7.5mΩ, Ract는 22.5mΩ, 그리고 Cdl은 0.56F로 확인되어 전기적 모 델이 검증되었다.

이용현․유승열․김종현

(a) VI characteristic and curve fitting curve of normal cell

(b) FFT amplitude spectrum of a normal cell by the IM method

(c) VI characteristic and curve fitting curve of abnormal cell

(d) FFT amplitude spectrum of a abnormal cell by the IM method

(e) FFT amplitude spectrum of a abnormal cell using one test sinusoid current excitation

Fig. 4 FFT spectrums of normal and abnormal cell by the IM method

Fig. 5 Electrical equivalent circuit of a PEMFC

Fig. 6 Measured step response of a stack by current step change from 7A to 6A

(a) Transfer function model of a cell using the identified electrical components (Simulink©)

(b) Simulation result of step response by the model of Fig. 7(a) Fig. 7 Simulation result of step response by the model

3. IM 방법의 실험적 검증

실험을 통해 IM 방법의 유용성을 검증하였다.

Table 2는 Horizon Fuel Cell©의 stack이 사용된 test bench, 계측 및 제어를 위한 시스템 사양이고, 그 구 성은 Fig. 8과 같다. 두 개의 스택은 각각 48개의 셀 로 구성되고, 한 개의 스택은 모든 셀이 정상인 정상 스택(normal stack)이고 다른 스택은 한 개 이상의 셀 이 비정상 전압을 갖는 비정상스택(abnormal stack) 이다. 이 두 개의 스택은 병렬로 연결되어 동일한 운

Intermodulation 방법에 의한 자동차용 연료전지 스택의 실시간 진단방법 개발

Fig. 8 Block diagram of a test bench and a system

전조건 상에서 실험을 수행할 수 있도록 구성하였 다(Fig. 8). Fig. 9(a)는 정상스택에서의 IM방법 사용 시 스택전압 측정곡선이고, Fig. 9(b)는 스택전압 진 폭 주파수 응답이다(입력주파수: 16Hz, 32Hz). 정상 스택에서의 THD값은 4.565%이다. Fig. 10(a)와 Fig.

10(b)는 각각 비정상 상태의 스택전압 측정곡선과 스 택전압 진폭 주파수응답이며, 비정상 스택의 THD 값은 12.137%로, 정상 스택의 THD보다 높은 값이

(a) Normal stack voltage response by IM method (excitation frequency: 16Hz, 32Hz)

(b) Amplitude spectrum of normal stack by IM method Fig. 9 Stack voltage response and amplitude spectrum of

normal stack by IM method (excitation frequency:

16Hz, 32Hz)

Table 2 Specification of the stack and measuring system

Units Item Specification Notes

Stack

cell 48 ea. PEMFC

Hydrogen 2.8 l/min @max. power Max. efficiency 40 % @19.2V

Humidifier Self Hydrogen pressure 0.45~0.55 bar

Cooling Blower

Operating temperature <65°C @5~30°C Current

sensor Resistance ±0.5%

MFC Hydrogen 1.5~30slm 2~100%

DAQ CompactRio© AI, AO, DIO,

CAN NI

Load 6060B 300W Agilent©

electric load

나오는 것을 확인 하였다.

이 실험은 static한, 즉 하나의 스택 운전전류(stack operating current)에 대한 IM 진단 실험이며, 실 운전 상황을 충분히 반영하기 위하여 MMI(Man Machine

(a) Abnormal stack (8 cells defected) voltage response by IM method (excitation frequency: 16Hz, 32Hz)

(b) Amplitude spectrum of abnormal stack (8 cells defected) by IM method (excitation frequency: 16Hz, 32Hz) Fig. 10 Voltage response and amplitude spectrum of

abnormal stack (8 cells defected) by IM method (excitation frequency: 16Hz, 32Hz)

Young-Hyun Lee․Seungyeol Yoo․Jonghyeon Kim

Fig. 11 MMI for dynamic characteristic of IM method

Fig. 12 Dynamic characteristic of IM method (THD value, stack operating current)

Interface) 및 스택 운전전류의 동적변화 시에 대한 실험을 수행하였다(Fig. 11, Fig. 12). Fig. 12는 스택 운전전류의 동적변화와 그에 따른 THD값의 변화를 보여준다. 정상상태(steady state)시의 정상스택과 비 정상상태의 THD값이 약 1 ~ 2%의 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 과도상태 시에는 큰 THD값을 보이나, 이는 FFT특성상의 결과일 뿐 스택 진단 시 고려하지 않는다.

4. 결 론

본 논문에서는 미래의 연료전지 자동차의 내구성 과 경쟁력 확보를 위한 실시간 연료전지 스택진단 방법인 IM방법을 제안하고, 시뮬레이션과 test bench 상에서 IM방법에 대한 검증을 수행 하였다.

제안한 IM방법은 스택 시스템에 두 개의 정현파 전류신호를 스택 운전 전류에 중첩 후, 시스템 응답 으로서 스택전압을 FFT하여, 그 진폭 스펙트럼을 통해 스택시스템의 비선형성 및 비선형 정도를 THD값을 통해 판단할 수 있었다. 일반적인 스택 운 전영역, ohmic loss영역의 비선형화는 셀 전압의 비

정상화를 의미하고, THD값의 증가로 나타난다.

또한 시뮬레이션을 통한 IM방법의 검증을 위해 두 종류의 스택모델을 개발하고 그 결과를 보였다.

모델은 각각 전기화학적 모델과 전압전류특성곡선 모델이고, 동적응답을 위해 전기적 모델도 제안하 였다. 그 결과 정상스택과 비정상스택의 THD값을 각각 0.7258%, 16.2311%로 얻을 수 있었다. 시뮬레 이션을 통한 IM 진단방법의 검증 후, test bench상에 서 실험적으로 IM방법에 의한 진단을 test하였다. 정 적특성 실험과 실 운전을 모사한 동적인 실험을 수 행하였으며, 정상스택과 8개의 비정상 셀을 포함한 비정상 스택의 THD값을 비교하였다.

향 후, IM방법의 실차 적용을 위해 중요한 스택의 비정상 상태 진단의 정확성과 분별력 향상을 위해, 기존의 decision maker 알고리즘을 보완 및 개선할 예정이다.

후 기

본 연구는 지식경제부(산업통산자원부)의 산업 기술혁신사업(산업융합원천기술개발사업) 중 과제 번호 10040003의 과제 및 한국기술교육대학교 교육 연구진흥비 지원프로그램의 일부지원에 의하여 수 행된 결과입니다.

References

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