用于测量燃料电池阻抗的方法、装置和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2014年8月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第 10-2014-0109925号的优先权和权益，其全部内容引入本文以供参考。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于测量燃料电池阻抗的方法、装置和系统。具体地，可以使用非正弦 周期波诸如矩形波测量燃料电池的阻抗。
【背景技术】
[0004] 燃料电池为电力生成装置，其将燃料氧化所产生的化学能直接转化为电能。燃料 电池与化学电池相同在于其基本上使用氧化和还原反应，但与化学电池有区别。例如，在燃 料电池中，从外部连续地供应反应物且反应产物连续地移到系统的外部，相反，化学电池的 电池反应在闭合的系统中执行。目前，由于燃料电池的反应副产物为纯水，因此积极地进行 使用燃料电池作为环境友好型车辆的动力源的研究。
[0005] 上述燃料电池可被用于向小型电气和电子产品供应动力，并且供应工业、家用以 及车辆驱动用动力。
[0006] 例如，作为用于驱动车辆的动力供应源，基本上已开发出在燃料电池中具有较大 功率密度的聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC)。聚合物电解质膜燃料电池因其运行温度低， 需要较少的起动时间以及较少的功率转换反应时间。
[0007] 聚合物电解质膜燃料电池可包括膜电极组件（MEA)、气体扩散层和双极板，其中膜 电极组件包括安装到固体聚合物电解质膜的两侧的催化电极层，其中氢离子移动并执行电 化学反应，气体扩散层配置成均匀地分布反应气体并传送所产生的电能，双极板配置成提 供反应气体和冷却剂的流动路径。
[0008] 通过连续地布置有单元电池的堆组件配置燃料电池，其中该堆组件被称为燃料电 池堆。当作为燃料的氢和作为氧化剂的氧在电池堆的单元电池中进行反应时，产生电能。当 在燃料电池堆中包括的任何一个单元电池中发生性能退化或失效时，燃料电池堆的整体性 能可能退化，从而导致不能稳定运行。
[0009] 通过测量从燃料电池堆的每个单元电池输出的电压来诊断燃料电池堆的性能，并 且示例性诊断方法可以是总谐波失真分析（THDA)方法。THDA方法通过分析电池堆电压的 频率来计算失真率，从而诊断电池电压。根据THDA方法，可容易地检测电池电压下降，但可 能无法定量地测量电池电压下降的原因。
[0010] 另外，已开发出使用电化学阻抗谱（EIS)测量燃料电池堆阻抗的方法。根据EIS 方法，将正弦波的电流或电压供应到燃料电池堆，然后测量燃料电池堆的电流I和电压V， 并基于所测量的电流和电压计算阻抗。
[0011] 该【背景技术】部分中所公开的以上信息仅用于增强对本发明【背景技术】的理解，并因 此可包含不构成本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0012] 在优选方面，本发明提供使用非正弦周期波诸如矩形波测量燃料电池阻抗的方 法、装置和系统。
[0013] 在示例性实施方式中，用于测量燃料电池阻抗的方法可包括：通过阻抗测量装置 将合成波的电流注入燃料电池；通过阻抗测量装置从燃料电池接收响应于合成波的电流的 电压；以及通过阻抗测量装置使用合成波的电流和响应电压来测量燃料电池的阻抗。
[0014] 具体地，合成波可为非正弦周期波。例如，合成波的电流可为矩形波、三角波或锯 齿波的电流。
[0015] 矩形波可在用于产生矩形波的功率相同或在恒定功率的条件下，具有大约1%以 上且大约10%以下的占空比。矩形波可具有大约50%、大约25%、大约20%或大约5%的 占空比。
[0016] 在示例性实施方式中，用于测量燃料电池阻抗的装置可包括：信号生成单元，其配 置成产生被施加到燃料电池的合成波的电流；信号接收单元，其配置成从燃料电池接收响 应于合成波的电流的电压；以及阻抗测量单元，其配置成使用合成波的电流和响应电压测 量燃料电池的阻抗。
[0017] 具体地，合成波可为非正弦周期波。例如，合成波的电流可为矩形波、三角波或锯 齿波的电流。
[0018] 在示例性实施方式中，测量燃料电池阻抗的系统可包括：燃料电池，其连接到电负 载；阻抗测量装置，其配置成将合成波的电流注入燃料电池，以从燃料电池接收响应于合成 波的电流的电压，然后使用合成波的电流和响应电压测量燃料电池阻抗；以及控制器，其配 置成从阻抗测量装置接收阻抗测量结果信息。
[0019] 具体地，合成波可为非正弦周期波。如上所述，合成波的电流可为矩形波、三角波 或锯齿波的电流。
[0020] 矩形波可在用于产生矩形波的功率相同的条件下，具有大约1%以上且大约10% 以下的占空比。矩形波可具有大约50%、大约25%、大约20%或大约5%的占空比。
[0021] 进一步提供的是使用或包括本文所述的用于测量燃料电池阻抗的装置、方法和系 统的机动车。
[0022] 根据本发明的各种示例性实施方式，由于用于测量燃料电池阻抗的方法、装置和 系统可使用一个非正弦周期波诸如矩形波（方波）来测量燃料电池的阻抗，因此可以比使 用多个正弦波的交流电流来测量燃料电池阻抗的常规方法更高效地测量燃料电池阻抗。
[0023] 另外，由于用于测量燃料电池阻抗的方法、装置和系统使用诸如矩形波的非正弦 周期波来测量燃料电池阻抗，因此可简化燃料电池的阻抗测量并可提高可靠性。
[0024] 例如，可通过将测量用交流电流的波形从正弦波改变为非正弦周期波来简化测量 用交流电流的控制，该非正弦周期波可产生并包括高频交流电流。
[0025] 此外，非正弦周期波可以用傅里叶变换或傅里叶级数定义，因此可以由多个正弦 波的加和来表示。由于一个非正弦周期波被用作测量电流，因此可减少测量用交流电流的 数目。因此，可提高测量用交流电流的振幅和相位控制的稳健性。
【附图说明】
[0026] 将提供附图的简单描述，以便于更充分地理解本发明【具体实施方式】中使用的附 图。
[0027] 图1示出相关技术中被注入燃料电池以便于在时域和频域上测量交流电流阻抗 的交流电流。
[0028] 图2示出根据本发明的示例性实施方式的用于测量燃料电池阻抗的示例性方法 中使用的用于测量阻抗的交流电流以及与交流电流相应的频谱。
[0029] 图3示出与图2中所示的矩形波的占空比的调整相应的阻抗测量值的示例性标准 偏差。
[0030] 图4为示出与图2中所示的矩形波的占空比的调整相应的阻抗测量值的标准偏差 的示例性表。
[0031] 图5为示出与矩形波的占空比的调整相应的矩形波的频率范围值的示例性表。
[0032] 图6为示出正弦波的频率范围值与根据本发明的示例性实施方式的矩形波的占 空比调整对比的示例性图。
[0033] 图7~17为示出根据本发明的各种示例性实施方式的取决于矩形波的占空比值 的矩形波的频率范围值的示例性图。
[0034] 图18示出根据本发明的示例性实施方式的应用用于测量燃料电池阻抗的示例性 方法的示例性系统。
[0035] 图19为示出当矩形波和正弦波的交流电流被输入根据本发明的示例性实施方式 的图18的示例性系统时的阻抗测量值的实例的图。
[0036] 图20为示出当矩形波和正弦波的交流电流被输入根据本发明的示例性实施方式 的图18的系统时的阻抗测量值的实例的图。
[0037] 图21示出根据本发明的示例性实施方式的在图18中示出的示例性阻抗测量装 置。
[0038] 图22示出根据本发明的示例性实施方式的在图18中示出的示例性燃料电池。
[0039] 在图1~22中提到的附图标记包括对下面进一步讨论的以下元件的参考：
[0040] 105 :燃料电池；110 :电负载；115 :控制器；200 :阻抗测量装置；205 :信号生成单 元；210 :信号接收单元；215 :阻抗测量单元。
【具体实施方式】
[0041] 为了充分地理解本发明以及通过实施本发明所实现的目的，将参考示出本发明的 示例性实施方式的附图以及附图中所描述的内容。
[0042] 在下文中，将通过参考附图描述本发明的示例性实施方式来描述本发明。在描述 本发明的过程中，将不详细描述众所周知的功能，因为它们可能使本发明的主旨不必要地 模糊。各个附图中的相同附图标记可表示相同的部件。
[0043] 本说明书中使用的术语仅仅用于描述特定的示例性实施方式，并且不在于限制本 发明。本文所使用的单数形式意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的 是，在说明书中使用的术语"包括"或"具有"是指存在所述特征、数字、步骤、操作、元件、部 件或其组合，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、部件或 其组合。
[0044] 应理解，本文使用的