KR100993657B1 - System and method for judging deterioration of fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 열화 판정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 연료전지 차량에서 운전 중인 연료전지 스택의 유출수에 대해 불소이온농도 또는 pH 값을 실시간으로 측정하여 그로부터 불소유출속도를 산출한 뒤 산출된 불소유출속도가 설정된 정상 범위를 벗어나는 경우 스택의 전해질막 열화를 판정 및 경보해주는 장치와 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell deterioration determination apparatus and method, comprising: measuring fluorine ion concentration or pH value in real time with respect to the effluent of a fuel cell stack in a fuel cell vehicle and calculating the fluorine outflow rate therefrom The present invention relates to a device and a method for determining and alerting an electrolyte membrane deterioration of a stack when a speed is outside a set normal range.

연료전지, 스택, MEA, 전해질막, 열화, 불소이온, 불소유출속도 Fuel Cell, Stack, MEA, Electrolyte Membrane, Degradation, Fluorine Ion, Fluorine Release Rate

Description

연료전지 열화 판정 장치 및 방법{System and method for judging deterioration of fuel cell} Fuel cell deterioration determination apparatus and method {System and method for judging deterioration of fuel cell}

본 발명은 연료전지 열화 판정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 운전 중인 연료전지 스택의 전해질막 상태를 확인하여 전해질막의 열화를 판정 및 경보해주는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for determining fuel cell deterioration, and more particularly, to an apparatus and method for determining and alarming an electrolyte membrane deterioration by checking an electrolyte membrane state of a fuel cell stack operating in a fuel cell vehicle.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting in a fuel cell stack without converting it into heat by combustion.

현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다. Currently, as a power source for driving a vehicle, a type of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) having the highest power density among fuel cells is being researched. Fast power conversion response time.

이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.The polymer electrolyte membrane fuel cell evenly distributes the membrane-electrode assembly (MEA) and the reactors with a catalyst electrode layer having an electrochemical reaction on both sides of the polymer electrolyte membrane in which hydrogen ions move. Gas Diffusion Layer (GDL), which transfers energy, gaskets and fasteners to maintain the tightness and proper fastening pressure of the reactor bodies and cooling water, and a separator plate for moving the reactor bodies and cooling water ( bipolar plate).

상기한 구성의 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.In the fuel cell having the above-described configuration, hydrogen as fuel and oxygen (air) as oxidant are supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator plate, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or Oxygen (air) is supplied to the cathode (also known as 'air electrode' or 'oxygen electrode' or 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. At this time, a flow of electrons is generated due to the movement of hydrogen ions, and current is generated by the flow of electrons.

이와 같은 고분자 전해질막 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.The electrode reaction of the polymer electrolyte membrane fuel cell is represented as follows.

[애노드에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e- (1)[Reaction at the anode] 2H 2 → 4H + + 4e - (1)

[캐소드에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2)[Reaction at cathode] O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (2)

[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지 (3)[Total reaction] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + electrical energy + thermal energy (3)

상기 반응식(1) ~ (3)에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다. 이때, 이론 전위는 1.23V이다.As shown in the reaction formulas (1) to (3), the hydrogen molecules are decomposed at the anode to generate four hydrogen ions and four electrons. The generated electrons move through an external circuit to generate a current, and the generated hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte membrane to perform a cathode reaction. At this time, the theoretical potential is 1.23V.

한편, 애노드에서 캐소드로 수소이온의 전달을 담당하는 전해질막은 연료전지 스택의 내구 성능 측면에서 매우 중요하다. 특히, 연료전지 차량의 운행 중에 실시간으로 연료전지 스택의 전해질막 상태를 확인하고 전해질막의 내구 성능을 확보하는 것이 중요하다.On the other hand, the electrolyte membrane that is responsible for the transfer of hydrogen ions from the anode to the cathode is very important in terms of durability of the fuel cell stack. In particular, it is important to check the electrolyte membrane state of the fuel cell stack in real time and to ensure the durability of the electrolyte membrane during operation of the fuel cell vehicle.

내구 성능의 확보를 위해서는 연료전지 스택의 성능 감소 및 내구 수명 단축을 유발하는 열화 현상의 확인 및 대응이 무엇보다 중요한데, 전해질막의 열화 원인으로 크게 열, 압력에 의한 기계적 열화, 이온 오염, 전기화학적인 열화를 들 수 있다.In order to secure the durability performance, it is important to identify and respond to deterioration phenomena that cause the performance of the fuel cell stack and shorten its lifespan.As a cause of degradation of the electrolyte membrane, mechanical degradation due to heat and pressure, ion contamination, electrochemical Deterioration is mentioned.

이 중 전기화학적인 열화는 Rod Borup 등에 의해 과산화수소 및 라디칼의 전 해질막 공격에 기인하는 것으로 보고되고 있다[Rod Borup et al., "Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation", Chem. Rev. 2007 (107) 3904-3951]. Rod Borup 등에 따르면 반응식은 다음과 같다.Among these, electrochemical deterioration is reported by Rod Borup et al. Due to electrolyte membrane attack of hydrogen peroxide and radicals [Rod Borup et al., "Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation", Chem. Rev. 2007 (107) 3904-3951. According to Rod Borup et al., The reaction is:

[Step 1] H2 + Pt → Pt-H (at anode) (4) [Step 1] H 2 + Pt → Pt-H (at anode) (4)

[Step 2] Pt-H + O2 (diffused through PEM to anode) → ㆍOOH (라디칼)(5) [Step 2] Pt-H + O 2 (diffused through PEM to anode) → ㆍ OOH (radical) (5)

[Step 3] ㆍOOH + Pt-H → H2O2 (6)[Step 3] ㆍ OOH + Pt-H → H 2 O 2 (6)

[Step 4] H2O2 + M2 + → M3 + + ㆍOH + OH- (7)[Step 4] H 2 O 2 + M 2 → M + + 3 + and OH + OH - (7)

[Step 5] ㆍOH + H2O2 → H2O + ㆍOOH (8)[Step 5] ㆍ OH + H 2 O 2 → H 2 O + ㆍ OOH (8)

과산화수소와 라디칼 발생에 영향을 주는 인자는 스택의 운전 전압 및 온도, 상대습도(스택에 공급되는 반응가스의 상대습도), 가스분압(스택에 공급되는 공기 중 산소분압) 등이다. 즉, 높은 전압, 높은 온도, 낮은 상대습도, 높은 가스분압에서 과산화수소와 라디칼 생성속도가 높아 막 열화 속도가 증가한다.Factors affecting hydrogen peroxide and radical generation include the operating voltage and temperature of the stack, the relative humidity (relative humidity of the reactant gas supplied to the stack), and the partial pressure of gas (the partial pressure of oxygen in the air supplied to the stack). That is, at high voltage, high temperature, low relative humidity, and high gas partial pressure, the rate of hydrogen peroxide and radical generation is high, thereby increasing the film degradation rate.

통상 전해질막의 상태를 확인하는 방법으로는 연료전지 스택의 OCV(Open Circuit Voltage), ODR(OCV Decay Rate)을 측정하거나, 전기화학 분석 방법으로 LSV(Linear Sweep Voltametry) 측정 방법 및 불소이온 용출량을 실시간으로 측정할 수 있는 이온크로마토그래피 장치를 이용하는 방법 등이 있다.In general, as a method of checking the state of an electrolyte membrane, an open circuit voltage (OCV) and an OCV decay rate (ODR) of a fuel cell stack are measured, or an LSV (Linear Sweep Voltametry) measurement method and an fluorine ion elution amount are measured in real time by an electrochemical analysis method. And an ion chromatography apparatus that can be measured by the method.

그러나, 연료전지 차량에 탑재된 스택에 대해 고전위 형성에 의한 스택 열화 방지를 위하여 미국특허 제7041405호의 경우 저항을 연결한 운전 기술 등이 적용되 므로 실시간으로 전해질막 상태를 확인하기 위한 OCV, ODR 측정은 스택 내구 성능 측면에서 불리하다.However, in order to prevent stack deterioration due to the formation of a high potential for a stack mounted on a fuel cell vehicle, U.S. Patent No. 7071405 is applied with a driving technology connected with a resistor, so OCV and ODR measurements are performed to check the state of the electrolyte membrane in real time. Is disadvantageous in terms of stack durability performance.

전기화학 분석 방법인 LSV 방법의 경우에는 단위 셀을 이용한 분석이 필요하므로 수백 장으로 적층된 실제 차량용 스택에 적용하기에는 어려움이 있고, 스택의 사후 분석 방법으로 유리하다.The LSV method, which is an electrochemical analysis method, requires analysis using a unit cell, so it is difficult to be applied to an actual vehicle stack stacked with hundreds of sheets, which is advantageous as a post analysis method of a stack.

또한 불소이온 용출량을 실시간으로 측정하는 이온크로마토그래피 장치의 경우 가격이 매우 고가이므로 열화 방지를 위해 차량에 탑재하여 전해질막 상태를 확인하기 위한 용도로 사용하기에는 적합하지 않다. 이에 고정형 연료전지 평가 장비에 설치되어 분석 장비로 사용되고 있다.In addition, the ion chromatography device for measuring the amount of fluorine ion leaching in real time is very expensive, so it is not suitable for use in mounting the vehicle to check the electrolyte membrane state to prevent degradation. Therefore, it is installed in the stationary fuel cell evaluation equipment and is used as an analysis equipment.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 운행 중인 차량의 연료전지 스택에 대해 실시간으로 전해질막의 상태를 확인하여 전해질막의 열화를 판정 및 경보해줄 수 있는 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented in view of the above, and provides an apparatus and a method capable of determining and alarming degradation of an electrolyte membrane by checking the state of the electrolyte membrane in real time with respect to a fuel cell stack of a vehicle in operation. There is a purpose.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 차량에서 운전 중인 연료전지 스택으로부터 나오는 스택 유출수에 대해 실시간으로 불소이온농도를 검출하기 위한 불소이온농도 측정기와 pH를 검출하기 위한 pH 측정기 중 1종 또는 2종의 측정기와;In order to achieve the above object, the present invention provides a fluorine ion concentration meter for detecting the fluorine ion concentration in real time with respect to the stack effluent flowing from the fuel cell stack running in the fuel cell vehicle and one of the pH meter for detecting the pH Species or two species;

상기 스택 유출수의 유속을 측정하기 위한 유속측정수단과;Flow rate measuring means for measuring a flow rate of the stack effluent;

측정된 상기 불소이온농도 또는 pH 값과 스택 유출수의 유속 데이터를 토대로 불소유출속도를 산출하여 스택의 전해질막 상태를 확인하되, 상기 불소유출속도가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정하는 제어기;The fluorine outflow rate is calculated based on the measured fluorine ion concentration or pH value and the flow rate data of the stack effluent to check the electrolyte membrane state of the stack. However, if the fluorine outflow rate is outside the preset normal range, there is a possibility of degradation of the electrolyte membrane. A controller that determines to be;

를 포함하는 연료전지 열화 판정 장치를 제공한다.It provides a fuel cell deterioration determination apparatus comprising a.

또한 본 발명은, (a) 연료전지 차량에서 불소이온농도 측정기와 pH 측정기 중 1종 또는 2종의 측정기를 이용해 연료전지 스택으로부터 나오는 스택 유출수에 대해 실시간으로 불소이온농도 및 pH 값을 측정하고, 유속검출수단을 이용해 상기 스택 유출수의 유속을 측정하는 단계와;In addition, the present invention, (a) measuring the fluorine ion concentration and pH value in real time with respect to the stack effluent from the fuel cell stack using one or two of the fluorine ion concentration meter and pH meter in the fuel cell vehicle, Measuring the flow rate of the stack effluent using a flow rate detecting means;

(b) 제어기가 측정된 상기 불소이온농도 또는 pH 값과 상기 스택 유출수의 유속 데이터를 토대로 불소유출속도를 산출하여 스택의 전해질막 상태를 확인하되, 상기 불소유출속도가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정하는 단계;(b) The controller calculates the fluorine outflow rate based on the measured fluorine ion concentration or pH value and the flow rate data of the stack effluent to check the electrolyte membrane state of the stack, but if the fluorine outflow rate is outside the preset normal range. Determining that there is a possibility of deterioration of the electrolyte membrane;

를 포함하여 구성되는 연료전지 열화 판정 방법을 제공한다.It provides a fuel cell deterioration determination method comprising a.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 열화 판정 장치 및 방법에 의하면, 운행 중인 연료전지 차량에서 스택의 전해질막 열화를 실시간으로 판정해줄 수 있으며, 열화가 판정된 상황에서 열화 방지를 위한 신속한 대응이 가능해지도록 하는 효과가 있다.Accordingly, according to the fuel cell deterioration determination apparatus and method of the present invention, it is possible to determine the electrolyte membrane deterioration of the stack in real time in the fuel cell vehicle in operation, so that a rapid response for deterioration prevention is possible in the situation where the deterioration is determined. It is effective.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 연료전지 스택의 성능 감소 및 내구 수명 단축을 유발하는 전해질막의 열화를 판정 및 경보하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 전해질막의 열화시에 발생하는 불소이온의 용출량 또는 이에 따른 스택 유출수(캐소드 유출수/애노드 유출수)의 pH 변화를 실시간으로 측정하여 전해질막의 열화 상태를 판정 및 경보하는 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a device and a method for determining and alarming an electrolyte membrane deterioration that causes a decrease in performance and a shortened durability of a fuel cell stack. In particular, the amount of fluorine ions generated during deterioration of an electrolyte membrane or the resulting stack effluent ( The present invention relates to an apparatus and a method for determining and alerting to a deterioration state of an electrolyte membrane by measuring a pH change of a cathode effluent water / anode effluent water in real time.

연료전지 차량에 탑재되는 고분자 전해질막 연료전지에서 전해질막이 전기화학적으로 열화되면 불소이온이 MEA 밖으로 유출되는데, 이때 불소유출속도(Fluoride Emission Rate, FER)를 계산하면 그로부터 막 열화속도를 알 수 있다. When the electrolyte membrane is electrochemically degraded in a polymer electrolyte membrane fuel cell mounted in a fuel cell vehicle, fluorine ions flow out of the MEA. At this time, the fluorine emission rate (FER) can be calculated from the membrane degradation rate.

이 FER은 스택 유출수에 용출된 불소이온의 농도로부터 계산될 수 있고, 또한 불소이온의 농도가 스택에서 배출되는 유출수의 pH와 밀접한 관계가 있으므로 간단하게 pH를 측정하여서도 FER이 계산될 수 있다. This FER can be calculated from the concentration of fluorine ions eluted in the stack effluent, and the FER can be calculated simply by measuring the pH since the concentration of fluorine ions is closely related to the pH of the effluent discharged from the stack.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 전해질막 열화 판정 및 경보 장치의 구성을 도시한 개략도로서, 연료전지 열화 방지 제어를 위해 전해질막 상태를 확인 및 경보하기 위한 시스템의 구성을 보여주고 있다. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the electrolyte membrane deterioration determination and warning device according to the present invention, and shows the configuration of a system for checking and alarming the state of the electrolyte membrane for controlling fuel cell degradation.

본 발명에 따른 전해질막 열화 판정 장치는, 연료전지 차량에서 운전 중인 연료전지 스택으로부터 나오는 스택 유출수에 대해 실시간으로 불소이온농도를 검출하기 위한 불소이온농도 측정기와 pH를 검출하기 위한 pH 측정기 중 1종 또는 2종의 측정기와; 상기 스택 유출수의 유속을 측정하기 위한 유속측정수단과; 측정된 상기 불소이온농도 또는 pH 값과 스택 유출수의 유속 데이터를 토대로 불소유출속도를 산출하여 스택의 전해질막 상태를 확인하되, 상기 불소유출속도가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정하는 제어기를 포함하여 구성된다. 이에 더하여, 본 발명의 장치는 제어기가 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정할 시에 출력하는 제어신호에 의해 구동하여 전해질막의 열화를 경보하는 경보수단을 더 포함할 수 있다. The electrolyte membrane deterioration determination apparatus according to the present invention is one of a fluorine ion concentration meter for detecting fluorine ion concentration in real time with respect to the stack effluent flowing from the fuel cell stack in operation in a fuel cell vehicle and a pH meter for detecting pH. Or two measuring instruments; Flow rate measuring means for measuring a flow rate of the stack effluent; The fluorine outflow rate is calculated based on the measured fluorine ion concentration or pH value and the flow rate data of the stack effluent to check the electrolyte membrane state of the stack. However, if the fluorine outflow rate is outside the preset normal range, there is a possibility of degradation of the electrolyte membrane. And a controller that determines to be. In addition, the apparatus of the present invention may further include alarm means for driving the control signal output when the controller determines that there is a possibility of degradation of the electrolyte membrane to alert the degradation of the electrolyte membrane.

도 1을 참조하면, 연료전지 스택(110)은 단위 셀을 여러 장 적층시킨 것으로, 애노드(수소극)와 캐소드(공기극)에는 각각 수소와 공기가 입구단의 배관(110a,110e)과 밸브(110b,110f)를 통해 공급되고, 애노드와 캐소드에서 반응하고 나오는 배출가스 및 연료전지 반응의 생성수 등은 출구단의 배관(110c,110d)과 밸브(110g,110h)를 통해 유출된다. Referring to FIG. 1, the fuel cell stack 110 is formed by stacking a plurality of unit cells, and hydrogen and air are respectively supplied to the anode (hydrogen electrode) and the cathode (air electrode) at the inlet pipes 110a and 110e and the valve ( 110b and 110f are supplied, and the generated gas of the exhaust gas and the fuel cell reaction, which are reacted at the anode and the cathode, is discharged through the pipes 110c and 110d and the valves 110g and 110h at the outlet end.

그리고, 스택의 출구단 배관(110c,110d)에는 애노드와 캐소드의 가스 출구에서 나오는 배출가스 중 수분을 응축시킬 수 있는 응축기(120,130)가 설치되고, 이 응축기에는 모아진 물(응축수 및 생성수를 포함한 스택 유출수)의 불소이온농도를 측정하기 위한 불소이온농도 측정기(162,167) 또는 pH를 측정하기 위한 pH 측정기(pH meter)(161,166)가 설치된다.The outlet pipes 110c and 110d of the stack are provided with condensers 120 and 130 capable of condensing moisture in the exhaust gas from the gas outlets of the anode and the cathode, and the condenser includes condensed water and condensed water. Fluoride ion concentration measuring instruments 162 and 167 for measuring the fluorine ion concentration of the stack effluent) or pH meters 161 and 166 for measuring the pH are installed.

상기 응축기(120,130)에는 스택(110)의 애노드와 캐소드에서 나오는 배출가스가 응축된 응축수와 연료전지 반응에 의해 생성된 생성수가 모아지는데, 응축기에서 수분이 제거된 배출가스는 응축기 출구단의 가스 배관(g)을 통해 배출된다. 또한 각 응축기(120,130)에는 내부의 물(스택 유출수로서 상기 응축수와 생성수임)을 배출하기 위한 드레인 배관(w)이 설치된다. The condenser (120, 130) collects the condensate condensed by the exhaust gas from the anode and the cathode of the stack 110 and the generated water generated by the fuel cell reaction, the exhaust gas is removed from the condenser is a gas pipe of the condenser outlet end through (g). In addition, each condenser (120, 130) is provided with a drain pipe (w) for discharging the internal water (the condensate and generated water as stack effluent).

본 발명에서 상기한 응축기로는 배출가스의 냉각을 위해 통상의 냉매순환식 응축기가 사용될 수 있는데, 각 응축기(120,130)에 라디에이터(121,131)가 연결되어 구비되며, 이때 냉매는 응축기와 라디에이터 사이를 순환하면서 열교환을 하게 된다. 일 예로, 온도가 -3 ~ 3℃로 유지되는 냉매가 순환하는 응축기가 설치될 수 있으며, 스택의 배출가스와 접촉해 대부분의 수분이 응축되게 한다. 65 ~ 80 ℃에서 운전되는 고분자 전해질막 연료전지에서 연료전지의 상대습도는 보통 40 ~ 90%이므로 스택의 가스 출구부 온도가 상온이나 상온보다 약간 높은 온도이면 스택의 가스 출구에서는 물과 포화된 증기가 함께 나온다. 이에 증기 내의 불소이온이나 기타 이온이 측정되지 않은 상태로 그대로 유출되는 것을 막기 위해 열교환을 시켜 최대한 수분이 응축되게 한다. In the present invention, the conventional condenser circulating condenser may be used for cooling the exhaust gas. Radiators 121 and 131 are connected to each condenser 120 and 130, and the refrigerant is circulated between the condenser and the radiator. Heat exchange. As an example, a condenser for circulating a refrigerant maintained at a temperature of −3 to 3 ° C. may be installed, and in contact with the exhaust gas of the stack to condense most of the moisture. In the polymer electrolyte membrane fuel cell operating at 65 ~ 80 ℃, the relative humidity of the fuel cell is usually 40 ~ 90%, so if the gas outlet temperature of the stack is at room temperature or slightly higher than normal temperature, water and saturated steam at the gas outlet of the stack Comes out together. Therefore, in order to prevent fluorine ions or other ions in the vapor from flowing out without being measured, heat is exchanged to condense water as much as possible.

상기 응축기(120,130)에 일정시간 동안 모여진 물의 불소이온농도나 pH를 불소이온농도 측정기(162,167)와 pH 측정기(161,166)로 측정하는데, 불소이온농도 측정기는 불소이온 선택성 전극(Ion Selective Electrode, ISE)을 사용한 것을 설치할 수 있으며, 이때 전극의 측정범위로 1×10-7M ~ 의 포화 농도까지 측정 가능한 것을 설치하는 것이 바람직하다. 상기 불소이온농도 측정기 및 pH 측정기는 모두 고감도성, 내화학성, 내후성, 내충격성을 갖는 제품을 사용한다. The fluorine ion concentration or pH of the water collected in the condenser 120, 130 for a predetermined time is measured by the fluorine ion concentration measuring device (162, 167) and the pH measuring device (161, 166), the fluorine ion concentration measuring device (Ion Selective Electrode, ISE) It can be installed, and at this time, it is preferable to install the one capable of measuring up to a saturation concentration of 1 × 10 -7 M in the measuring range of the electrode. The fluorine ion concentration meter and the pH meter both use a product having high sensitivity, chemical resistance, weather resistance, impact resistance.

본 발명에서 열화 판정 기준이 되는 불소유출속도를 산출하기 위해 불소이온농도 측정기(162,167)와 pH 측정기(161,166) 중 어느 하나 또는 둘 모두(동시 이용)를 이용할 수 있는바, 불소이온농도 측정기가 상대적으로 고가이므로, pH 측정기를 이용하는 경우에는 불소이온농도 측정기를 이용하는 경우에 비해 시스템 구성을 위한 비용을 줄일 수 있게 된다.In the present invention, any one or both (simultaneous use) of the fluorine ion concentration meter (162, 167) and the pH meter (161, 166) can be used to calculate the fluorine outflow rate that becomes the deterioration determination criteria. Since it is expensive, it is possible to reduce the cost for the system configuration when using a pH meter compared to the case of using a fluorine ion concentration meter.

상기 불소이온농도 측정기(162,167)와 pH 측정기(161,166)는 불소이온농도와 pH를 검출하여 검출값에 따른 신호를 제어기(140)로 인가하며, 제어기(140)는 불소이온농도 측정기 또는 pH 측정기의 검출값을 이용하여 FER(불소유출속도)를 산출한 뒤 미리 설정된 FER 정상 범위를 벗어난 경우 막 열화속도가 비정상적으로 높음을 판정 및 경보수단(150)을 통해 경보하고, 발생 원인이 무엇인지를 확인하게 된다. The fluorine ion concentration measuring instruments 162 and 167 and the pH measuring units 161 and 166 detect the fluorine ion concentration and the pH and apply a signal according to the detection value to the controller 140, and the controller 140 controls the fluorine ion concentration measuring instrument or the pH measuring instrument. After calculating the FER (fluorine outflow rate) using the detected value, if it is out of the preset FER normal range, it is determined that the membrane degradation rate is abnormally high and the alarm means 150 alerts and checks the cause of occurrence. Done.

상기와 같이 전해질막에 대한 열화 판정의 기준을 불소이온농도 또는 pH로부터 산출된 불소유출속도로 하는데, 이는 차량 사양에 따라 스택의 막 면적이 상이하기 때문이다. As described above, the criterion for deterioration determination for the electrolyte membrane is the fluorine outflow rate calculated from the fluorine ion concentration or pH, because the membrane area of the stack varies depending on the vehicle specification.

하기 식(9)는 불소이온농도로부터 불소유출속도를 산출하기 위한 식으로서, 불소유출속도는 단위 시간당, 막 면적당 배출되는 불소이온량으로 정의된다. Equation (9) is a formula for calculating the fluorine outflow rate from the fluorine ion concentration, and the fluorine outflow rate is defined as the amount of fluorine ions discharged per unit time per membrane area.

불소유출속도(FER) = (불소이온농도×유량)/(시간×막 면적) Fluorine Release Rate (FER) = (Fluorine Ion Concentration × Flow Rate) / (Time × Film Area)

= (불소이온농도×유속)/(막 면적) (9)= (Fluorine ion concentration × flow rate) / (membrane area) (9)

여기서, 불소이온농도 : ppm(10-6g/㎤) Here, fluorine ion concentration: ppm (10 -6 g / cm 3)

유량 : ㎤ Flow rate: cm 3

시간 : minTime: min

막 면적 : ㎠Membrane Area: ㎠

유속 : 유량/시간 → mlpm(㎤/min)Flow rate: flow rate / hour → mlpm (cm 3 / min)

이다.to be.

위의 식과 같이 불소이온농도로부터 불소유출속도를 구하기 위해서는 불소이온이 용출되어 있는 스택 유출수(배출가스로부터의 응축수 및 연료전지 반응에 의한 생성수)의 양(유량)과, 이 양만큼의 스택 유출수가 스택으로부터 배출되는 시간을 알아야 한다. In order to calculate the fluorine outflow rate from the fluorine ion concentration as described above, the amount (flow rate) of the stack effluent (condensate from the exhaust gas and the water produced by the fuel cell reaction) from which the fluorine ion is eluted, and the stack effluent by this amount It is necessary to know the time that is released from the stack.

상기 식(9)에서 막 면적은 스택 사양에 따른 고유값이므로, 본 발명에서는 응축기 내 스택 유출수의 불소이온농도와 유속을 측정하여 불소유출유속을 산출하거나, 응축기 내 일정량의 스택 유출수에서 측정된 불소이온농도와 상기 일정량의 스택 유출수가 스택으로부터 배출되어진 시간(응축기에 모아진 시간)을 측정하여 산출한다. Since the membrane area in Equation (9) is a unique value according to the stack specification, in the present invention, the fluorine outflow rate is calculated by measuring the fluorine ion concentration and flow rate of the stack effluent in the condenser, or the fluorine measured in a certain amount of stack effluent in the condenser. It is calculated by measuring the ion concentration and the amount of time that the predetermined amount of stack effluent is discharged from the stack (time collected in the condenser).

여기서, 스택 유출수의 유속은 불소이온농도가 측정되어진 스택 유출수의 생성 속도를 의미하는 것으로, 제어기가 불소이온농도와 불소이온이 용출되어 있는 스택 유출수의 발생 속도(= 유속 = 유량/시간)로부터 불소유출속도를 산출하게 되는 것이다.Here, the flow rate of the stack effluent refers to the rate of generation of the stack effluent in which the fluorine ion concentration is measured, and the controller generates fluorine from the generation rate (= flow rate = flow rate / hour) of the stack effluent in which fluorine ion concentration and fluorine ion are eluted. The outflow rate will be calculated.

상기 스택 유출수의 유속은 단위 시간당 스택으로부터 응축기로 배출되는 유출수의 양이 되며, 유속측정수단에 의해 측정된다. 상기 식(9)에서 유량은 시간과 같이 측정되어야 하는 유속 개념이며, 상기 유속의 측정 방법은 유속계를 사용하는 방법(유속)과 일정 용량의 물이 응축기 내에 채워질 때까지의 시간을 측정하는 방법(유량/시간)이 모두 가능하다. The flow rate of the stack effluent is the amount of effluent discharged from the stack to the condenser per unit time and is measured by the flow rate measuring means. In Equation (9), the flow rate is a flow rate concept to be measured as time, and the flow rate measuring method is a method of using a flow meter (flow rate) and a method of measuring a time until a certain volume of water is filled in the condenser ( Flow rate / hour) are all possible.

유속측정수단으로 유속계(164a,169a)를 사용하는 경우, 응축기(120,130)에서 물이 배출되는 유속을 측정하기 위해 응축기의 물 배출구측, 즉 드레인 포트 또는 이에 연결된 드레인 배관(w)에 유속계를 설치한 뒤 유속계의 검출값이 제어기(140)에 입력되도록 한다.When using the flow meter (164a, 169a) as the flow rate measuring means, in order to measure the flow rate of the water discharged from the condenser (120, 130) to install the flow meter on the water outlet side of the condenser, that is, the drain port or drain pipe (w) connected thereto After that, the detection value of the tachometer is input to the controller 140.

이와 달리 일정 용량의 물이 채워지는 시간을 측정하는 방법의 경우, 물이 배출될 수 있는 드레인 배관(w) 및 이 드레인 배관에 설치된 전자식 개폐밸 브(164b,169b)를 구비한 응축기(120,130)와, 상기 응축기(120,130)에 설치된 상부 수위센서(163a,168a) 및 하부 수위센서(163b,168b)로 구성된 유속측정수단을 이용한다. On the other hand, in the case of measuring a time for filling a certain amount of water, the condenser 120,130 having a drain pipe (w) through which water can be discharged and the electronic open / close valves 164b and 169b installed in the drain pipe. And, using the flow rate measuring means consisting of the upper water level sensor (163a, 168a) and the lower water level sensor (163b, 168b) installed in the condenser (120, 130).

보다 상세히는, 우선 응축기(120,130)에 상부 수위센서(163a,168a) 및 하부 수위센서(163b,168b)가 설치되고, 상기 응축기에서 물이 배출되는 드레인 배관(w)에는 제어기(140)의 제어하에 응축기에 모여진 물이 배출될 수 있도록 개방되는 전자식 개폐밸브(164b,169b)가 설치된다. More specifically, first, the upper water level sensors 163a and 168a and the lower water level sensors 163b and 168b are installed in the condenser 120 and 130, and the control of the controller 140 is provided in the drain pipe w through which water is discharged from the condenser. The electronic on-off valves 164b and 169b are installed to be discharged under the condenser.

이때, 상기 식(9)에서와 같이 불소유출속도를 산출하기 위해 불소이온농도와 더불어 응축기(120,130) 내 정해진 용적만큼의 물이 채워지는 시간을 알아야 한다. 즉, 식(9)에서 유량은 응축기(120,130) 내에서 하부 수위센서(163b,168b)와 상부 수위센서(163a,168a) 사이에 물이 채워지는 용적(응축기의 설계값임)이 되고, 시간은 이 용적만큼 물이 채워지는 시간이 되며, 제어기(140)는 하부 수위센서와 상부 수위센서 사이의 용적이 미리 입력된 상태에서 물이 채워지는 시간을 측정하여, 상기 용적과 시간을 이용해 식(9)로부터 불소유출속도를 산출하게 된다.At this time, in order to calculate the fluorine outflow rate as shown in Equation (9), it is necessary to know the time to fill the water in the condenser 120, 130 by the predetermined volume in addition to the fluorine ion concentration. That is, in Equation (9), the flow rate is a volume (which is a condenser design value) in which water is filled between the lower water level sensors 163b and 168b and the upper water level sensors 163a and 168a in the condenser 120 and 130, and the time is The volume of water is the time to be filled, the controller 140 measures the time the water is filled in a state in which the volume between the lower water level sensor and the upper water level sensor is input in advance, using the volume and time equation (9) Fluorine release rate is calculated.

상기 전자식 개폐밸브(164b,169b)는 제어기(140)의 제어하에 드레인 배관(w)을 개폐하도록 구비되는 것으로, 제어기(140)는 상기 전자식 개폐밸브가 개방된 상태에서 드레인 배관을 통해 하부 수위센서(163b,168b)에 의해 감지되는 수위까지 물이 배출되고 나면 개폐밸브(164b,169b)를 닫아주고, 이후 스택 운전 동안 상부 수위센서(163a,168a)에 의해 감지되는 수위까지 물이 채워지는 시간을 측정하게 된다. 상부 수위센서(163a,168a)에 의해 감지되는 수위까지 물이 채워지는 시간이 측정되고 나면, 제어기(140)는 다시 개폐밸브(164b,169b)를 열어 하부 수위센서(163b,168b)에 의해 감지되는 수위까지 물을 배출시키게 된다. 이와 같이 제어기는 상부 수위센서와 하부 수위센서의 신호로부터 물이 정해진 용량만큼 채워지는 동안의 시간을 측정하고, 또한 물이 정해진 용량만큼 다 채워지면 개폐밸브를 열어 물을 배출시키는바, 이러한 과정을 계속해서 반복하게 된다.The electronic on / off valves 164b and 169b are provided to open and close the drain pipe w under the control of the controller 140. The controller 140 has a lower water level sensor through the drain pipe in the state where the electronic on / off valve is opened. After the water is discharged to the water level detected by the water level 163b and 168b, the closing valves 164b and 169b are closed, and the water is filled up to the water level detected by the upper water level sensors 163a and 168a during the stack operation. Will be measured. After the time at which the water is filled up to the level detected by the upper water level sensors 163a and 168a is measured, the controller 140 opens the on / off valves 164b and 169b again to be sensed by the lower water level sensors 163b and 168b. The water will be discharged to the water level. As such, the controller measures the time during which the water is filled by the predetermined volume from the signals of the upper and lower water level sensors, and opens the on / off valve to discharge the water when the water is filled by the predetermined volume. Repeatedly.

상기와 같은 방법에서, 스택 유출수의 유속 데이터는 응축기 내 물이 하부 수위센서까지 배출된 뒤 상부 수위센서까지 다시 채워지는 시간 및 두 수위센서 간 용적으로부터 얻어지며, 물이 다 채워지는 시점에서 불소유출속도가 계산되므로, 불소유출속도(FER) 데이터의 간격은 응축기 내 하부 수위센서와 상부 수위센서 간 용적에 의해 결정된다. In the above method, the flow rate data of the stack effluent is obtained from the time when the water in the condenser is discharged to the lower level sensor and then refilled to the upper level sensor and the volume between the two level sensors. Since the velocity is calculated, the interval between FER data is determined by the volume between the lower and upper level sensors in the condenser.

상기 두 수위센서 간 용적과 측정된 시간으로부터 스택 유출수의 유속 데이터가 얻어질 수 있고, 이에 제어기는 유속 데이터와 응축기에 모아진 스택 유출수로부터 측정된 불소이온농도(불소이온농도 측정기의 측정값)로부터 불소유출속도를 산출할 수 있게 된다. The flow rate data of the stack effluent can be obtained from the volume and the measured time between the two water level sensors, so that the controller can calculate the fluorine from the fluorine ion concentration (measured value of the fluorine ion concentration meter) measured from the flow rate data and the stack effluent collected in the condenser. The outflow rate can be calculated.

그리고, 상기의 불소이온농도는 pH와 상관 관계를 가지며, 하기 식(10)은 불소이온농도와 pH의 상관 관계를 나타내는 식이다. In addition, said fluorine ion concentration has a correlation with pH, and following formula (10) is a formula which shows a correlation between fluorine ion concentration and pH.

pH = 4.31 - 0.88log[F-] (10) pH = 4.31 - 0.88log [F - ] (10)

여기서, [F-]는 불소이온농도로서, 불소이온농도 대신 pH 측정기(161,166)에 의해 검출된 pH 값으로부터 식(9) 및 식(10)을 이용하여 불소유출속도(FER)가 산출 될 수 있다. 즉, 불소이온농도와 pH는 식(10)에서와 같이 밀접한 상관 관계를 가지므로 불소이온농도 대신 pH만을 측정해서도 불소유출속도를 산출할 수 있는 것이다. Here, [F -] is a fluorine ion concentration, expression from the pH value detected by the fluorine ion concentration instead of pH measuring devices (161 166) (9) and (10) a fluorine flow rate (FER) can be calculated by using have. That is, since fluorine ion concentration and pH have a close correlation as shown in Equation (10), the fluorine outflow rate can be calculated even by measuring only pH instead of fluorine ion concentration.

상기한 전해질막의 열화 판정 과정에서 응축기는 스택의 캐소드 출구단 또는 애노드 출구단 중 어느 한쪽 또는 도 1에 나타낸 바와 같이 양측 모두에 설치될 수 있는데, 캐소드 출구단과 애노드 출구단 양측에 모두 설치되는 경우라면 두 응축기에서 검출된 불소이온농도로부터 계산된 불소유출속도 중 어느 하나라도 규정 범위를 벗어날 경우 전해질막의 열화가 가속화되고 있는 것으로 판정 및 경보가 가능하다. In the process of determining the degradation of the electrolyte membrane, the condenser may be installed at either one of the cathode outlet end or the anode outlet end of the stack, or as shown in FIG. 1, provided that both the cathode outlet end and the anode outlet end are both installed. If any of the fluorine outflow rates calculated from the fluorine ion concentrations detected by both condensers is outside the specified range, it is possible to determine and alert that the degradation of the electrolyte membrane is accelerating.

한편, 본 발명에서는 스택 유출수의 불소이온농도 또는 pH를 측정해 FER을 계산하고, 이 FER 값이 미리 설정해놓은 정상 범위를 벗어나면 막 열화속도의 가속화를 판정 및 경보하는 동시에 열화 인자를 제어하여 열화에 의한 전해질막의 수명 감소를 방지하게 된다.On the other hand, in the present invention, the FER is calculated by measuring the fluorine ion concentration or pH of the stack effluent, and when the FER value is outside the preset normal range, the acceleration and deterioration of the membrane degradation rate is determined and alarmed while the degradation factor is controlled. It is possible to prevent the reduction of the life of the electrolyte membrane by.

본 발명에서 막 열화속도의 증가 원인이 되는 열화 인자로는 스택의 운전 전압 및 온도, 상대습도, 가스분압이 될 수 있다. 즉, FER 값을 토대로 열화 가속화 상황인 것으로 판단되면, 센서수단에 의해 실시간으로 측정된 스택의 전압, 온도, 상대습도, 가스분압을 토대로 이들 열화 변수가 정상 범위 내에 들어올 수 있도록 차량 및 스택의 운전 조건을 제어하는 것이다. In the present invention, the deterioration factor that causes the increase in the film degradation rate may be the operating voltage and temperature, relative humidity, and gas partial pressure of the stack. That is, if it is determined that the deterioration acceleration situation is based on the FER value, driving of the vehicle and the stack so that these deterioration parameters are within the normal range based on the voltage, temperature, relative humidity, and gas partial pressure of the stack measured in real time by the sensor means. To control the condition.

이를 위해 본 발명에 따른 전해질막의 열화 판정 및 경보 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(110)의 운전 전압을 검출하기 위한 전압센서(111) 와, 스택의 운전 온도를 검출하기 위한 온도센서(112)와, 스택에 공급되는 반응가스의 상대습도를 검출하기 위한 센서로서 애노드에 공급되는 수소 또는 캐소드에 공급되는 공기의 상대습도를 검출하기 위한 습도센서(113)와, 스택에 공급되는 공기 중 산소분압을 측정하기 위한 센서로서 캐소드에 공급되는 공기 중 산소의 농도를 검출하기 위한 산소센서(114)를 포함한다.To this end, the electrolyte membrane deterioration determination and warning device according to the present invention, as shown in Figure 1, the voltage sensor 111 for detecting the operating voltage of the fuel cell stack 110, and to detect the operating temperature of the stack Temperature sensor 112, a humidity sensor 113 for detecting the relative humidity of the reaction gas supplied to the stack and a humidity sensor 113 for detecting the relative humidity of the air supplied to the hydrogen supplied to the anode or the cathode, A sensor for measuring the partial pressure of oxygen in the air to be supplied includes an oxygen sensor 114 for detecting the concentration of oxygen in the air supplied to the cathode.

이들 센서로는 연료전지 시스템에 기 장착된 센서들의 이용이 가능한데, 연료전지 스택의 운전 전압을 검출하기 위한 상기 전압센서(111)로는 기존 전압 모니터링 시스템에 포함된 전압센서의 이용이 가능하며, 연료전지 스택의 운전 온도를 검출하기 위한 상기 온도센서(112)로는 스택 입구측의 냉각수 온도센서가 이용될 수 있다(도 14 및 도 15 참조). 또한 습도센서(113)로는 애노드 입구측 또는 캐소드 입구측의 습도센서(도 14 및 도 15에서는 도면부호 113a,113b로 구분 표시함)가 이용될 수 있으며, 산소센서(114)로는 공기블로워 출구단에 설치된 산소센서가 이용될 수 있다(도 14 및 도 15에서 공기블로워(106)와 가습기(107) 사이에 설치됨). 상기 산소센서의 종류로는 YSZ 센서(Yittra Stabilized Zirconia sensor), 저항 센서(Resistive sensor) 등이 사용 가능하다. These sensors can be used sensors that are pre-installed in the fuel cell system, the voltage sensor 111 for detecting the operating voltage of the fuel cell stack can use the voltage sensor included in the existing voltage monitoring system, the fuel As the temperature sensor 112 for detecting the operating temperature of the battery stack, a coolant temperature sensor on the stack inlet side may be used (see FIGS. 14 and 15). In addition, the humidity sensor 113 may be an anode inlet side or a cathode inlet side of the humidity sensor (indicated by the reference numerals 113a and 113b in FIGS. 14 and 15), the oxygen sensor 114 as the air blower outlet end The oxygen sensor installed in the can be used (installed between the air blower 106 and the humidifier 107 in Figs. 14 and 15). Examples of the oxygen sensor may include an YSZ sensor (Yittra Stabilized Zirconia sensor), a resistive sensor, and the like.

이에 따라, 제어기는 불소이온농도 측정기 또는 pH 측정기의 검출값을 이용하여 전해질막의 열화 가능성을 확인 및 경보하는 동시에 열화 발생 원인이 무엇인지를 파악할 수 있게 되는데, 열화 인자가 되는 스택의 전압, 온도, 상대습도 및 가스분압 중 어느 하나의 검출값이 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 그에 따른 대응을 하게 된다. 즉, 열화 발생 원인이 되는 인자를 찾아 해당 인자를 정상 범 위로 제어하기 위해 전해질막의 열화속도를 감소시키는 스택 운전이 이루어지도록 하는 것이다. 예를 들어, 스택의 온도가 90℃ 이상이 되었다거나, 단위 셀 전압이 0.9V 이상이거나, 상대습도가 20%이면, 온도, 전압, 상대습도가 정상 범위로 유지될 수 있도록 차량 및 스택의 운전 조건을 제어하게 된다. 이때, 후술하는 바와 같이 열화 요인별로 차별화하여 운전 조건을 제어한다.Accordingly, the controller can check and alert the possibility of deterioration of the electrolyte membrane using the detection value of the fluorine ion concentration meter or the pH meter, and at the same time determine the cause of the deterioration. When the detection value of any one of the relative humidity and the gas partial pressure is out of the preset normal range, a corresponding response is made. That is, the stack operation is performed to reduce the deterioration rate of the electrolyte membrane in order to find a factor that causes deterioration and control the factor to a normal range. For example, if the temperature of the stack is above 90 ° C, the unit cell voltage is above 0.9V, or the relative humidity is 20%, the operation of the vehicle and the stack to maintain the normal temperature, voltage, and relative humidity The condition is controlled. In this case, as described below, the operating conditions are controlled by differentiating the deterioration factors.

본 발명자는 전해질막의 열화 인자로서 스택의 운전 온도 및 전압, 상대습도(스택에 공급되는 반응가스의 상대습도), 가스분압(스택에 공급되는 공기 중 산소분압)이 스택의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였는바, 이를 첨부한 도 2 내지 도 11을 참조하여 우선 설명하기로 한다.The present inventors experimentally examine the effects of stack operating temperature and voltage, relative humidity (relative humidity of reaction gas supplied to the stack), and partial pressure of gas (oxygen partial pressure in the air supplied to the stack) as the deterioration factors of the electrolyte membrane. As it was confirmed, with reference to the accompanying Figures 2 to 11 will be described first.

스택의 온도Stack temperature

고분자 전해질 연료전지 스택의 80℃에서 I-V 성능(도 2에서 'Initial') 측정 후 가속 운전에 의해 전해질막을 열화시키기 위해 애노드는 무가습, 캐소드는 65% 상대습도로 가스를 공급하고, 70, 80, 90℃ 각 온도에서 OCV 상태로 144시간 운전을 하였는바, 그 후 MEA의 성능을 측정해 도 2에 나타내었다. 고분자 전해질막의 열화 정도는 LSV(Linear Sweep Voltametry) 방법을 이용한 수소투과도 측정과 캐소드 응축수의 FER(불소유출속도)을 측정해 확인하였다. 온도가 상승함에 따라 성능이 감소했고, FER도 도 3에 나타낸 바와 같이 증가하였으며, 수소투과도도 도 4에 나타낸 바와 같이 온도 상승에 따라 증가함을 보였다. 이와 같이 온도 상승에 따라 막 열화속도가 증가하였으며, 막 열화속도를 FER로 확인할 수 있음을 알 수 있다. 촉매 열화에 의한 MEA 성능 감소 영향을 알아보기 위해 측정한 도 5의 CV(Cyclic Voltametry) 결과에서 촉매의 유효 표면적이 가속 실험 후에도 거의 변화가 없어, 도 2의 MEA 성능 감소는 고분자 전해질막의 열화에 의한 것임을 알 수 있다.In order to deteriorate the electrolyte membrane by accelerated operation after measuring IV performance ('Initial' in FIG. 2) at 80 ° C. of the polymer electrolyte fuel cell stack, the anode is not humidified and the cathode is gas supplied at 65% relative humidity. , 144 hours of operation at OCV state at 90 ° C., after which the performance of the MEA was measured and shown in FIG. 2. The degree of degradation of the polymer electrolyte membrane was confirmed by measuring hydrogen permeability using LSV (Linear Sweep Voltametry) method and FER (fluorine outflow rate) of cathode condensate. The performance decreased as the temperature increased, the FER also increased as shown in FIG. 3, and the hydrogen permeability also increased as the temperature increased as shown in FIG. 4. As such, as the temperature increases, the film degradation rate increases, and it can be seen that the film degradation rate can be confirmed by FER. In the CV (Cyclic Voltametry) results of FIG. 5 measured to investigate the effect of MEA performance reduction due to catalyst deterioration, the effective surface area of the catalyst hardly changed even after the accelerated experiment, and the decrease in MEA performance of FIG. It can be seen that.

스택의 전압Voltage of stack

연료전지 스택을 전류밀도 10, 40, 80mA/㎠에서 애노드 무가습 조건으로 144시간 정전류 유지 후 I-V 성능을 측정해 평가 전후의 전압차이를 측정하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이 전류밀도가 증가할수록, 즉 전압이 낮을수록 전압 차가 적어 성능 감소가 작았음을 알 수 있다. 도 7은 각 전류밀도에서 144시간대의 FER 값을 비교한 것이다. 전류밀도가 높을수록 FER이 작은 것을 보여 도 6의 성능 저하와 비슷한 경향을 보였다. 도 6과 같이 MEA의 성능 저하는 고분자 전해질막의 열화에 의한 영향이 큼을 알 수 있는데, 전류가 낮을수록, 즉 전압이 높을수록 과산화수소와 산소 라디칼 발생이 유리하고, 이 과산화수소와 산소 라디칼에 의해 고분자 전해질막이 열화되어, 그 결과 FER이 높아진 것이다.After the fuel cell stack was maintained at a current density of 10, 40, and 80 mA / cm 2 for 144 hours under constant anode current conditions, I-V performance was measured to measure the voltage difference before and after the evaluation. As shown in FIG. 6, it can be seen that as the current density increases, that is, the lower the voltage, the smaller the voltage difference, the smaller the performance decrease. 7 compares FER values of 144 hours at each current density. As the current density is higher, the FER is smaller, which shows a tendency similar to that of FIG. 6. As shown in FIG. 6, it can be seen that the degradation of the MEA has a large effect due to deterioration of the polymer electrolyte membrane. The lower the current, the higher the voltage, the more advantageous the generation of hydrogen peroxide and oxygen radicals, and the polymer electrolyte by the hydrogen peroxide and oxygen radicals. The film is degraded, resulting in higher FER.

상대습도Relative humidity

연료전지 스택을 운전 온도 90℃, 캐소드 상대습도 65%로 운전하되, 애노드 상대습도를 가변하여 OCV 상태로 144시간 운전하였다. 도 8은 각 전류 값에서 열화 전 MEA 전압과의 차이를 나타낸 것으로, 애노드의 상대습도가 감소할수록 전압 차이가 커지는 것으로부터 MEA 열화가 많이 진행됨을 알 수 있다. 고분자 전해질막의 수소투과도를 측정한 결과 도 9에 나타낸 바와 같이 상대습도가 감소할수록 수소투과도가 증가하므로, 상대습도가 낮을수록 막 열화가 잘 되고 그 결과 MEA 성 능감소가 나타남을 알 수 있다.The fuel cell stack was operated at an operating temperature of 90 ° C. and a cathode relative humidity of 65%, but operated for 144 hours in an OCV state with varying anode relative humidity. 8 shows the difference from the MEA voltage before deterioration at each current value. As the relative humidity of the anode decreases, it can be seen that the MEA deterioration proceeds more because the voltage difference increases. As a result of measuring the hydrogen permeability of the polymer electrolyte membrane, as shown in FIG. 9, the hydrogen permeability increases as the relative humidity decreases. As a result, the lower the relative humidity, the better the membrane degradation, and as a result, the MEA performance decreases.

산소분압Oxygen partial pressure

연료전지 스택을 운전 온도 90℃, 상대습도 애노드 0%, 캐소드 65% 조건으로 운전하되, 캐소드측에 산소와 공기를 공급하여 OCV 상태로 144시간 각각 운전하였다. 도 10은 I-V 성능 곡선으로, 캐소드측에 산소 사용시 공기 사용의 경우보다 성능 감소가 급격함을 알 수 있다. 이것은 공기보다 순수 산소는 산소분압이 약 5배 증가해 산소의 막 투과도 증가로 과산화 수소 및 산소 라디칼 형성이 상대적으로 많아 막 열화가 심해진 결과이다. 도 11은 불소이온 유출속도를 비교한 것으로, 산소 사용시 불소이온 유출이 심하므로 I-V 성능 곡선에서 나타난 성능 감소가 막 열화에 의한 것임을 알 수 있다.The fuel cell stack was operated at an operating temperature of 90 ° C., a relative humidity anode of 0%, and a cathode of 65%, but oxygen and air were supplied to the cathode for 144 hours in an OCV state. Figure 10 is an I-V performance curve, it can be seen that the performance decreases more rapidly than the case of using air when using oxygen on the cathode side. This is a result of the deterioration of membrane due to the increase of oxygen permeability and the formation of hydrogen peroxide and oxygen radicals due to the increase of oxygen permeability. Figure 11 is a comparison of the fluorine ion outflow rate, since the fluorine ion outflow is severe when using oxygen it can be seen that the performance degradation shown in the I-V performance curve is due to membrane degradation.

첨부한 도 12는 애노드 응축수의 불소이온농도(ppm)와 pH를 여러 실험 조건에서 실험해 획득한 데이터이다. 응축수의 불소이온농도와 pH는 비례 관계에 있음을 알 수 있는데, 전해질막이 열화되어 불소 음이온(F-)이 유출되면 이 음이온에 상응하는 수소 양이온이 따르게 되고, 그 결과 불소이온이 많아지면 수소이온이 많아지므로 불소이온농도와 pH 값에는 상기 식(10)과 같은 밀접한 상관 관계가 성립한다. 불소이온농도와 pH가 식(10)과 같이 상관 관계가 있기 때문에 전해질막 열화속도[불소유출속도(FER)] 측정시 불소이온농도 측정보다는 조작이 간단하고 널리 사용되는 pH 측정기를 이용하는 것이 가능하다.12 is data obtained by experimenting the concentration of fluorine ion (ppm) and pH of the anode condensate under various experimental conditions. It can be seen that the concentration of fluorine ions and the pH of the condensed water are proportional to each other. When the electrolyte membrane deteriorates and the fluorine anion (F ) flows out, the hydrogen cation corresponding to the anion is followed. Because of this increase, a close correlation is established between the fluorine ion concentration and the pH value as in the above formula (10). Since fluorine ion concentration and pH are correlated as in Eq. (10), it is possible to use a pH meter that is simpler to operate and more widely used than fluorine ion concentration when measuring electrolyte membrane degradation rate (fluorine outflow rate (FER)). .

캐소드 응축수의 경우에도 애노드 응축수와 마찬가지로 응축수의 불소이온농 도와 pH가 비례 관계를 가지는데, 캐소드 응축수에 대해서 불소이온농도와 pH를 여러 실험 조건에서 측정해 나타내면 식(10)과 같은 형태의 1차 관계식을 유도할 수 있다.In the case of the cathode condensate, like the anode condensate, the fluorine ion concentration and the pH of the condensate are proportional to each other. The fluorine ion concentration and the pH of the cathode condensate are measured under various experimental conditions. You can derive a relationship.

한편, 첨부한 도 13은 본 발명에 따른 전해질막 열화 판정 및 전해질막 열화 방지를 위한 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 제어기(140)가 애노드와 캐소드의 출구단에 설치된 각 응축기(120,130)에서 불소이온농도 측정기(162,167)/pH 측정기(161,166)와 유속측정수단을 통해 측정되는 스택 유출수의 불소이온농도/pH와 유속을 일정 샘플링 간격으로 취득해 메모리에 축적한다(S101). 불소이온농도와 pH는 양쪽 응축기의 것 모두 또는 한쪽만 취득해 이용할 수 있다. 그리고, 불소이온농도와 pH도 식(10)과 같이 서로 상관 관계가 있으므로 이들 중 하나만 취득해 이용할 수 있다. 이들 취득 값들을 이용해 FER(불소유출속도)를 식(9)에 의해 산출한다(S103). 이때 계산된 FER 값을 설정된 FER 값(F1)과 비교해 전해질막의 열화 수준을 확인하는데(S105), 여기서 FER < F1이면 열화 판정 및 경보를 발생시키지 않고 막 열화 방지를 위한 조치를 취할 필요가 없다. 그렇지 않을 때는 막 열화가 일정수준 이상인 비정상 상태로 판단하여 경보수단을 통해 경보를 발생하고(S107), 각 센서수단을 통해 전압(V), 온도(T), 상대습도(RH), 가스분압(산소분압)(PO2)을 일정 간격으로 측정하여 이들을 메모리에 축적한다(S109). 이어 전압, 온도, 상대습도, 가스분압 값들을 각각 설정된 값 V1, T1, RH1, PO21과 비교해 막 열화를 심화시킨 요인을 판단한다(S111). 여기서, V < V1, T < T1, RH > RH1, PO2 < PO21의 네 조건을 모두 만족하면 종료하고, 이들 중 어느 하나라도 막 안정 조건을 만족하지 못하는 변수가 있으면, 즉 상기 네 조건 중 어느 한 조건이 만족하지 못하면, 해당 변수에 대해서 막 안정 조건을 만족하도록 차량 및 스택의 운전 조건을 제어해 막 열화속도를 감소시킨다(S113). Meanwhile, FIG. 13 is a flowchart illustrating a control method for determining electrolyte membrane deterioration and preventing electrolyte membrane deterioration according to the present invention. The controller 140 has the fluorine ion concentration / pH and flow rate of the stack effluent measured by the fluorine ion concentration measuring instrument 162,167 / pH measuring instrument 161,166 and the flow rate measuring means in each condenser 120,130 installed at the outlet end of the anode and the cathode. Are obtained at predetermined sampling intervals and stored in the memory (S101). The fluorine ion concentration and pH can be obtained by using both or only one of both condensers. Since the fluorine ion concentration and the pH also correlate with each other as in the formula (10), only one of them can be obtained and used. Using these acquired values, FER (fluorine outflow rate) is calculated by equation (9) (S103). At this time, the calculated FER value is compared with the set FER value (F1) to check the degradation level of the electrolyte membrane (S105), where FER <F1, there is no need to take measures to prevent membrane degradation without generating degradation determination and alarm. If not, the membrane deterioration is determined to be an abnormal state over a certain level to generate an alarm through the alarm means (S107), and through each sensor means voltage (V), temperature (T), relative humidity (RH), gas partial pressure ( Oxygen partial pressure) (P O2 ) is measured at regular intervals and accumulated in the memory (S109). Subsequently, voltage, temperature, relative humidity, and gas partial pressure values are compared with the set values V1, T1, RH1, and P O2 1, respectively, to determine a factor that deepens the film degradation (S111). Here, if all four conditions of V <V1, T <T1, RH> RH1, P O2 <P O2 1 are satisfied, the procedure is terminated, and if any of these variables do not satisfy the film stability conditions, that is, the four conditions If any one of the conditions is not satisfied, the driving conditions of the vehicle and the stack are controlled to satisfy the membrane stability condition with respect to the variable, thereby reducing the membrane degradation rate (S113).

이와 같이 본 발명에서는 불소유출속도로부터 전해질막의 열화 수준이 일정수준 이상임을 판단하게 되면, 열화 판정 및 경보와 동시에 열화 가속 인자가 되는 스택의 전압, 온도, 상대습도, 가스분압의 상태를 확인하여 막 안정 조건으로 유지하기 위한 제어를 수행하는데, 확인된 열화 가속화 인자가 막 안정화를 위한 설정 범위 이내로 제어될 수 있도록 인자별 미리 설정된 제어 과정에 의해 차량 및 스택의 운전 조건을 제어하게 된다. 이를 통해 열화가 판정 및 경보된 상황에서 열화 방지를 위한 신속한 대응이 가능해진다.Thus, in the present invention, when it is determined that the degradation level of the electrolyte membrane is above a certain level from the fluorine discharge rate, the membrane is checked by checking the state of the voltage, temperature, relative humidity, and gas partial pressure of the stack, which is a deterioration accelerating factor and a deterioration determination and alarm. The control is performed to maintain the stable condition. The driving conditions of the vehicle and the stack are controlled by a predetermined control process for each factor so that the identified deterioration acceleration factor can be controlled within a setting range for film stabilization. This enables a quick response to prevent degradation in situations where degradation is determined and alerted.

한편, 첨부한 도 14는 열화 판정 장치의 다른 실시예를 도시한 구성도로서, 스택(110)의 애노드 출구단에 별도의 응축기를 설치하지 않는 대신 기존의 애노드측 워터트랩(102)를 이용하는 실시예를 도시한 것이다. Meanwhile, FIG. 14 is a block diagram showing another embodiment of the deterioration determination device, and does not install a separate condenser at the anode outlet of the stack 110, but uses an existing anode side water trap 102. An example is shown.

도 1에 도시된 바와 같이, 애노드측에 별도의 응축기(120)를 설치하여 애노드 유출수에 대한 불소이온농도 및 pH 측정이 가능하나, 이 경우 별도 응축기 시스템(라디에이터 등 포함)의 설치를 위해 차량에서의 별도 공간 확보가 필요하고, 비용이 추가로 소요된다. As shown in Figure 1, by installing a separate condenser 120 on the anode side is possible to measure the fluorine ion concentration and pH for the anode effluent, in this case, in the vehicle for the installation of a separate condenser system (including radiators, etc.) This requires extra space and costs extra.

상기 워터트랩(102)은 통상의 연료전지 시스템에 이미 설치되어 사용되고 있 는 것으로서, 도 1의 응축기와 마찬가지로 스택 유출수(애노드 유출수)가 저장되며, 스택(110)의 애노드에서 나온 미반응 수소, 질소, 수증기를 포함한 혼합가스에 함유된 물이 분리되어 모이게 된다. 워터트랩에서 액적이 제거된 혼합가스는 수소 재순환 라인으로 이동하여 수소탱크에서 공급되는 수소와 섞인 뒤 스택에 재투입된다. The water trap 102 is already installed and used in a conventional fuel cell system, and stack effluent (anode effluent) is stored like the condenser of FIG. 1, and unreacted hydrogen and nitrogen from the anode of the stack 110 are stored. In this case, the water contained in the mixed gas including water vapor is separated and collected. The mixed gas from which the droplets are removed from the water trap is transferred to a hydrogen recycle line, mixed with hydrogen supplied from the hydrogen tank, and then re-injected into the stack.

상기 워터트랩(102)에는 불소이온농도 측정기(172) 및 pH 측정기(171) 중 어느 하나 또는 둘의 설치가 가능하고, 물이 일정량 저장되면 워터트랩 바닥쪽의 전자식 개폐밸브(배출밸브,도시하지 않음)가 열리면서 물의 방출이 이루어진다. 또한 상부 수위센서와 하부 수위센서가 기본적으로 구비되어 있기 때문에 물이 일정 용량 채워짐을 감지할 수 있는바, 제어기가 물 방출 완료 후 스택 운전 동안 워터트랩 내에 일정 용량의 물이 채워지는 시간과 불소이온농도 측정기 또는 pH 측정기의 측정값을 이용해 불소유출속도의 산출이 가능해진다[식(9) 및 식(10) 참조]The water trap 102 may be installed with any one or two of the fluorine ion concentration meter 172 and the pH meter 171, and if a certain amount of water is stored, an electronic valve (discharge valve, not shown) at the bottom of the water trap Is released) and release of water takes place. In addition, since the upper water level sensor and the lower water level sensor are basically provided, it is possible to detect that the water is filled with a certain amount of time. The fluorine release rate can be calculated using the measured value of the concentration or pH meter (see equations (9) and (10)).

이와 같이 별도 응축기를 설치하지 않고 기존의 워터트랩을 이용하게 되면 도 1의 구성에 비해 차량 내 공간활용도를 극대화할 수 있고, 설치비용의 최소화가 가능해진다.Thus, using the existing water trap without installing a separate condenser can maximize the space utilization in the vehicle compared to the configuration of Figure 1, it is possible to minimize the installation cost.

또한 도 14에 도시된 바와 같이, 스택(110)의 캐소드 출구단에 설치된 응축기(130)는 가습기(107)와 연결할 수 있는데, 응축기(130)에 모아지는 물을 가습기(107)로 보내어 공기블로워(106)를 통해 공급되는 공기를 가습하는데 사용할 수 있게 된다. In addition, as shown in FIG. 14, the condenser 130 installed at the cathode outlet of the stack 110 may be connected to the humidifier 107. The water collected in the condenser 130 may be sent to the humidifier 107 to blow an air blower. It can be used to humidify the air supplied through 106.

또한 도 14를 참조하면, 스택(110)의 캐소드에서 공급된 공기 및 스택 유출 수가 배출되는 가습기 출구측에 pH 측정기(113)와 유속계(174)를 설치하여 이들의 실시간 측정값으로부터 불소유출속도를 획득하도록 하는 것도 가능하다. Referring to FIG. 14, a pH meter 113 and a flow meter 174 are installed at the outlet side of the humidifier from which the air supplied from the cathode of the stack 110 and the stack effluent are discharged, and the fluorine discharge rate is measured from these real-time measured values. It is also possible to acquire.

물론, 상기와 같이 기존의 워터트랩에 모아진 스택 유출수로부터 불소유출속도를 얻는 경우 또는 가습기 출구측의 스택 유출수로부터 불소유출속도를 얻는 경우라면, 스택의 캐소드 출구단에 설치된 응축기의 삭제도 가능하다. Of course, if the fluorine outflow rate is obtained from the stack effluent collected in the existing water trap as described above, or the fluorine outflow rate from the stack effluent from the humidifier outlet side, it is also possible to delete the condenser installed at the cathode outlet end of the stack.

이와 같이 열화 판정 기준이 되는 불소유출속도를 산출하기 위해 스택 유출수(캐소드 유출수/애노드 유출수)에 대한 불소이온농도 또는 pH를 측정하는 위치는 별도 설치되는 애노드 출구단 응축기, 캐소드 출구단 응축기, 그리고 기존의 워터트랩, 가습기 등 다양한 위치로 할 수 있으며, 이들 위치 중 선택된 일부 또는 모두를 측정 위치로 정할 수 있다. In order to calculate the fluorine outflow rate, which is a criterion for deterioration, the fluorine ion concentration or pH for the stack effluent (cathode effluent / anode effluent) is measured at the anode outlet stage condenser, the cathode outlet stage condenser, and the existing Water traps, humidifiers, etc. can be in various positions, and selected or all of these positions can be determined as the measurement position.

도시한 예와 같이 전체 판정 장치에 복수개의 불소이온농도 측정기와 pH 측정기가 설치되는 경우라면, 이들의 측정값으로부터 산출된 불소유출속도(FER) 데이터들 중 어느 하나라도 정상 범위를 벗어날 경우 제어기는 전해질막의 열화를 판정하여 경보수단을 통해 경보하고 열화 발생 인자를 제어한다. 전해질막의 상태를 확인한 후 열화 발생 원인이 되는 열화 인자를 찾아 열화 방지를 위한 제어 과정을 수행하는 것에 대해서는 앞에서 설명한 바와 같다. If a plurality of fluorine ion concentration meter and pH meter are installed in the entire determination device as shown in the illustrated example, if any of the fluorine outflow rate (FER) data calculated from these measured values is out of the normal range, the controller Degradation of the electrolyte membrane is determined to alarm through the alarm means and to control the deterioration generation factor. After checking the state of the electrolyte membrane, the deterioration factor that causes the deterioration is found and a control process for preventing deterioration is performed as described above.

첨부한 도 15는 열화 판정 장치의 또 다른 실시예를 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 스택(110)의 캐소드 출구단에 별도 응축기를 설치하지 않는 대신 기존 가습기(107) 출구측에 pH 측정기(173)와 유속계(174)만을 설치하는 구성이 가능하다. 15 is a block diagram showing another embodiment of the deterioration determination device. As shown in FIG. 15, the condenser is not separately installed at the cathode outlet end of the stack 110, but at the outlet side of the existing humidifier 107. It is possible to configure only the measuring device 173 and the flow meter 174.

가습기 출구측의 pH 측정기와 유속계는 스택의 캐소드 유출수에 대한 pH 값과 유출 유속을 측정하기 위한 것으로, 도 1의 구성에 비해 캐소드 출구단의 응축기를 삭제할 수 있기 때문에 차량 내 공간활용도의 극대화 및 설치비용의 최소화를 가능하게 한다. 또한 불소이온농도 측정기가 상대적으로 고가이므로 pH 측정기를 이용하는 경우 설치비용을 좀더 줄일 수 있게 된다.The pH meter and flow meter at the outlet side of the humidifier are used to measure the pH value and the outflow velocity of the cathode effluent in the stack, and the condenser at the cathode outlet can be removed compared to the configuration of FIG. 1 to maximize and install the space utilization in the vehicle. Minimize costs. In addition, since the fluorine ion concentration meter is relatively expensive, the installation cost can be further reduced when using a pH meter.

아울러, 첨부한 도 16 ~ 도 18은 그 밖의 다른 실시예를 도시한 구성도로서, 도 16에는 스택(110)의 캐소드 유출수에 대한 유속 데이터 측정이 가능한 캐소드측(공기측) 워터트랩(102a)을 이용하되, 이 워터트랩(102a)에 불소이온농도 측정기(172a) 또는 pH 측정기(171a)(또는 두 측정기 모두)를 설치하고, 또한 상기 워터트랩(102a)에 수집된 물을 이용하여 공기의 가습량을 제어할 수 있도록 스택 공기공급라인으로 연결된 가습수 공급라인 및 이 가습수 공급라인의 가습수 펌프(132)를 설치한 구성이 도시되어 있다. 16 to 18 are diagrams illustrating other embodiments, and FIG. 16 shows a cathode side (air side) water trap 102a capable of measuring flow rate data of the cathode effluent of the stack 110. In this water trap 102a, a fluorine ion concentration meter 172a or a pH meter 171a (or both meters) is installed, and water is collected using the water trap 102a. A humidification water supply line connected to the stack air supply line and a humidification water pump 132 of the humidification water supply line are installed to control the amount of humidification.

또한 도 17 및 도 18에는 캐소드측 워터트랩(102a) 및 응축기(130)와 별도로 가습기(107) 후단에 캐소드 유출수에 대한 유속 데이터 측정이 소형의 워터트랩(102b)(상부 수위센서 및 하부 수위센서, 배출밸브를 구비함)을 추가하고, 이 워터트랩(102c)에 불소이온농도 측정기 및 pH 측정기(171c) 중 어느 하나 또는 둘을 설치하여, 워터트랩(102c)에 모아진 캐소드 유출수에 대한 불소유출속도를 산출할 수 있도록 한 구성이 도시되어 있다.17 and 18, the flow rate data for the cathode effluent is measured at the rear of the humidifier 107 separately from the cathode-side water trap 102a and the condenser 130. The water trap 102b (upper water level sensor and lower water level sensor) And a discharge valve) and one or two of the fluorine ion concentration meter and the pH meter 171c are installed in the water trap 102c to discharge the fluorine to the cathode effluent collected in the water trap 102c. One configuration is shown that allows the speed to be calculated.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 연료전지 운전 중에 스택에서 배출되는 유출수(캐소드/애노드 유출수)에 대해 불소이온농도 또는 pH를 실시간으로 측정하여 불 소유출속도를 산출한 뒤 불소유출속도가 정상 범위를 벗어나는 경우 전해질막의 열화를 판정할 수 있게 된다.As such, in the present invention, the fluorine ion concentration or pH is measured in real time with respect to the effluent discharged from the stack (cathode / anode effluent) during fuel cell operation to calculate the fire propagation rate, and then the fluorine discharge rate is outside the normal range. In this case, degradation of the electrolyte membrane can be determined.

도 1은 본 발명에 따른 전해질막 열화 판정 및 경보 장치의 구성을 도시한 개략도,1 is a schematic diagram showing the configuration of an electrolyte membrane deterioration determination and alarm device according to the present invention;

도 2는 스택 운전 온도별 I-V 성능을 나타낸 도면,2 is a view showing I-V performance according to stack operation temperature;

도 3은 스택 운전 온도별 불소이온 용출속도를 나타낸 도면,3 is a view showing a fluorine ion dissolution rate for each stack operation temperature;

도 4는 스택 운전 온도별 수소투과도를 나타낸 도면,4 is a diagram illustrating hydrogen permeability according to stack operation temperature;

도 5는 스택 운전 온도별 CV(Cyclic Voltametry) 측정 결과도,5 is a CV (Cyclic Voltametry) measurement results for each stack operating temperature,

도 6은 전류밀도별 스택 성능 감소율을 나타낸 도면,6 is a diagram showing a stack performance reduction rate for each current density;

도 7은 전류밀도별 총 불소이온 용출속도를 나타낸 도면,7 is a view showing the total fluorine ion dissolution rate by current density,

도 8은 애노드 상대습도별 스택 성능 감소율을 나타낸 도면,8 is a view showing a stack performance reduction rate according to anode relative humidity;

도 9는 애노드 상대습도별 수소투과도를 나타낸 도면,9 is a view showing the hydrogen permeability according to the relative relative humidity of the anode,

도 10은 캐소드측 사용 가스 종류에 따른 내구 평가 후 I-V 성능을 나타낸 도면,10 is a view showing the I-V performance after the durability evaluation according to the type of gas used on the cathode,

도 11은 캐소드측 사용 가스 종류에 따른 내구 시간별 불소이온 용출속도를 나타낸 도면,11 is a view showing the fluorine ion dissolution rate for each endurance time according to the type of gas used on the cathode side,

도 12는 불소이온농도와 pH의 비례 관계를 보여주는 도면, 12 is a view showing a proportional relationship between fluorine ion concentration and pH,

도 13은 본 발명에 따른 전해질막 열화 경보 및 전해질막 열화 방지를 위한 제어 방법을 나타내는 순서도,13 is a flowchart illustrating a control method for preventing electrolyte membrane degradation and preventing electrolyte membrane degradation according to the present invention;

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열화 판정 장치 및 이를 적용한 연료전지 시스템의 구성도, 14 is a configuration diagram of a deterioration determination device and a fuel cell system employing the same according to another embodiment of the present invention;

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열화 판정 장치 및 이를 적용한 연료전지 시스템의 구성도, 15 is a configuration diagram of a deterioration determination device and a fuel cell system employing the same according to another embodiment of the present invention;

도 16 ~ 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열화 판정 장치 및 이를 적용한 연료전지 시스템의 구성도. 16 to 18 are structural diagrams of a deterioration determination apparatus and a fuel cell system to which the deterioration determination apparatus according to another embodiment of the present invention is applied.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

110 : 스택 120, 130 : 응축기110: stack 120, 130: condenser

161, 166 : pH 측정기 162, 167 : 불소이온농도 측정기161, 166: pH meter 162, 167: fluorine ion concentration meter

140 : 제어기 150 : 경보수단140: controller 150: alarm means

Claims (10)

연료전지 차량에서 운전 중인 연료전지 스택으로부터 나오는 스택 유출수에 대해 실시간으로 불소이온농도를 검출하기 위한 불소이온농도 측정기와 pH를 검출하기 위한 pH 측정기 중 1종 또는 2종의 측정기와;A fluorine ion concentration meter for detecting fluorine ion concentration in real time with respect to the stack effluent flowing out of the fuel cell stack operating in the fuel cell vehicle and a pH meter for detecting pH; 상기 스택 유출수의 유속을 측정하기 위한 유속측정수단과;Flow rate measuring means for measuring a flow rate of the stack effluent; 측정된 상기 불소이온농도 또는 pH 값과 스택 유출수의 유속 데이터를 토대로 불소유출속도를 산출하여 스택의 전해질막 상태를 확인하되, 상기 불소유출속도가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정하는 제어기;The fluorine outflow rate is calculated based on the measured fluorine ion concentration or pH value and the flow rate data of the stack effluent to check the electrolyte membrane state of the stack. However, if the fluorine outflow rate is outside the preset normal range, there is a possibility of degradation of the electrolyte membrane. A controller that determines to be; 를 포함하는 연료전지 열화 판정 장치.Fuel cell deterioration determination apparatus comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 측정기는 스택의 애노드 출구단과 캐소드 출구단 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 구비된 각 응축기에 설치되어 상기 응축기에 수집되는 스택 유출수에 대한 불소이온농도 또는 pH를 측정하는 측정기이고,The measuring device is a measuring device for measuring the fluorine ion concentration or pH for the stack effluent collected in the condenser provided on either or both of the anode outlet and the cathode outlet of the stack, collected on the condenser, 상기 유속측정수단은 상기 응축기의 물 배출구측에 설치되는 유속계인 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 장치. And the flow rate measuring means is a flow rate meter installed at the water outlet side of the condenser. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 측정기는 스택의 애노드 출구단과 캐소드 출구단 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 구비된 각 응축기에 설치되어 상기 응축기에 수집되는 스택 유출수에 대한 불소이온농도 또는 pH를 측정하는 측정기이고,The measuring device is a measuring device for measuring the fluorine ion concentration or pH for the stack effluent collected in the condenser provided on either or both of the anode outlet and the cathode outlet of the stack, collected on the condenser, 상기 유속측정수단은 상기 응축기 내에 설치된 상부 수위센서 및 하부 수위센서, 상기 응축기의 물 배출구측에 설치된 전자식 개폐밸브를 포함하며,The flow rate measuring means includes an upper water level sensor and a lower water level sensor installed in the condenser, an electronic on / off valve installed at the water outlet side of the condenser, 상기 제어기가 상기 응축기에서 상기 하부 수위센서와 상부 수위센서 간 용적 및 이에 물이 채워지는 시간으로부터 스택 유출수의 유속 데이터를 얻게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 장치. And the controller obtains the flow rate data of the stack effluent from the volume between the lower level sensor and the upper level sensor in the condenser and the time at which the water is filled. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 측정기는 스택의 애노드측 워터트랩과 캐소드측 워터트랩 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 설치되어 워터트랩에 수집되는 스택 유출수에 대한 불소이온농도 또는 pH를 측정하는 측정기이고,The measuring device is a measuring device for measuring the fluorine ion concentration or pH for the stack effluent collected in the water trap is installed on either or both of the anode-side water trap and the cathode-side water trap of the stack, 상기 유속측정수단은 워터트랩 내에 설치된 상부 수위센서 및 하부 수위센서, 워터트랩의 물 배출구측에 설치된 전자식 개폐밸브를 포함하며,The flow rate measuring means includes an upper water level sensor and a lower water level sensor installed in the water trap, an electronic on-off valve installed on the water outlet side of the water trap, 상기 제어기가 상기 워터트랩에서 상기 하부 수위센서와 상부 수위센서 간 용적 및 이에 물이 채워지는 시간으로부터 스택 유출수의 유속 데이터를 얻게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 장치. And the controller obtains flow rate data of the stack effluent from the volume between the lower level sensor and the upper level sensor in the water trap and the time at which the water is filled. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 pH 측정기가 스택의 캐소드에서 공급된 공기 및 스택 유출수가 배출되는 가습기 출구측에 설치되고, 상기 유속측정수단이 가습기 출구측에 설치되는 유속계인 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 장치.And the pH meter is installed at a humidifier outlet side through which the air supplied from the cathode of the stack and the stack effluent are discharged, and the flow rate measuring means is a flowmeter installed at the outlet side of the humidifier. (a) 연료전지 차량에서 불소이온농도 측정기와 pH 측정기 중 1종 또는 2종의 측정기를 이용해 연료전지 스택으로부터 나오는 스택 유출수에 대해 실시간으로 불소이온농도 및 pH 값을 측정하고, 유속검출수단을 이용해 상기 스택 유출수의 유속을 측정하는 단계와;(a) Measuring the fluorine ion concentration and pH value in real time on the stack effluent from the fuel cell stack using one or two of the fluorine ion concentration meter and the pH meter in the fuel cell vehicle, and using the flow rate detection means. Measuring a flow rate of the stack effluent; (b) 제어기가 측정된 상기 불소이온농도 또는 pH 값과 상기 스택 유출수의 유속 데이터를 토대로 불소유출속도를 산출하여 스택의 전해질막 상태를 확인하되, 상기 불소유출속도가 미리 설정된 정상 범위를 벗어나면 전해질막의 열화 가능성이 있는 것으로 판정하는 단계;(b) The controller calculates the fluorine outflow rate based on the measured fluorine ion concentration or pH value and the flow rate data of the stack effluent to check the electrolyte membrane state of the stack, but if the fluorine outflow rate is outside the preset normal range. Determining that there is a possibility of deterioration of the electrolyte membrane; 를 포함하여 구성되는 연료전지 열화 판정 방법.A fuel cell deterioration determination method comprising a. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 불소이온농도 및 pH 값은 스택의 애노드 출구단과 캐소드 출구단 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 설치된 각 응축기에서 이에 수집되는 스택 유출수에 대해 측정되고,The fluorine ion concentration and pH value are measured for the stack effluent collected in each condenser installed at either or both of the anode outlet and cathode outlet of the stack, 상기 스택 유출수의 유속은 상기 응축기에서 배출되는 물의 유속으로 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 방법.The flow rate of the stack effluent is measured by the flow rate of the water discharged from the condenser. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 불소이온농도 및 pH 값은 스택의 애노드 출구단과 캐소드 출구단 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 설치된 각 응축기에서 이에 수집되는 스택 유출수에 대해 측정되고,The fluorine ion concentration and pH value are measured for the stack effluent collected in each condenser installed at either or both of the anode outlet and cathode outlet of the stack, 상기 스택 유출수의 유속은 상기 응축기의 하부 수위센서와 상부 수위센서 간 용적 및 이에 물이 채워지는 시간으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 방법.And the flow rate of the stack effluent is measured from the volume between the lower water level sensor and the upper water level sensor of the condenser and the time at which the water is filled. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 불소이온농도 및 pH 값은 애노드측 워터트랩과 캐소드측 워터트랩 중 어느 한쪽 또는 양쪽에서 이에 수집되는 스택 유출수에 대해 측정되고,The fluorine ion concentration and pH value are measured with respect to the stack effluent collected on either or both of the anode side water trap and the cathode side water trap, 상기 스택 유출수의 유속은 상기 워터트랩의 하부 수위센서와 상부 수위센서 간 용적 및 이에 물이 채워지는 시간으로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 방법.The flow rate of the stack effluent is measured from the volume between the lower water level sensor and the upper water level sensor of the water trap and the time the water is filled. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 pH 값과 스택 유출수의 유속이 스택의 캐소드에서 공급된 공기 및 스택 유출수가 배출되는 가습기 출구측에서 측정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 열화 판정 방법.And the pH value and the flow rate of the stack effluent are measured at the outlet side of the humidifier from which air supplied from the cathode of the stack and the stack effluent are discharged.
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