KR101105364B1 - Sensor and method for sensing fuel concentration, method and system apparatus for fuel recirculation of fuel cell using the same, fuel cell usage apparatus using the same - Google Patents

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Abstract

전해질 막, 상기 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극 및 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극을 포함하는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택과, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기를 포함하고, 상기 기준 전극은 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질이 흐르고, 상기 측정 전극에는 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질이 흐르며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 수치는 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 개회로 전압형 연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용한 연료전지 이용 장치가 제공된다.Opening of a unit cell or a stack of the unit cells including an electrolyte membrane, a reference electrode present on one side of the electrolyte membrane, and a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane, and a stack of the unit cells or the stack of the unit cells stacked A reference circuit having a set fuel concentration, a reference material having a set fuel concentration flows, a measurement target material for measuring a fuel concentration flows, and the unit cell or the unit cell The open-circuit voltage value of the stacked stack is provided with an open-circuit voltage type fuel concentration sensor and a sensing method which vary according to the fuel concentration in the measurement target material, a fuel recycling system device and method using the same, and a fuel cell using device.

Description

연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료전지의 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용한 연료전지 이용 장치{Sensor and method for sensing fuel concentration, method and system apparatus for fuel recirculation of fuel cell using the same, fuel cell usage apparatus using the same}Sensor and method for sensing fuel concentration, method and system apparatus for fuel recirculation of fuel cell using the same, fuel cell usage apparatus using the same}

본 명세서는 연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료전지의 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용하는 연료전지 이용 장치에 관하여 기술한다. 상세하게는, 개회로 전압형 연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료전지의 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용한 연료전지 이용 장치에 관하여 기술한다. 상기 센서는 연료전지의 연료 재순환 시스템 예컨대 자동차에 사용되는 연료전지의 연료 재순환 시스템에 유용하게 적용될 수 있다. The present specification describes a fuel concentration sensor and a sensing method, an apparatus and method for recirculating a fuel cell using the same, and a fuel cell using the same. Specifically, an open circuit voltage type fuel concentration sensor and a sensing method, a fuel recycling system apparatus and method of the fuel cell using the same, and a fuel cell using the same will be described. The sensor may be usefully applied to a fuel recycling system of a fuel cell, such as a fuel recycling system of a fuel cell used in an automobile.

연료전지는 애노드의 연료 산화와 캐소드의 산소 환원 반응을 이용하여 전기를 생산하는 장치이다.A fuel cell is a device that generates electricity by using fuel oxidation of an anode and oxygen reduction reaction of a cathode.

예를 들어 고분자전해질연료전지는 애노드에서 연료의 전기화학적 산화반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원반응이 일어나도록 설계되어 있다. 이때 연료는 일반적으로 전류 생산에 필요한 연료량의 이상을 주입하여 발전 반응이 원활하게 일어나도록 한다. For example, the polymer electrolyte fuel cell is designed to cause electrochemical oxidation of fuel at the anode and reduction of oxygen at the cathode. In this case, the fuel is generally injected more than the amount of fuel required for current production so that the power generation reaction occurs smoothly.

이에 따라 애노드에서 미반응 연료가 발생하게 되는데, 이를 직접 방출하게 되면, 연료 이용 효율 저하 및 안전 문제가 발생하게 된다. As a result, an unreacted fuel is generated at the anode. When the fuel is directly discharged, fuel efficiency decreases and safety problems occur.

이를 해결하기 위하여, 특히 연료전지를 동력원으로 적용하는 자동차의 경우 미반응 연료를 다시 재순환시켜 활용하는 연료 재순환 시스템을 이용하여 연료효율 (연비) 및 안전성을 향상시킬 수 있다.In order to solve this problem, in particular, a vehicle using a fuel cell as a power source can improve fuel efficiency (fuel efficiency) and safety by using a fuel recycling system that recycles and utilizes unreacted fuel again.

그런데, 연료 재순환 시스템을 사용하는 경우 전해질막을 통한 기체 투과와 애노드 연료의 희석 문제가 발생할 수 있다. However, when a fuel recycle system is used, gas permeation through the electrolyte membrane and dilution of the anode fuel may occur.

예컨대, 기체 연료를 사용하는 경우를 살펴보면, 연료전지의 전해질막은 애노드의 연료(예컨대 수소, 탄화수소 등)와 캐소드의 공기의 혼합을 막는 분리막의 역할도 함께 수행하지만, 실제 연료전지 시스템에서는 산소와 질소 등이 고분자막을 투과하여 애노드 쪽으로 이동하는 현상이 일어난다. 투과된 산소는 수소와 화학적 반응을 하여 제거되는 반면, 질소 등의 물질은 잔류함에 따라서 애노드에 공급되는 물질 중의 연료 농도(예컨대 수소, 질소 등의 혼합물 중 수소 농도)를 점차 감소시키게 된다. 재순환 시스템에서 연료(예컨대 수소)가 연속적으로 재순환되는 경우 이러한 투과 질소의 효과가 누적되고 그 결과 애노드에 공급되는 물질 중의 연료 농도가 지속적으로 저하된다.For example, in the case of using a gaseous fuel, the electrolyte membrane of the fuel cell also serves as a separator that prevents mixing of the anode fuel (for example, hydrogen, hydrocarbons, etc.) and the air of the cathode, but in the actual fuel cell system oxygen and nitrogen The back light penetrates the polymer membrane and moves toward the anode. The permeated oxygen is removed by chemical reaction with hydrogen, while the residual material such as nitrogen gradually reduces the fuel concentration in the material supplied to the anode (eg hydrogen concentration in the mixture of hydrogen, nitrogen, etc.). When the fuel (eg hydrogen) is continuously recycled in the recycle system, the effect of this permeate nitrogen accumulates and consequently the fuel concentration in the material supplied to the anode is continuously lowered.

이러한 애노드 물질 중 연료 농도의 저하는 연료전지의 성능 저하와 함께 영구적인 성능 저하의 원인으로 작용할 수 있다. 따라서, 연료 재순환 시스템에서 애노드 물질 중의 연료 농도가 일정 수준 이하로 떨어지게 되면 해당 애노드 물질을 외부로 방출하는 퍼징 작업이 필요하게 된다.The decrease in the fuel concentration in the anode material may act as a cause of permanent performance degradation along with the performance degradation of the fuel cell. Therefore, when the fuel concentration in the anode material drops below a certain level in the fuel recirculation system, a purging operation for releasing the anode material to the outside is required.

그런데, 적절한 퍼징을 제어하기 위하여, 애노드 물질 중의 연료 농도 값을 알아야 한다. However, in order to control proper purging, it is necessary to know the fuel concentration value in the anode material.

이를 위하여, 공정용 센서를 공정의 각 과정에서 연료 농도를 제어하기 위해 사용할 수 있는데, 이를 위한 공정용 센서는 대략 전 농도 범위(1~100%)에서 작동하여야 하므로, 농도의 정확성과 재현성이 중요하다. For this purpose, process sensors can be used to control the fuel concentration in each process of the process. Process sensors for this purpose must operate over approximately the entire concentration range (1 to 100%), so concentration accuracy and reproducibility are important. Do.

그러나, 본 발명자들의 연구에 의하면, 공정용 센서는 가격이 높고 특수한 용도로 엔지니어에 의하여 사용되어 그 사용방법이 까다로울 뿐만 아니라, 특히 연료 전지 스택과 함께 시스템을 구성하는 측면에서 어려운 점이 있다.However, according to the researches of the present inventors, the process sensor is expensive and used by the engineer for a special use, which is not only difficult to use, but also has a difficulty in constructing a system with a fuel cell stack.

한편, 기존에 운전상태로부터 애노드 질소 농도를 계산으로 추정하는 방법, 파동 인가형 농도 센서를 사용하는 방법, 연료 전지형 전류 감응 수소 센서를 사용하는 방법 등이 알려져 있다.On the other hand, a method of estimating the anode nitrogen concentration from the operating state by calculation, a method using a wave application type concentration sensor, a method using a fuel cell type current sensitive hydrogen sensor, and the like are known.

이 중 연료전지 형 전류 감응 수소 센서는 연료전지와 동일하게 전기를 생산하며 전류를 측정하는 것이다. Among them, the fuel cell type current sensitive hydrogen sensor produces electricity in the same way as the fuel cell and measures current.

그러나, 본 발명자들의 연구에 의하면, 위와 같은 전류 측정형 센서의 경우 출력 특성이 초기 전해질막 및 촉매층의 특성에 민감하게 의존하며, 장시간 운전과 관련하여 발생하는 전해질막 및 촉매층의 퇴화로 인해 전류 특성이 안정적으로 유지되지 않게 된다.However, according to the researches of the present inventors, in the case of the current-type sensor as described above, the output characteristics are sensitively dependent on the characteristics of the initial electrolyte membrane and the catalyst layer, and the current characteristics due to the deterioration of the electrolyte membrane and the catalyst layer generated in connection with the long time operation. This will not remain stable.

연료전지 자동차 등의 연료전지 시스템의 효율을 높이기 위하여 채택되는 연료 재순환 시스템에서 애노드에 공급되는 애노드 물질 중의 연료 농도를 측정할 수 있는 센서로서, 측정이 간단하고 빠른 응답 특성을 지니고 있으며, 안정적인 작동이 가능하고, 산화 반응에 의한 센서의 퇴화를 방지할 수 있으며, 연료전지 스택과 일체형으로 디자인 가능한 개회로 전압형 연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료전지의 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용한 연료전지 이용 장치를 제공한다.It is a sensor that can measure the concentration of fuel in the anode material supplied to the anode in the fuel recirculation system, which is adopted to improve the efficiency of fuel cell systems such as fuel cell vehicles. Open-circuit voltage type fuel concentration sensor and sensing method capable of preventing deterioration of the sensor due to oxidation reaction and designing integrally with the fuel cell stack, apparatus and method for fuel recycling system of fuel cell using same, and fuel using the same A battery using device is provided.

본 발명의 구현예들에서는, 전해질 막; 상기 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극; 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극;을 포함하는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택과, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기를 포함하고, 상기 기준 전극은 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질이 흐르고, 상기 측정 전극에는 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질이 흐르며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 수치는 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서를 제공한다.In embodiments of the present invention, an electrolyte membrane; A reference electrode on one side of the electrolyte membrane; And an open circuit voltage meter for measuring an open circuit voltage of the unit cell including the unit cell or the stack of the unit cells including the measuring electrode present on the other side of the electrolyte membrane, and the stack of the unit cell or the stack of the unit cells. The reference electrode flows a reference material having a set fuel concentration, a measurement target material flows through the measurement electrode, and an open circuit voltage value of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked is measured. Provided is a fuel concentration sensor characterized in that it changes in accordance with the fuel concentration in the target material.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계; 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질을 제공하는 단계; 및 상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 수치는 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센싱 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention also provide a reference material having a fuel concentration set on a reference electrode present on one side of an electrolyte membrane; Providing a measurement target substance to measure fuel concentration to a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane; And measuring the open circuit voltage of the unit cell including the electrolyte membrane, the reference electrode, and the measurement electrode, or the stack of the unit cells stacked therein, and the open circuit voltage of the unit cell or the stack of the unit cells stacked thereon. The numerical value is changed according to the fuel concentration in the measurement target material, and provides a fuel concentration sensing method.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 연료전지; 상기 연료전지로의 애노드로부터 유출되는 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질을 상기 애노드로 재순환하는 애노드 물질 재순환 유로; 상기 재순환 유로 중에 설치되고 재순환되는 애노드 물질 중의 연료 농도를 측정하는 연료 농도 센서;를 포함하고, 상기 연료 농도 센서는, 전해질 막; 상기 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극; 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극;을 포함하는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택과, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기를 포함하고, 상기 기준 전극에는 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질이 흐르고, 상기 측정 전극에는 연료 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질이 흐르며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 수치는 상기 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 시스템 장치를 제공한다.Embodiments of the invention also include a fuel cell; An anode material recycling flow path for recycling an anode material including an unreacted fuel flowing out of the anode to the fuel cell to the anode; A fuel concentration sensor configured to measure a fuel concentration in the anode material which is installed and recycled in the recirculation flow path, wherein the fuel concentration sensor comprises: an electrolyte membrane; A reference electrode on one side of the electrolyte membrane; And an open circuit voltage meter for measuring an open circuit voltage of the unit cell including the unit cell or the stack of the unit cells including the measuring electrode present on the other side of the electrolyte membrane, and the stack of the unit cell or the stack of the unit cells. A reference material having a set fuel concentration flows through the reference electrode, and a recycling anode material for measuring fuel concentration flows through the measurement electrode, and an open circuit voltage value of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked is the recycle A fuel recirculation system device is provided that varies with fuel concentration in the anode material.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 연료 재순환 시스템 장치를 포함하는 연료전지 이용 장치를 제공한다.Embodiments of the present invention also provide a fuel cell using device comprising the fuel recycling system device.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 연료전지의 애노드로부터 유출되는 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질을 상기 애노드로 재순환하는 단계; 상기 연료 재순환 과정 중 재순환되는 애노드 물질 중의 연료의 농도를 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 재순환되는 애노드 물질 중의 연료의 농도 측정은, 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계; 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 연료 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질을 제공하는 단계; 및 상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 수치는 상기 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 방법을 제공한다. Embodiments of the invention also include recycling an anode material comprising unreacted fuel flowing out of the anode of a fuel cell to the anode; Measuring the concentration of the fuel in the anode material recycled during the fuel recycling process, wherein the measurement of the concentration of the fuel in the recycled anode material, the reference material having a fuel concentration set on the reference electrode present on one side of the electrolyte membrane Providing a; Providing a recycle anode material for measuring fuel concentration to a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane; And measuring the open circuit voltage of the unit cell including the electrolyte membrane, the reference electrode, and the measurement electrode, or the stack of the unit cells stacked therein, wherein the open circuit voltage of the unit cell or the stack of the unit cells is stacked. The numerical value varies with the fuel concentration in the recycle anode material.

본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 연료 농도 센서는 열역학적인 값인 개회로전압을 측정하는 방식이므로 촉매층 및 전해질막의 특성에 의존하지 않아 안정적인 작동이 가능하며, 연료전지 단위 셀(또는 그 단위 셀의 스택)과는 달리 산소, 공기가 공급되지 않으므로 산화반응에 의한 시스템의 퇴화가 일어나지 않는다.The open-circuit voltage type fuel concentration sensor according to the embodiments of the present invention is a method of measuring the open-circuit voltage, which is a thermodynamic value, so that stable operation is possible without depending on the characteristics of the catalyst layer and the electrolyte membrane, and the fuel cell unit cell (or its unit). Unlike the stack of cells), oxygen and air are not supplied, so that the system does not degrade due to oxidation.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 연료 농도 센서는 전류를 생산하지 않는 개회로 상태에서 측정이 이루어지므로, 전극촉매로 고가의 백금 이외에 촉매 반응 활성이 낮은 다양한 재료를 활용할 수 있다. 또한, 전해질막 재료로 전도도가 낮은 다양한 재료를 활용할 수 있다. 또한, 전해질막 두께를 두껍게 하여 강도를 높일 수 있는 장점을 가진다. In addition, the open-circuit voltage fuel concentration sensor according to the embodiments of the present invention is measured in the open circuit state that does not produce a current, it is possible to use a variety of materials with low catalytic reaction activity other than expensive platinum as an electrode catalyst. . In addition, various materials having low conductivity may be used as the electrolyte membrane material. In addition, it has the advantage of increasing the strength by increasing the thickness of the electrolyte membrane.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 연료 농도 센서는 연료전지(예컨대 고분자 전해질형 연료전지)와 유사한 형태를 가지므로, 연료전지 스택의 디자인을 통하여 연료전지 스택에 일체형으로 센서를 위치시킬 수 있고 연료전지 스택과 유사한 구성품을 지니고 있어 유지 관리의 측면에서 유리하다.In addition, the open-circuit voltage fuel concentration sensor according to the embodiments of the present invention has a form similar to that of a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell), so that the sensor is integrally integrated with the fuel cell stack through the design of the fuel cell stack. It can be positioned and has components similar to a fuel cell stack, which is advantageous in terms of maintenance.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 있어서, 개회로 전압형 연료 농도 센서의 구조를 개략적으로 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서, 개회로 전압형 연료 농도 센서가 적용되는 연료전지의 재순환 시스템 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3a는 본 실험 1에 있어서, 온도 25℃에서 측정된 개회로 전압을 이론 개회로 전압 값과 함께 대비하여 나타내는 것이다. 도 3b는 도 3a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다. 도 3에서 X축은 질소 농도 (%)이고 Y축은 개회로 전압 변화(V)이다.
도 4a는 본 실험 1에 있어서, 온도 65℃에서 측정된 개회로 전압을 이론 개회로 전압 값과 함께 대비하여 나타내는 것이다. 도 4b는 도 4a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다. 도 4에서 X축은 질소 농도 (%)이고 Y축은 개회로 전압 변화 (V)이다.
도 5a는 본 실험 1에 있어서, 온도 80℃에서 측정된 개회로 전압을 이론 개회로 전압 값과 함께 대비하여 나타내는 것이다. 도 5b는 도 5a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다. 도 5에서 X축은 질소 농도 (%)이고 Y축은 개회로 전압 변화 (V)이다.
도 6a는 본 실험 2에 있어서, 온도 65℃에서 측정된 개회로 전압을 이론 개회로 전압 값과 함께 대비하여 나타내는 것이다. 도 6b는 도 6a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다. 도 6에서 X축은 질소 농도 (%)이고 Y축은 개회로 전압 변화 (V)이다.
도 7a는 본 실험 3에 있어서, 온도 65℃에서 측정된 개회로 전압을 이론 개회로 전압 값과 함께 대비하여 나타내는 것이다. 도 7b는 도 7a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다. 도 7에서 X축은 질소 농도 (%)이고 Y축은 개회로 전압 변화 (V)이다.
1 schematically shows the structure of an open circuit voltage type fuel concentration sensor in an exemplary embodiment of the invention.
Fig. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a recirculation system of a fuel cell to which an open circuit voltage type fuel concentration sensor is applied in an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 3A shows the open circuit voltage measured at a temperature of 25 ° C. in comparison with the theoretical open circuit voltage value in Experiment 1. FIG. FIG. 3B is an enlarged view of the initial section of FIG. 3A. In FIG. 3, the X axis is nitrogen concentration (%) and the Y axis is open circuit voltage change (V).
FIG. 4A shows the open-circuit voltage measured at a temperature of 65 ° C. in comparison with the theoretical open-circuit voltage value. FIG. 4B is an enlarged view of the initial section of FIG. 4A. In FIG. 4, the X axis is nitrogen concentration (%) and the Y axis is open circuit voltage change (V).
FIG. 5A shows the open circuit voltage measured at a temperature of 80 ° C. in comparison with the theoretical open circuit voltage value in Experiment 1. FIG. FIG. 5B is an enlarged view of the initial section of FIG. 5A. In FIG. 5, the X axis is nitrogen concentration (%) and the Y axis is open circuit voltage change (V).
FIG. 6A shows the open-circuit voltage measured at a temperature of 65 ° C. in comparison with the theoretical open-circuit voltage value. FIG. 6B is an enlarged view of the initial section of FIG. 6A. In FIG. 6, the X axis is nitrogen concentration (%) and the Y axis is open circuit voltage change (V).
FIG. 7A shows the open-circuit voltage measured at the temperature of 65 ° C. in comparison with the theoretical open-circuit voltage value. FIG. 7B is an enlarged view of the initial section of FIG. 7A. In FIG. 7, the X axis is nitrogen concentration (%) and the Y axis is open circuit voltage change (V).

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described.

본 명세서에서 연료란 연료 전지의 전기 화학 반응에 참여하는 물질을 의미하며, 비연료란 연료 전지의 전기 화학 반응에 참여하지 않는 물질을 의미한다. 상기 연료와 비연료는 각각 액체가 될 수도 있고 기체가 될 수도 있다.In the present specification, the fuel refers to a material that participates in the electrochemical reaction of the fuel cell, and the non-fuel means a material that does not participate in the electrochemical reaction of the fuel cell. The fuel and non-fuel may be liquid or gas, respectively.

본 명세서에서 애노드 물질이란 애노드로 공급되는 연료를 포함하는 물질을 의미하는 것으로서, 액체가 될 수도 있고 기체가 될 수도 있다.In the present specification, the anode material means a material including a fuel supplied to the anode, and may be a liquid or a gas.

본 명세서에서 측정 대상 물질이란 해당 물질 중의 연료 농도를 측정하고자 하는 대상 물질을 의미한다.In the present specification, the measurement target material means a target material for which a fuel concentration in the material is to be measured.

본 명세서에 기준 물질이란 해당 물질 중에 포함된 연료의 농도를 미리 설정하여 알고 있는 물질을 의미한다.As used herein, the reference substance means a substance known by setting a concentration of a fuel contained in the substance in advance.

본 명세서에서 연료 농도란 애노드 물질, 측정 대상 물질 또는 기준 물질 중에 포함되어 있는 연료의 농도 내지 비율을 의미하며, 연료 활성도라는 개념으로도 표현될 수 있다. 이러한 연료 농도 내지 비율은 예컨대 액체의 경우 농도로 기체의 경우 분압으로도 표시될 수 있다. In the present specification, the fuel concentration means a concentration or a ratio of fuel included in the anode material, the measurement target material, or the reference material, and may also be expressed by the concept of fuel activity. Such fuel concentrations to ratios can also be expressed, for example, in concentrations for liquids and partial pressures for gases.

본 명세서에서 재순환 애노드 물질이란 연료 전지 시스템에 있어서 애노드에서 유출되는 미반응된 연료를 포함하는 물질로서 다시 애노드로 공급되어 재순환되는 물질을 의미한다. 이러한 애노드 물질은 미반응 연료 자체 또는 미반응 연료와 비연료 물질의 혼합물일 수 있다. 애노드 물질은 애노드 기체 물질일 수 있고, 이러한 애노드 기체 물질은 연료 기체(예컨대, 수소 등)와 비연료 기체(예컨대, 질소, 아르곤 등)를 포함할 수 있다. 또한, 애노드 물질은 애노드 액체 물질일 수 있고, 이러한 애노드 액체 물질은 연료 액체(예컨대, 메탄올, 개미산 등)와 비연료 액체(예컨대, 물 등)를 포함할 수 있다.In the present specification, the recycle anode material is a material including unreacted fuel flowing out of the anode in the fuel cell system, and means a material that is supplied to the anode and recycled. Such anode material may be unreacted fuel itself or a mixture of unreacted fuel and non-fuel material. The anode material may be an anode gaseous material, which may include fuel gas (eg, hydrogen, etc.) and non-fuel gas (eg, nitrogen, argon, etc.). In addition, the anode material may be an anode liquid material, which may include fuel liquids (eg, methanol, formic acid, etc.) and non-fuel liquids (eg, water, etc.).

본 명세서에서 연료전지의 애노드로 최초 공급되는 연료 흐름이란 재순환되어 다시 연료전지의 애노드로 공급되는 연료 흐름이 아니라 최초로 애노드로 공급되어지는 연료 흐름을 의미한다.In the present specification, the fuel flow that is initially supplied to the anode of the fuel cell is not the fuel flow that is recycled and supplied to the anode of the fuel cell again, but refers to the fuel flow that is first supplied to the anode.

본 명세서에서 개회로 전압 형이란 연료 농도 센서가 개회로 전압을 측정하는 타입이라는 것을 의미한다.In the present specification, the open circuit voltage type means that the fuel concentration sensor is a type for measuring the open circuit voltage.

본 명세서에서 연료전지 이용 장치란 연료전지로부터 생산된 전력을 이용하는 자동차, 노트북, 로봇 등 제반 장치를 의미한다.In the present specification, the device using a fuel cell refers to various devices such as an automobile, a laptop, a robot, and the like using power generated from the fuel cell.

본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 농도 센서는 연료전지 단위 셀 또는 그 단위 셀의 스택(예컨대 고분자 전해질형 연료전지 단위 셀 또는 그 스택)과 유사한 구조를 가지되, 기준 전극에 연료 농도를 알고 있는 기준 물질(예컨대 수소와 같은 기체 연료, 또는 메탄올이나 개미산 등과 같은 액체 연료)이 공급되고, 측정 전극에 연료 농도 측정 대상인 재순환 애노드 물질(예컨대 수소와 질소 등을 포함하는 기체 재순환 애노드 물질, 또는 메탄올과 물 또는 개미산과 물 등을 포함하는 액체 재순환 애노드 물질)이 공급되는 개회로 전압형 연료 농도 센서이다. The fuel concentration sensor according to the exemplary embodiments of the present invention has a structure similar to that of the fuel cell unit cell or the stack of the unit cell (for example, the polymer electrolyte fuel cell unit cell or the stack thereof), and the fuel concentration is applied to the reference electrode. A known reference material (e.g., a gaseous fuel such as hydrogen, or a liquid fuel such as methanol or formic acid) is supplied, and a recycling anode material (e.g., a gaseous recycling anode material including hydrogen and nitrogen, etc.) to be measured for the fuel concentration to the measurement electrode, or Open-circuit voltage fuel concentration sensor supplied with methanol and water or a liquid recycle anode material including formic acid and water.

상기 연료 농도 센서에서는, 연료 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 따른 개회로 전압을 측정하게 된다. 상기 개회로 전압은 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 대응하여 변화하는 것이므로 상기 개회로 전압의 변화를 측정함으로써 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도의 변화를 용이하게 파악할 수 있다. The fuel concentration sensor measures the open circuit voltage according to the fuel concentration in the recycle anode material to which the fuel concentration is to be measured. Since the open circuit voltage changes in response to the fuel concentration in the recycle anode material, it is possible to easily grasp the change in the fuel concentration in the recycle anode material by measuring the change in the open circuit voltage.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 있어서, 개회로 전압을 측정하는 연료 농도 센서를 나타내는 개략도이다. 도 1은 예시적으로 연료 농도를 알고 있는 기준 물질이 순수 수소이고, 측정 대상 물질이 수소와 질소와 혼합물인 것을 보여준다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel concentration sensor measuring an open circuit voltage in an exemplary embodiment of the present invention. 1 exemplarily shows that a reference substance having a known fuel concentration is pure hydrogen, and a substance to be measured is a mixture of hydrogen and nitrogen.

도 1에 도시된 바와 같이, 개회로 전압형 연료 농도 센서(100)는 연료전지의 단위 셀과 같이 전해질막(10)의 일측에 기준 전극(13) 및 측정 전극(15)이 구비되며, 또한, 상기 단위 셀의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기(V)(예컨대 볼타메트리)가 구비된다. As shown in FIG. 1, the open-circuit voltage type fuel concentration sensor 100 is provided with a reference electrode 13 and a measurement electrode 15 on one side of the electrolyte membrane 10, like a unit cell of a fuel cell. An open circuit voltage meter V (for example, voltametry) for measuring the open circuit voltage of the unit cell is provided.

상기 기준 전극(13)에는 설정된 농도를 가지는 즉, 농도를 이미 알고 있는 기준 물질(도 1은 순수 수소를 예시한다)이 흐르고 있고, 상기 측정 전극(15)에는 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질(도 1은 수소 및 질소를 예시한다)이 흐르게 된다. 후술하지만, 상기 측정 대상 물질을 재순환 애노드 물질로 함으로써 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도를 측정할 수 있게 된다.The reference electrode 13 has a set concentration, i.e., a reference substance which already knows the concentration (FIG. 1 illustrates pure hydrogen), and a measurement target substance to measure fuel concentration through the measurement electrode 15. (FIG. 1 illustrates hydrogen and nitrogen). As will be described later, the fuel concentration in the recycle anode material can be measured by using the measurement target material as the recycle anode material.

여기서, 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도 예컨대 수소와 질소 혼합물이라면 해당 혼합물 중의 수소 농도(또는, 예컨대 메탄올과 물의 혼합물이라면 해당 혼합물 중 메탄올 농도, 또는 개미산과 물의 혼합물이라면 해당 혼합물 중 개미산 농도)에 대응하여 개회로 전압이 변화하게 되므로, 이 개회로 전압을 측정함으로써 측정 대상 물질 중의 연료의 농도를 파악할 수 있게 된다. Here, the fuel concentration in the measurement target material such as hydrogen and nitrogen mixtures corresponding to the hydrogen concentration in the mixture (or, for example, if the mixture of methanol and water, the methanol concentration in the mixture, or the formic acid concentration in the mixture if the mixture of formic acid and water) Since the open circuit voltage is changed, the concentration of the fuel in the material to be measured can be grasped by measuring the open circuit voltage.

상기 개회로 전압 측정에 의하여 측정 대상 물질 중의 연료의 농도를 산출 또는 파악하는 것은 예컨대 다음과 같이 할 수 있다. Calculating or grasping the concentration of fuel in the measurement target material by the open-circuit voltage measurement can be, for example, as follows.

즉, 측정 전극에 다양한 연료 농도를 가지는 측정 대상 물질(이때 각 연료 농도는 미리 알고 있음)을 제공하고, 이에 따라 측정되는 개회로 전압 값으로부터, 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따른 개회로 전압 데이터를 구축한다. 이 데이터를 활용하여, 이후의 측정 시 얻어진 개회로 전압 수치를 상기 데이터와 비교함으로써 측정 대상 물질 중의 연료 농도를 산출할 수 있다. 이러한 프로세싱을 위하여 연료 농도 센서에는 상기 산출 과정을 수행하기 위한 마이크로 프로세서가 포함될 수 있다.That is, a measurement target material (where each fuel concentration is known in advance) having various fuel concentrations is provided to the measurement electrode, and the open circuit voltage data according to the fuel concentration in the measurement target material is calculated from the open circuit voltage value measured accordingly. Build. By utilizing this data, it is possible to calculate the fuel concentration in the measurement target material by comparing the open circuit voltage value obtained in the subsequent measurement with the data. For this processing, the fuel concentration sensor may include a microprocessor for performing the calculation process.

또는, 측정된 개회로 전압 값을 [수학식 1]과 같은 네른스트 식에 대입하여 이로부터 연료 농도를 산출 또는 파악할 수 있다. 이와 같이 할 수 있는 이유는, 본 발명의 구현예들에서 실제 측정되는 개회로 전압 값과 연료 농도와의 관계가 네른스트 식에 의하여 표시되는 이론치와 잘 부합하기 때문이다(하기 실험예들 참조).Alternatively, the measured concentration of the open circuit voltage may be substituted into a Nernst equation, such as Equation 1, to calculate or determine the fuel concentration. This can be done because, in the embodiments of the present invention, the relationship between the actual open circuit voltage value and the fuel concentration is in good agreement with the theoretical value indicated by the Nernst equation (see Experimental Examples below).

Figure 112010032232861-pat00001
Figure 112010032232861-pat00001

여기서, a기준물질 중 연료, 기준전극은 기준 전극에서 연료 농도를 알고 있는 기준 물질 중의 연료의 활성도(센서 작동을 위해서 고정값으로 설정)이고, a측정대상물질 중 연료, 측정전극은 측정 전극에서 측정 대상 물질 중 연료의 활성도를 의미한다. 여기서, 기준 물질 중의 연료는 기준 물질 자체가 100% 연료로 될 수 있다.Here, a fuel of the reference material, reference electrode is the activity of the fuel in the reference material known to the fuel concentration at the reference electrode (set to a fixed value for the sensor operation), a fuel of the measurement target material, the measuring electrode at the measurement electrode The activity of the fuel in the material to be measured. Here, the fuel in the reference material may be 100% fuel of the reference material itself.

여기서, 상기 활성도(activity, a)는 액체의 경우 농도 단위로 표시되고, 기체의 경우 압력 단위 즉 분압으로 표시될 수 있다. Herein, the activity (a) may be expressed in concentration units in the case of liquids and in pressure units, that is, partial pressures in the case of gases.

위 식에서 R은 기체 상수이고, T는 단위 셀(또는 후술하는 바와 같이 단위 셀을 스택화한 경우에는 스택)의 작동 온도(이 작동 온도는 설정할 수 있으며, 따라서 설정한 값을 대입하게 된다. 작동 온도는 절대온도로 사용하며 단위는 K이다), F는 페러데이 상수이며, EOCV는 개회로 전압을 나타낸다. n은 연료의 반응과 관련된 전자의 개수 (예컨대 수소가 연료기체인 경우 2; 하기 수학식 3 참조)로서, 연료의 종류에 따라서 달라지는 것이다. 참고로, 예컨대 메탄올이 연료액체인 경우는 n이 6이고, 개미산이 연료액체인 경우는 n은 2이다.Where R is a gas constant and T is the operating temperature of the unit cell (or stack if unit cells are stacked as described below) (this operating temperature can be set, thus assigning the set value). The temperature is used as absolute temperature and the unit is K), F is the Faraday constant, and E OCV is the open circuit voltage. n is the number of electrons associated with the reaction of the fuel (for example, 2 when hydrogen is a fuel gas; see Equation 3 below), and varies depending on the type of fuel. For example, n is 6 when methanol is a fuel liquid and n is 2 when formic acid is a fuel liquid.

다음 [수학식 2]는 연료가 기체인 경우에 위 [수학식 1]을 다시 표현한 것이다.Equation 2 is a representation of Equation 1 above when the fuel is a gas.

Figure 112010032232861-pat00002
Figure 112010032232861-pat00002

여기서, P기준물질 중 연료기체 , 기준전극은 기준 전극에서의 그 분압을 미리 알고 있는 연료 기체의 분압이고, P측정대상물질 중 연료기체 , 측정전극은 측정 전극에서의 측정 대상 물질 중의 연료 기체의 분압이다. Here, the fuel gas and the reference electrode of the P reference material are the partial pressures of the fuel gas which knows the partial pressure at the reference electrode in advance, and the fuel gas and the measurement electrode of the P measurement material are the fuel gases of the measurement target material at the measurement electrode. Partial pressure.

다음 [수학식 3]은 연료 기체가 수소인 경우에 위 [수학식 2]를 다시 표현한 것이다. 수소인 경우 n은 2가 된다.Equation 3 is a representation of Equation 2 when the fuel gas is hydrogen. In the case of hydrogen, n is 2.

Figure 112010032232861-pat00003
Figure 112010032232861-pat00003

여기서, P수소, 기준전극은 기준 전극에 공급되는 기준 물질 중 수소 분압(분압을 알고 있는 것으로서 예컨대 순수 수소)이고, P수소, 측정전극은 측정 전극에서의 측정 대상 물질 중의 수소(예컨대 질소 등 비반응 기체 즉, 비연료 기체에 의하여 희석되어 분압을 알지 못하는 수소)의 분압이다. Here, P hydrogen and the reference electrode are hydrogen partial pressures (for example, pure hydrogen as the partial pressure is known) among the reference materials supplied to the reference electrode, and P hydrogen and the measurement electrode are hydrogen (for example, nitrogen, etc.) in the measurement target material at the measurement electrode. Partial pressure of the reaction gas, i.e., hydrogen, which is diluted by the non-fuel gas and does not know the partial pressure.

여기서도 마찬가지로, 상기 네른스트 식을 이용한 연료 농도 산출을 위하여 상기 연료 농도 센서에는 개회로 전압 측정값에 기초하여 상기 식으로부터 연료의 농도를 산출하는 과정을 수행하는 마이크로 프로세서가 포함될 수 있다.Likewise, in order to calculate fuel concentration using the Nernst equation, the fuel concentration sensor may include a microprocessor for calculating a fuel concentration from the equation based on the open circuit voltage measurement value.

본 발명의 예시적인 구현예들에 있어서, 위와 같은 센서를 이용하는 농도 센싱 방법은, 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계, 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질을 제공하는 단계 및 상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 단계를 포함하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 단위 셀의 개회로 전압 수치는 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것이므로, 이를 측정함으로써 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도를 측정할 수 있게 되는 것이다.In an exemplary embodiment of the present invention, the concentration sensing method using the sensor as described above, the step of providing a reference material having a fuel concentration set on the reference electrode present on one side of the electrolyte membrane, the measurement present on the other side of the electrolyte membrane Providing a measurement target material for measuring a fuel concentration to an electrode, and measuring an open circuit voltage of the unit cell including the electrolyte membrane, the reference electrode, and the measurement electrode or a stack in which the unit cells are stacked. . As mentioned above, since the open circuit voltage value of the unit cell changes according to the fuel concentration in the material to be measured, the fuel concentration in the material to be measured can be measured by measuring it.

한편, 실제 연료전지 작동 조건에서는 기준 전극와 측정전극의 사이에 연료의 활성도 차이(연료 기체라면 분압 차이, 연료 액체라면 농도 차이)에 의한 전압차 이외에 일정한 배경(background) 전위가 존재할 수가 있다. 이러한 배경(background) 전위는 기준 전극과 측정 전극의 연료 활성도를 동일하게 한 조건에서 측정된 전위 값과 같게 되므로, 이를 이용하여 배경 전위만큼을 보정할 수 있다.Meanwhile, under actual fuel cell operating conditions, a constant background potential may exist between the reference electrode and the measurement electrode in addition to the voltage difference due to the difference in the activity of the fuel (partial pressure difference in the fuel gas and difference in concentration in the fuel liquid). Since the background potential becomes equal to the potential value measured under the condition that the fuel activities of the reference electrode and the measurement electrode are the same, the background potential can be corrected by using the background potential.

본 발명의 예시적인 구현예들에서, 개회로전압형 센서는 도 1의 단위 셀 형태로 사용될 뿐만 아니라, 또한 도 1의 단위 셀을 적층하여 스택화한 형태로도 사용할 수 있음은 물론이다. 스택화하는 경우에 스택화된 각각의 단위 셀의 기준 전극과 측정 전극에 각각 기준 물질 및 측정 대상 물질이 흐르게 되며, 개회로 전압은 스택화된 전체 셀에 대하여 측정하게 된다. 이와 같이 스택화하는 경우 측정되는 개회로 전압 신호는 스택화되는 단위 셀 개수만큼 증폭되어 나타나게 된다.In the exemplary embodiments of the present invention, the open-circuit voltage sensor may not only be used in the unit cell form of FIG. 1, but also in the form of stacking unit cells of FIG. 1. In the case of stacking, the reference material and the measurement target material flow through the reference electrode and the measurement electrode of each stacked unit cell, and the open circuit voltage is measured for the entire stacked cells. In this case, the open circuit voltage signal measured is amplified by the number of unit cells to be stacked.

도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서, 연료 농도 센서가 적용되는 연료전지의 재순환 시스템 구성을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing a configuration of a recirculation system of a fuel cell to which a fuel concentration sensor is applied in an exemplary embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 재순환 시스템은, 전해질 막의 양측에 각각 애노드와 캐소드를 가지는 막전극접합체를 포함하고 캐소드에 공기가 공급되며, 애노드에 연료(도 2는 수소를 예시)가 공급되는 일반적인 연료전지(200)를 포함하는 것이다. 애노드로부터 유출된 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질은 재순환되어 재순환 유로(R)를 거쳐서 다시 애노드 측으로 제공된다. 이와 같은 재순환을 위한 장치(300) 예컨대 밸브 등은 알려진 것이므로 별도로 상술하지 않는다. As shown in FIG. 2, the fuel cell recirculation system includes a membrane electrode assembly having an anode and a cathode on each side of the electrolyte membrane, and air is supplied to the cathode, and fuel is supplied to the anode (FIG. 2 illustrates hydrogen). It is to include a general fuel cell 200. The anode material including the unreacted fuel flowing out of the anode is recycled and provided back to the anode side via the recycle passage R. Such a device 300 for recirculation, such as a valve, is known and thus will not be described in detail.

상기 재순환 유로(R)를 거치는 재순환 애노드 물질은 도 1에서 설명한 바와 같은 연료 농도 센서(100)로 유입되고 개회로 전압 측정에 의하여 애노드 물질 중의 연료 농도가 측정된다.The recycle anode material passing through the recycle passage R flows into the fuel concentration sensor 100 as described with reference to FIG. 1 and the fuel concentration in the anode material is measured by the open circuit voltage measurement.

이와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들에 있어서, 연료의 재순환 방법은, 연료전지(200)의 애노드로부터 유출되는 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질을 상기 애노드로 재순환하되, 상기 재순환 과정 중 재순환되는 애노드 물질 중의 연료 농도를 센서(100)로 측정하는 단계를 포함하게 된다. As such, in the exemplary embodiments of the present invention, the fuel recycling method, while recycling the anode material including the unreacted fuel flowing out from the anode of the fuel cell 200 to the anode, during the recycling process Measuring the fuel concentration in the anode material to be measured by the sensor 100.

여기서, 상기 재순환되는 애노드 물질 중의 연료 농도 측정은, 앞서 설명한 바와 같이, 해당 센서(100)에서 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계, 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질을 제공하는 단계 및 상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 과정을 거친다.Here, the fuel concentration measurement in the recycled anode material, as described above, in the sensor 100 to provide a reference material having a fuel concentration set on the reference electrode present on one side of the electrolyte membrane, the other side of the electrolyte membrane The process of providing a recycle anode material to measure the concentration of the present measuring electrode and the open-circuit voltage of the unit cell consisting of the electrolyte membrane, the reference electrode and the measurement electrode or a stack of the unit cells are measured.

한편, 연료전지(200)의 애노드로 최초 공급되는 연료 흐름은 그 농도를 알고 있는 것이므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 이 중 일부 흐름(H)을 상기 연료 농도 센서(100)의 기준 물질로서 제공하는 것이 바람직하다.On the other hand, since the fuel flow initially supplied to the anode of the fuel cell 200 knows its concentration, as shown in FIG. 2, some of the flow H is used as a reference material of the fuel concentration sensor 100. It is desirable to provide.

연료 재순환 운전 시 재순환 장치(300)에서 외부 방출 유로를 닫고, 재순환 유로만 개방된 상태로 운전하며, 재순환 애노드 물질 중 연료의 농도가 일정 수준(설정된 수준) 이하로 낮아지게 되면 외부 방출 유로를 개방하고 재순환 애노드 물질(즉, 연료와 비연료의 혼합물로서 그 중 연료 농도가 일정 수준 이하로 낮아진 애노드 물질)을 외부로 방출한다. During the fuel recirculation operation, the external discharge flow path is closed by the recirculation device 300, the operation is performed only with the recycling flow path opened, and when the concentration of fuel in the recycle anode material is lowered below a predetermined level (set level), the external discharge flow path is opened. And discharge the recycle anode material (ie, the anode material whose fuel concentration is below a certain level as a mixture of fuel and non-fuel) to the outside.

예를 들어 설명해 보면, 연료전지(예컨대 자동차용 연료전지) 실제 운전 시 전류 생산에 필요한 필요 유량보다 과량의 연료를 공급하는 것이 일반적이다. 예를 들어 50% 과량의 연료(수소)를 공급하는 경우, 실제 공급 연료량은 필요량 대비 150%에 해당하게 되며 이를 당량비 1.5라고 표현할 수 있다. 하지만, 당량비 1.5에 해당하는 유량의 기체를 연료전지의 애노드에 지속적으로 공급하는 경우에도, 애노드 기체가 수소 80%, 질소 20%로 구성되어 있다면, 실제 수소 공급량은 필요량 대비 120%로써 당량비 1.2에 해당한다 (1.5 × 80% = 1.2). 따라서, 예컨대, 연료 당량비 1.2 이하에서 성능저하가 급격히 나타나는 연료전지시스템을 운전하는 경우, 당량비 1.5에 해당하는 유량을 고정적으로 공급하고 있다면, 재순환 기체의 연료(수소) 비율이 80%로 떨어지게 되는 경우 재순환 기체를 외부로 배출하는 시스템을 가동한다.For example, it is common to supply fuel in excess of the required flow rate required for current production in actual operation of a fuel cell (eg, a fuel cell for an automobile). For example, if 50% excess fuel (hydrogen) is supplied, the actual amount of fuel supplied corresponds to 150% of the required amount, which can be expressed as an equivalence ratio of 1.5. However, even when continuously supplying a gas having a flow rate equivalent to 1.5 to the anode of the fuel cell, if the anode gas is composed of 80% hydrogen and 20% nitrogen, the actual hydrogen supply is 120% of the required amount, which is equivalent to 1.2 Correspondence (1.5 × 80% = 1.2). Thus, for example, when operating a fuel cell system in which the performance decreases rapidly at a fuel equivalent ratio of 1.2 or less, if the flow rate corresponding to the equivalent ratio 1.5 is fixedly supplied, the fuel (hydrogen) ratio of the recycle gas drops to 80%. Start the system to discharge the recycle gas to the outside.

본 발명의 구현예들에 따른 센서는 종래에 개발된 센서들을 연료전지 시스템에 적용하는 것에 비하여 간단한 측정이 가능하며 실시간에 연료 농도의 변화를 알 수 있다. 또한, 연료전지 스택의 디자인을 통하여 연료전지 스택에 일체형으로 센서를 위치시킬 수 있고 연료전지 스택과 동일한 구성품을 지니고 있어 유지 관리면에서도 장점이 있다.Sensor according to the embodiments of the present invention can be measured simple compared to the application of the conventionally developed sensors to the fuel cell system and can see the change in fuel concentration in real time. In addition, the design of the fuel cell stack allows the sensor to be integrally located on the fuel cell stack and has the same components as the fuel cell stack, which is advantageous in terms of maintenance.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 센서는 열역학적인 값인 개회로 전압을 측정하는 방식이므로 촉매층 및 전해질막의 특성에 의존하지 않아 안정적인 작동이 가능하며, 연료전지 단위 셀(또는 그 단위 셀의 스택)과 달리 산소 및 공기가 공급되지 않으므로 산화반응에 의한 시스템의 퇴화가 일어나지 않는다.In addition, since the open circuit voltage sensor according to the embodiments of the present invention measures the open circuit voltage, which is a thermodynamic value, stable operation is possible without depending on the characteristics of the catalyst layer and the electrolyte membrane, and a fuel cell unit cell (or a unit thereof). Unlike a stack of cells, oxygen and air are not supplied, so that the system does not degenerate due to oxidation.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 센서는 전류를 생산하지 않는 개회로 상태에서 측정이 이루어지므로, 후술하는 실험예들로부터도 알 수 있듯이, 전극촉매로 고가의 백금 이외에도 촉매 반응 활성이 낮은 다양한 재료를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 전해질막 재료로 전도도가 낮은 다양한 재료를 활용할 수 있으며, 전해질막 두께를 두껍게 하여 강도를 높일 수도 있는 장점을 가진다. In addition, the open circuit voltage sensor according to the embodiments of the present invention is measured in the open circuit state that does not produce a current, as can be seen from the experimental examples described later, in addition to expensive platinum as an electrode catalyst catalytic reaction The advantage is that a variety of low activity materials can be utilized. In addition, various materials having low conductivity may be used as the electrolyte membrane material, and the electrolyte membrane may have an advantage of increasing strength by increasing the thickness of the electrolyte membrane.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 센서는 연료전지(예컨대 고분자전해질형 연료전지 등)와 유사한 형태와 작동 조건을 가지므로, 연료전지 스택의 디자인을 통하여 연료전지 스택에 포함되도록 일체형으로 센서를 위치시킬 수 있고 연료전지 스택과 유사한 구성품을 지니고 있어 유지 관리의 측면에서도 유리하다.In addition, the open-circuit voltage sensor according to the embodiments of the present invention has a form and operating conditions similar to those of a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell), so that the open circuit voltage sensor may be included in the fuel cell stack through the design of the fuel cell stack. The sensor can be located integrally and has components similar to the fuel cell stack, which is advantageous in terms of maintenance.

본 발명의 구현예들에 따른 개회로전압형 센서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 직접 개미산 연료전지(DFAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등 각종 연료전지의 연료극 기체 분석에 유용하게 이용될 수 있으며, 본 발명의 구현예들에 따른 연료 재순환 시스템 장치는 자동차, 로봇, 노트북 등 연료전지가 포함되는 각종 연료전지 이용 장치에 이용될 수 있다.Open circuit voltage sensor according to embodiments of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), direct formic acid fuel cell (DFAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), alkaline fuel cell (AFC) and the like can be usefully used for the fuel gas analysis of a variety of fuel cells, fuel recycling system apparatus according to embodiments of the present invention is an automobile, a robot, It can be used in various fuel cell using apparatus including a fuel cell such as a notebook.

이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예를 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to non-limiting and exemplary embodiments.

[실험 1: 개회로전압을 이용한 연료(수소) 농도 센서 제작][Experiment 1: Fabrication of fuel (hydrogen) concentration sensor using open circuit voltage]

막전극Membrane electrode 접합체 및 연료(수소) 농도 센서 제작 Bonding and Fuel (Hydrogen) Concentration Sensor

우선 막전극접합체는 다음과 같이 제조하였다. 즉, 촉매 층이 고분자 전해질 막으로 직접 스프레이되어 제작되었다(직접분사 방법). First, the membrane electrode assembly was prepared as follows. That is, the catalyst layer was prepared by spraying directly onto the polymer electrolyte membrane (direct injection method).

촉매 잉크는 탄소 담지 백금 촉매(Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) 및 나피온 이오노머 용액(듀폰)을 이소프로필 알코올(Baker Analyzed HPLC Reagent) 및 탈이온화수의 혼합 용매에 분산하여 제조하였다. The catalyst ink was prepared by dispersing a carbon supported platinum catalyst (Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) And a Nafion ionomer solution (DuPont) in a mixed solvent of isopropyl alcohol (Baker Analyzed HPLC Reagent) and deionized water.

고분자 전해질 막으로는 NRE-212 막(듀폰)을 사용하였다. 활성 면적은 25 cm2이었다. 양쪽 전극 층의 나피온 이오노머 함량은 30 중량%로 고정하였으며, 백금촉매 담지량은 0.4 mg/cm2으로 하여, 일반적인 고분자 전해질형 연료전지의 수준과 동일하게 하였다. NRE-212 membrane (DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane. The active area was 25 cm 2 . The Nafion ionomer content of both electrode layers was fixed at 30% by weight, and the platinum catalyst loading was 0.4 mg / cm 2, which is the same as that of a general polymer electrolyte fuel cell.

해당 막전극 접합체에 가스 확산 매체(Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), 테플론 가스켓 및 그라파이트 블록을 체결하여 연료전지 단위 전지와 동일한 구조의 연료(수소) 농도 센서를 제조하였다(도 1 참조). A gas diffusion medium (Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), a Teflon gasket and a graphite block were fastened to the membrane electrode assembly to manufacture a fuel (hydrogen) concentration sensor having the same structure as that of a fuel cell unit cell (see FIG. 1).

연료(수소) 농도 센서의 한쪽 전극은 기준 전극(도 1의 13)으로 순수한 수소가 공급되며, 다른 한쪽 전극(도 1의 15)은 센서 전극으로 작용하여 수소 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 기체가 공급된다.
One electrode of the fuel (hydrogen) concentration sensor is supplied with pure hydrogen to the reference electrode (13 in FIG. 1), and the other electrode (15 in FIG. 1) acts as a sensor electrode so that the gas to be measured to measure the hydrogen concentration is Supplied.

분석analysis

개회로전압형 연료(수소) 농도 센서의 온도를 25℃로 조절하고, 기준 전극과 센서 전극에 가습된 수소를 공급하며 개회로 전압을 측정하였다. 이후 센서 전극에 수소, 질소 혼합기체를 공급하며 개회로 전압의 변화를 측정하였다. The temperature of the open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor was adjusted to 25 ° C, humidified hydrogen was supplied to the reference electrode and the sensor electrode, and the open-circuit voltage was measured. After that, a mixture of hydrogen and nitrogen was supplied to the sensor electrode, and the change in the open circuit voltage was measured.

동일한 실험을 다음과 같이 반복하였다. 연료(수소) 농도 센서의 온도를 65℃로 하여, 동일한 개회로 전압 측정 실험을 수행하여 개회로 전압의 변화를 측정하였다. 마찬가지 방법으로 80℃에서 동일한 개회로 전압 측정 실험을 수행하여 개회로 전압을 측정하여 개회로 전압의 변화를 측정하였다.
The same experiment was repeated as follows. The temperature of the fuel (hydrogen) concentration sensor was 65 degreeC, the same open circuit voltage measurement experiment was performed, and the change of the open circuit voltage was measured. In the same manner, the same open circuit voltage measurement experiment was performed at 80 ° C., and the change of the open circuit voltage was measured by measuring the open circuit voltage.

결과result

도 3a, 4a 5a는 각각 본 실험 1에 있어서 개회로 전압형 연료(수소) 농도 센서의 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3b, 4b, 5b는 각각 도 3a, 4a, 5a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다.3A and 4A and 5A are graphs showing the experimental results of the open-circuit voltage type fuel (hydrogen) concentration sensor in the present experiment 1, respectively. 3B, 4B, and 5B show enlarged initial sections of FIGS. 3A, 4A, and 5A, respectively.

센서 전극에 순수한 수소를 공급할 때와 질소 혼합 기체를 공급하는 때의 개회로 전압 값의 차이를 측정하여, 막전극 접합체의 불균일 등으로 발생할 수 있는 전압 오차를 제거하였다. The difference between the open-circuit voltage values when supplying pure hydrogen to the sensor electrode and when supplying a nitrogen gas mixture was measured to remove voltage errors that may occur due to unevenness of the membrane electrode assembly.

각 온도에서 3회 반복 측정한 결과를 평균값을 질소 농도에 대해 도시하였으며, 표준 편차는 수직막대로 함께 표시하였다. The results of three repeated measurements at each temperature were plotted against the nitrogen concentration, with the standard deviation indicated with a vertical bar.

실선으로 표시된 이론곡선과 실험결과가 잘 맞는 것을 알 수 있으며, 특히 연료전지자동차 응용에서 중요한 질소농도가 낮은 영역에서 잘 작동하는 것을 확인할 수 있다.
The theoretical curve indicated by the solid line and the experimental results are in good agreement with each other. In particular, it can be seen that it works well in the region of low nitrogen concentration, which is important for fuel cell vehicle applications.

[실험 2: 백금 사용량을 저감한 개회로전압형 연료(수소) 농도 센서][Experiment 2: Open Circuit Voltage Fuel (Hydrogen) Concentration Sensor with Reduced Platinum Usage]

본 실험 2에서는 백금사용량을 0.05 mg/cm2로 크게 감소시킨 개회로 전압형 연료(수소) 센서의 특성을 측정하였다.
In Experiment 2, we measured the characteristics of the open-circuit voltage fuel (hydrogen) sensor that greatly reduced the platinum consumption to 0.05 mg / cm 2 .

막전극Membrane electrode 접합체 및 연료(수소) 농도 센서 제작 Bonding and Fuel (Hydrogen) Concentration Sensor

막전극접합체는 다음과 같이 제조하였다. 즉, 촉매 층이 고분자 전해질 막으로 직접 스프레이되어 제작되었다(직접분사 방법). The membrane electrode assembly was prepared as follows. That is, the catalyst layer was prepared by spraying directly onto the polymer electrolyte membrane (direct injection method).

촉매 잉크는 탄소 담지 백금 촉매(Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) 및 나피온 이오노머 용액(듀폰)을 이소프로필 알코올(Baker Analyzed HPLC Reagent) 및 탈이온화수의 혼합 용매에 분산하여 제조하였다. The catalyst ink was prepared by dispersing a carbon supported platinum catalyst (Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) And a Nafion ionomer solution (DuPont) in a mixed solvent of isopropyl alcohol (Baker Analyzed HPLC Reagent) and deionized water.

고분자 전해질 막으로는 NRE-212 막(듀폰)을 사용하였다. 활성 면적은 25 cm2이었다. 양쪽 전극 층의 나피온 이오노머 함량은 30 중량%로 고정하였으며, 백금촉매 담지량은 0.05 mg/ cm2로 하여, 일반적인 고분자 전해질형 연료전지에 비해 1/8로 낮게 하였다. NRE-212 membrane (DuPont) was used as the polymer electrolyte membrane. The active area was 25 cm 2 . The Nafion ionomer content of both electrode layers was fixed at 30 wt%, and the platinum catalyst loading was 0.05 mg / cm 2, which was 1/8 lower than that of a general polymer electrolyte fuel cell.

해당 막전극 접합체에 가스 확산 매체(Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), 테플론 가스켓 및 그라파이트 블록을 체결하여 연료전지 단위 전지와 동일한 구조의 연료(수소) 농도 센서를 제조하였다. 연료(수소) 농도 센서의 한쪽 전극은 기준전극으로 순수한 수소가 공급되며, 다른 한쪽 전극은 센서 부위로 작용하여 수소 농도를 측정하고자 하는 기체가 공급된다.
A gas diffusion medium (Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), Teflon gasket and graphite blocks were fastened to the membrane electrode assembly to manufacture a fuel (hydrogen) concentration sensor having the same structure as that of a fuel cell unit cell. One electrode of the fuel (hydrogen) concentration sensor is supplied with pure hydrogen as a reference electrode, and the other electrode is supplied with a gas for measuring hydrogen concentration by acting as a sensor site.

분석analysis

개회로전압형 연료(수소) 농도 센서의 온도를 65℃로 조절하고, 기준 전극과 센서 전극에 가습된 수소를 공급하며 개회로 전압을 측정하였다. 이후 센서 전극에 수소, 질소 혼합기체를 공급하며 개회로 전압의 변화를 측정하였다.
The temperature of the open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor was adjusted to 65 ° C, humidified hydrogen was supplied to the reference electrode and the sensor electrode, and the open-circuit voltage was measured. After that, a mixture of hydrogen and nitrogen was supplied to the sensor electrode, and the change in the open circuit voltage was measured.

결과result

도 6a는 본 실험 2에 있어서 개회로 전압형 연료(수소) 농도 센서의 실험결과이다. 도 6b는 도 6a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다.FIG. 6A is an experimental result of an open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor in Experiment 2. FIG. FIG. 6B is an enlarged view of the initial section of FIG. 6A.

센서 전극에 순수한 수소를 공급할 때와 질소 혼합 기체를 공급하는 때의 개회로 전압값의 차이를 측정하여, 막전극접합체의 불균일 등으로 발생할 수 있는 전압 오차를 제거하였다. 실선으로 표시된 이론곡선과 실험결과가 잘 맞는 것을 알 수 있으며, 특히 연료전지자동차 응용에서 중요한 질소농도가 낮은 영역에서 잘 작동하는 것을 확인할 수 있다.
The difference between the open-circuit voltage values when supplying pure hydrogen to the sensor electrode and when supplying a nitrogen gas mixture was measured to remove voltage errors that may occur due to unevenness of the membrane electrode assembly. The theoretical curve indicated by the solid line and the experimental results are in good agreement with each other. In particular, it can be seen that it works well in the region of low nitrogen concentration, which is important for fuel cell vehicle applications.

[실험 3: 백금 사용량을 저감하고, 고분자 전해질막 두께를 증가시킨 개회로 전압형 연료(수소) 농도 센서][Experiment 3: Open-circuit voltage type fuel (hydrogen) concentration sensor reducing platinum usage and increasing polymer electrolyte membrane thickness]

본 실험 3에서는 백금사용량을 0.05 mg/cm2로 크게 감소시키고, 고분자 전해질막의 두께를 증가시킨 개회로 전압형 연료(수소) 농도 센서의 특성을 측정하였다.
In Experiment 3, we measured the characteristics of the open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor that significantly reduced the platinum consumption to 0.05 mg / cm 2 and increased the thickness of the polymer electrolyte membrane.

막전극Membrane electrode 접합체 및 연료(수소) 농도 센서 제작 Bonding and Fuel (Hydrogen) Concentration Sensor

막전극접합체는 다음과 같이 제조하였다. The membrane electrode assembly was prepared as follows.

즉, 촉매 층이 고분자 전해질 막으로 직접 스프레이되어 제작되었다 (직접분사 방법). 촉매 잉크는 탄소 담지 백금 촉매(Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) 및 나피온 이오노머 용액(듀폰)을 이소프로필 알코올(Baker Analyzed HPLC Reagent) 및 탈이온화수의 혼합 용매에 분산하여 제조하였다. That is, the catalyst layer was prepared by spraying directly onto the polymer electrolyte membrane (direct injection method). The catalyst ink was prepared by dispersing a carbon supported platinum catalyst (Tanaka Kikinzoku Kogyo, Pt 45.5 wt.%) And a Nafion ionomer solution (DuPont) in a mixed solvent of isopropyl alcohol (Baker Analyzed HPLC Reagent) and deionized water.

고분자 전해질 막으로는 N115 막(듀폰)을 사용하여 두께를 약 127 마이크로미터로 크게 하였다. 활성 면적은 25 cm2이었다. 양쪽 전극 층의 나피온 이오노머 함량은 30 중량%로 고정하였으며, 백금촉매 담지량은 0.05 mg/cm2로 하여 일반적인 고분자 전해질형 연료전지에 비해 1/8로 낮게 하였다. As the polymer electrolyte membrane, N115 membrane (DuPont) was used to increase the thickness to about 127 micrometers. The active area was 25 cm 2 . The Nafion ionomer content of both electrode layers was fixed at 30% by weight, and the platinum catalyst loading was 0.05 mg / cm 2, which was 1/8 lower than that of a general polymer electrolyte fuel cell.

해당 막전극 접합체에 가스 확산 매체(Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), 테플론 가스켓 및 그라파이트 블록을 체결하여 연료전지 단위 전지와 동일한 구조의 연료(수소) 농도 센서를 제조하였다. 연료(수소) 농도 센서의 한쪽 전극은 기준전극으로 순수한 수소가 공급되며, 다른 한쪽 전극은 센서 부위로 작용하여 수소 농도를 측정하고자 하는 기체가 공급된다.
A gas diffusion medium (Sigracet 10BC, SGL carbon Inc.), Teflon gasket and graphite blocks were fastened to the membrane electrode assembly to manufacture a fuel (hydrogen) concentration sensor having the same structure as that of a fuel cell unit cell. One electrode of the fuel (hydrogen) concentration sensor is supplied with pure hydrogen as a reference electrode, and the other electrode is supplied with a gas for measuring hydrogen concentration by acting as a sensor site.

분석analysis

개회로전압형 연료(수소) 농도 센서의 온도를 65℃로 조절하고, 기준전극과 센서전극에 가습된 수소를 공급하며 개회로전압을 측정하였다. 이후 센서전극에 수소, 질소 혼합기체를 공급하며 개회로전압의 변화를 측정하였다.
The temperature of the open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor was adjusted to 65 ° C, humidified hydrogen was supplied to the reference electrode and the sensor electrode, and the open-circuit voltage was measured. After that, a mixture of hydrogen and nitrogen was supplied to the sensor electrode, and the change in the open circuit voltage was measured.

결과result

도 7a는 본 실험 3에 있어서 개회로전압형 연료(수소) 농도 센서의 실험결과이다. 도 7b는 도 7a의 초기 구간을 확대하여 나타낸 것이다.FIG. 7A is an experimental result of an open-circuit voltage fuel (hydrogen) concentration sensor in Experiment 3. FIG. FIG. 7B is an enlarged view of the initial section of FIG. 7A.

센서 전극에 순수한 수소를 공급할 때와 질소 혼합 기체를 공급하는 때의 개회로 전압 값의 차이를 측정하여, 막전극접합체의 불균일 등으로 발생할 수 있는 전압 오차를 제거하였다. The difference between the open-circuit voltage values when supplying pure hydrogen to the sensor electrode and when supplying a nitrogen gas mixture was measured to remove voltage errors that may occur due to unevenness of the membrane electrode assembly.

실선으로 표시된 이론곡선과 실험결과가 잘 맞는 것을 알 수 있으며, 특히 연료전지자동차 응용에서 중요한 저질소농도 영역에서 잘 작동하는 것을 확인할 수 있다.The theoretical curve shown by the solid line and the experimental results are in good agreement with each other. In particular, it can be seen that it works well in the low nitrogen concentration region, which is important for fuel cell vehicle applications.

참고로, 실시예 1, 2, 3의 실험조건을 정리하면 다음 표와 같다.For reference, the experimental conditions of Examples 1, 2 and 3 are summarized in the following table.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 백금 담지량Platinum loading 0.4 mg/cm2 0.4 mg / cm 2 0.05 mg/cm2 0.05 mg / cm 2 0.05 mg/cm2 0.05 mg / cm 2 고분자전해질막Polymer electrolyte membrane NRE-212
(약 51 마이크로미터)
NRE-212
(About 51 micrometers)
NRE-212
(약 51 마이크로미터)
NRE-212
(About 51 micrometers)
N115
(약 127 마이크로미터)
N115
(About 127 micrometers)
실험 온도Experimental temperature 25℃, 65℃ 및 80℃도25 ° C, 65 ° C and 80 ° C 65℃65 ℃ 65℃65 ℃

Claims (18)

전해질 막;
상기 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극;
상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극;을 포함하는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택과,
상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기를 포함하고,
상기 기준 전극은 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질이 흐르고, 상기 측정 전극에는 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질이 흐르며,
상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 값은 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
Electrolyte membrane;
A reference electrode on one side of the electrolyte membrane;
A unit cell or a stack in which the unit cells are stacked, including a measuring electrode existing on the other side of the electrolyte membrane;
An open circuit voltage meter for measuring the open circuit voltage of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked;
A reference material having a set fuel concentration flows through the reference electrode, and a measurement target material through which a fuel concentration is to be measured flows through the measurement electrode.
The open circuit voltage value of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked varies according to the fuel concentration in the measurement target material.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 물질은 액체 또는 기체 상의 연료이고, 상기 측정 대상 물질은 액체 또는 기체 상으로서 연료와 비연료 물질의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
The method of claim 1,
And the reference material is a liquid or gas phase fuel, and the material to be measured is a mixture of fuel and non-fuel material as liquid or gas phase.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 물질은 메탄올 또는 개미산이고, 상기 측정 대상 물질은 물 및 메탄올; 또는 물 및 개미산;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
The method of claim 1,
The reference substance is methanol or formic acid, and the measurement target substance is water and methanol; Or water and formic acid; Fuel concentration sensor comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 기준 물질은 수소이고, 상기 측정 대상 물질은 수소 및 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
The method of claim 1,
The reference substance is hydrogen, and the substance to be measured includes hydrogen and nitrogen.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 개회로 전압 측정 값으로부터 연료 농도를 산출하는 마이크로 프로세서를 더 포함하는 것이고,
상기 마이크로 프로세서는, 설정된 농도의 연료를 포함하는 애노드 물질을 측정 전극에 제공하여 측정되는 개회로 전압 값으로부터 구축된 연료 농도 및 개회로 전압 값 데이터에, 실제 측정된 개회로 전압 값을 대입함으로써, 연료 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
The method of claim 1,
The sensor further comprises a microprocessor for calculating the fuel concentration from the open circuit voltage measurement,
The microprocessor supplies an anode material containing a fuel having a set concentration to the measurement electrode, and substitutes the actually measured open circuit voltage value into the fuel concentration and open circuit voltage value data constructed from the measured open circuit voltage value. A fuel concentration sensor which calculates a fuel concentration.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 개회로 전압 측정 값으로부터 연료 농도를 산출하는 마이크로 프로세서를 더 포함하는 것이고,
상기 마이크로 프로세서는, 측정된 개회로 전압 값을 [수학식 1]에 대입하여 연료 활성도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센서.
[수학식 1]
Figure 112010032232861-pat00004

(a기준물질 중 연료, 기준전극은 기준 전극에서 연료 농도를 알고 있는 기준 물질 중의 연료의 활성도이고, a측정대상물질 중 연료, 측정전극은 측정 전극에서 측정 대상 물질 중 연료의 활성도이다. R은 기체 상수이고, T는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 작동 온도, F는 페러데이 상수, EOCV는 개회로 전압이며, n은 연료의 반응과 관련된 전자의 개수이다.)
The method of claim 1,
The sensor further comprises a microprocessor for calculating the fuel concentration from the open circuit voltage measurement,
The microprocessor calculates fuel activity by substituting the measured open circuit voltage value into [Equation 1].
[Equation 1]
Figure 112010032232861-pat00004

(a fuel of the reference material and reference electrode are the activity of the fuel in the reference material known fuel concentration at the reference electrode, a fuel of the material to be measured , the measurement electrode is the activity of the fuel of the material to be measured at the measurement electrode. T is the gas constant, T is the operating temperature of the unit cell or stack of unit cells, F is the Faraday constant, E OCV is the open-circuit voltage, and n is the number of electrons associated with the reaction of the fuel.)
전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계;
상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 연료 농도를 측정하고자 하는 측정 대상 물질을 제공하는 단계; 및
상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 값은 상기 측정 대상 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센싱 방법.
Providing a reference material having a fuel concentration set on the reference electrode present on one side of the electrolyte membrane;
Providing a measurement target substance to measure fuel concentration to a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane; And
Measuring an open circuit voltage of a unit cell consisting of the electrolyte membrane, a reference electrode, and a measurement electrode or a stack of stacked unit cells;
The open circuit voltage value of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked varies according to the fuel concentration in the measurement target material.
제 7 항에 있어서,
상기 방법은 개회로 전압 측정 값으로부터 연료 농도를 산출하는 단계를 더 포함하고,
상기 연료 농도를 산출하는 단계는, 설정된 농도의 연료를 포함하는 애노드 물질을 측정 전극에 제공하여 측정되는 개회로 전압 값으로부터 구축된 연료 농도 및 개회로 전압 값 데이터에, 실제 측정된 개회로 전압 값을 대입함으로써, 연료 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센싱 방법.
The method of claim 7, wherein
The method further comprises calculating a fuel concentration from the open circuit voltage measurement,
The calculating of the fuel concentration may include an anode material including a fuel having a set concentration to the measurement electrode, and the actual measured open circuit voltage value to the fuel concentration and open circuit voltage value data constructed from the measured open circuit voltage value. The fuel concentration sensing method, characterized in that for calculating the fuel concentration.
제 7 항에 있어서,
상기 방법은 개회로 전압 측정 값으로부터 연료 농도를 산출하는 단계를 더 포함하고,
상기 연료 농도를 산출하는 단계는, 측정된 개회로 전압 값을 [수학식 1]에 대입하여 연료 활성도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연료 농도 센싱 방법.
[수학식 1]
Figure 112010032232861-pat00005

(a기준물질 중 연료, 기준전극은 기준 전극에서 연료 농도를 알고 있는 기준 물질 중의 연료의 활성도이고, a측정대상물질 중 연료, 측정전극은 측정 전극에서 측정 대상 물질 중 연료의 활성도이다. R은 기체 상수이고, T는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 작동 온도, F는 페러데이 상수, EOCV는 개회로 전압이며, n은 연료의 반응과 관련된 전자의 개수이다.)
The method of claim 7, wherein
The method further comprises calculating a fuel concentration from the open circuit voltage measurement,
The calculating of the fuel concentration may include calculating the fuel activity by substituting the measured open circuit voltage value into [Equation 1].
[Equation 1]
Figure 112010032232861-pat00005

(a fuel of the reference material and reference electrode are the activity of the fuel in the reference material known fuel concentration at the reference electrode, a fuel of the material to be measured , the measurement electrode is the activity of the fuel of the material to be measured at the measurement electrode. T is the gas constant, T is the operating temperature of the unit cell or stack of unit cells, F is the Faraday constant, E OCV is the open-circuit voltage, and n is the number of electrons associated with the reaction of the fuel.)
연료전지;
상기 연료전지로의 애노드로부터 유출되는 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질을 상기 애노드로 재순환하는 애노드 물질 재순환 유로;
상기 재순환 유로 중에 설치되고 재순환되는 애노드 물질 중의 연료 농도를 측정하는 연료 농도 센서;를 포함하고,
상기 연료 농도 센서는, 전해질 막, 상기 전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극 및 상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극을 포함하는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택과, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 개회로 전압 측정기를 포함하고,
상기 기준 전극에는 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질이 흐르고, 상기 측정 전극에는 연료 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질이 흐르며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 값은 상기 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 시스템 장치.
Fuel cell;
An anode material recycling flow path for recycling an anode material including an unreacted fuel flowing out of the anode to the fuel cell to the anode;
And a fuel concentration sensor configured to measure a fuel concentration in the anode material installed and recycled in the recirculation flow path.
The fuel concentration sensor includes a unit cell or a stack in which the unit cell including an electrolyte membrane, a reference electrode present on one side of the electrolyte membrane, and a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane, and the unit cell or the unit cell are stacked. An open circuit voltage meter for measuring an open circuit voltage of the stacked stack,
A reference material having a set fuel concentration flows through the reference electrode, and a recycle anode material for measuring fuel concentration flows through the measurement electrode, and an open circuit voltage value of the unit cell or the stack in which the unit cells are stacked is the recycle anode. A fuel recirculation system apparatus, characterized by varying fuel concentrations in a substance.
제 10 항에 있어서,
상기 연료전지는 단위 셀 또는 단위 셀의 스택인 것을 특징으로 하는 연료 재순환 시스템 장치.
The method of claim 10,
And the fuel cell is a unit cell or a stack of unit cells.
제 10 항에 있어서,
상기 연료전지의 애노드로 최초 공급되는 연료 흐름 중 일부 흐름이 상기 연료 농도 센서의 기준 물질로서 제공되는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 시스템 장치.
The method of claim 10,
And a portion of the fuel flow initially supplied to the anode of the fuel cell is provided as a reference material of the fuel concentration sensor.
제 10 항에 있어서,
재순환 애노드 물질 중 연료의 농도가 설정된 수준 이하로 낮아지게 되면 재순환 애노드 물질을 재순환 유로의 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 시스템 장치.
The method of claim 10,
And when the concentration of the fuel in the recycle anode material is lowered below the set level, releasing the recycle anode material to the outside of the recycle passage.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 연료 재순환 시스템 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 이용 장치.A fuel cell utilization apparatus comprising a fuel recycle system device according to any one of claims 10 to 13. 제 14 항에 있어서,
상기 연료전지 이용 장치는 자동차인 것을 특징으로 하는 연료전지 이용 장치.
The method of claim 14,
The fuel cell using device is a fuel cell, characterized in that the vehicle.
연료전지의 애노드로부터 유출되는 미반응 연료를 포함하는 애노드 물질을 상기 애노드로 재순환하는 단계;
상기 연료 재순환 과정 중 재순환되는 애노드 물질 중의 연료의 농도를 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 재순환되는 애노드 물질 중의 연료의 농도 측정은,
전해질 막의 일측에 존재하는 기준 전극에 설정된 연료 농도를 가지는 기준 물질을 제공하는 단계;
상기 전해질 막의 타측에 존재하는 측정 전극에 연료 농도를 측정하고자 하는 재순환 애노드 물질을 제공하는 단계; 및
상기 전해질 막, 기준 전극 및 측정 전극으로 이루어지는 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압을 측정하는 단계;를 포함하며, 상기 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 적층한 스택의 개회로 전압 값은 상기 재순환 애노드 물질 중의 연료 농도에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 방법.
Recycling an anode material including the unreacted fuel flowing out of the anode of the fuel cell to the anode;
Measuring the concentration of fuel in the anode material that is recycled during the fuel recycle process;
The measurement of the concentration of fuel in the recycled anode material,
Providing a reference material having a fuel concentration set on the reference electrode present on one side of the electrolyte membrane;
Providing a recycle anode material for measuring fuel concentration to a measurement electrode present on the other side of the electrolyte membrane; And
And measuring an open circuit voltage of a unit cell consisting of the electrolyte membrane, a reference electrode, and a measurement electrode, or a stack of unit cells stacked thereon, wherein the open circuit voltage value of the unit cell or a stack of unit cells is stacked. Is dependent on the fuel concentration in the recycle anode material.
제 16 항에 있어서,
상기 연료전지의 애노드로 최초 공급되는 연료 흐름 중 일부 흐름을 상기 기준 물질로서 제공하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 방법.
17. The method of claim 16,
And a portion of the fuel flow initially supplied to the anode of the fuel cell as the reference material.
제 16 항에 있어서,
재순환 애노드 물질 중 연료의 농도가 설정된 수준 이하로 낮아지게 되면 재순환 애노드 물질을 재순환 유로의 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 연료 재순환 방법.
17. The method of claim 16,
And when the concentration of the fuel in the recycle anode material is lowered below a predetermined level, the recycle anode material is discharged to the outside of the recycle passage.
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