KR101467901B1 - Method for optimization of operating conditions for high temperature pem fuel cells using design of experiments - Google Patents

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김민진
손영준
박구곤
배병찬
임성대
최영우
박석희
양태현
이원용
김창수
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a method for optimizing operating conditions for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell using a design of experiments. More particularly, the present invention provides a method for optimizing operating conditions for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell using a design of experiments, wherein a performance model is constructed using the result of experiments conducted according to the design of experiments and optimal operating conditions are deduced based on the constructed model in consideration of performance and durability.

Description

실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법 {METHOD FOR OPTIMIZATION OF OPERATING CONDITIONS FOR HIGH TEMPERATURE PEM FUEL CELLS USING DESIGN OF EXPERIMENTS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method,

본 발명은 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실험계획법에 의한 실험한 결과를 이용하여 성능모델을 구축하고, 구축된 모델을 근거로 성능 및 내구성을 고려하여 최적의 운전조건을 도출하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method. More specifically, the present invention relates to a method for constructing a performance model using experimental design results, The present invention relates to a method of optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method that derives an optimal operating condition in consideration of durability.

화석연료는 매장량이 매우 제한되어 있어 고갈될 수밖에 없다. 특히, 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주배출원이 화석연료이기 때문에 선진국들은 화석연료를 줄이기 위해 대체에너지나 원자력을 이용한 수소에너지 개발 등에 주력하고 있다. 대체에너지로 부각되고 있는 에너지원은 태양에너지, 풍력발전, 수소에너지, 바이오메스 등 여러 가지가 있다. 태양열이나 풍력은 보조설비를 갖추어야 하며, 집열판이나 풍차를 설치하려면 넓은 공간이 필요하며 생태계 파괴, 소음 등의 또 다른 환경문제도 발생한다. 미래에너지는 환경친화(Environmental acceptability), 경제성(Economic productibility), 수급안정성(Eternal capability) 등의 요건이 필요하다. Fossil fuels are inevitably depleted because their reserves are very limited. In particular, developed countries are focusing on the development of hydrogen energy using alternative energy or nuclear energy to reduce fossil fuels because the main source of greenhouse gases that cause global warming is fossil fuels. Energy sources that are emerging as alternative energy include solar energy, wind power generation, hydrogen energy, and biomes. Solar or wind power must be equipped with auxiliary facilities. Installation of heat collectors and windmills requires a large space, and other environmental problems such as ecosystem destruction and noise are also generated. Future energy requires requirements such as environmental acceptability, economic productability, and Eternal capability.

연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.Fuel Cell is a new environmentally friendly future energy technology that generates electrical energy from substances that are abundant on the earth, such as hydrogen and oxygen, which convert chemical energy generated by oxidation directly into electrical energy.

연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.In the fuel cell, oxygen is supplied to the cathode, hydrogen is supplied to the anode, and electrochemical reaction proceeds in the form of reverse electrolysis of water to generate electricity, heat, and water, It produces electrical energy.

도시가스 등의 연료를 사용해서 전기와 열을 생산하는 연료전지는 온실가스 감소효과와 더불어 일자리 창출효과가 매우 큰 대표적인 신성장동력 산업으로, 전 세계적으로 상용화가 적극 추진 중이다. Fuel cells that generate electricity and heat by using fuels such as city gas are a new growth engine industry that has a great effect of creating jobs as well as reducing GHG emissions. Commercialization is being promoted globally.

연료전지는 전기와 온수 양쪽이 만들어지고 가정의 광열비를 절약할 수 있으며 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다는 점을 만족의 주요 사유로 꼽는다. Fuel cells are considered to be the main reason for satisfying that both electricity and hot water can be created, saving energy and money for the home, and contributing to the prevention of global warming.

PEMFC(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 에너지 변환효율과 부하 추종성, 낮은 오염 물질 배출로 에너지 부족에 대한 친환경적인 에너지 기술이다. 하지만 기존의 PEMFC를 이용한 가정용 연료전지 시스템 (RPG, Residential Power Generator)은 이산화탄소(CO) 피독에 취약하고 물 관리가 어려워 보조설비 (BOP, Balance Of Plant)가 과도하게 필요하게 된다. 이로 인해 시스템이 크고 초기 비용이 높다. 뿐만 아니라 시스템으로부터 수급되는 온수의 온도가 낮아 열원의 활용도가 낮다. 기존 시스템의 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 인산을 담지한 폴리벤지미다졸(PBI : polybenzimidazole) 막을 사용하는 고온 PEMFC가 주목받고 있다. 이 기술은 수소 이온의 전도 매개체로써 물이 아닌 인산을 사용하며 120에서 190℃ 사이의 운전 온도 영역을 가진다. 따라서 외부 가습이 필요 없으며 캐소드(cathode) 전극층에서 증기상으로 물이 발생하기 때문에 복잡한 물 관리 문제를 해결할 수 있다. 높은 작동 온도는 CO 등의 오염물질에 대한 촉매층의 피독 저항성을 극적으로 증가시키기 때문에 연료 개질 공정을 간소화할 수 있다. 또한 스택의 온도가 외부 환경과 큰 온도차를 가져 효과적인 냉각이 가능하고 고온의 열원 회수가 가능해 열 활용도가 높다는 장점을 가지며 성능과 내구성이 운전 조건에 큰 영향을 받는다는 특징을 가진다. 그럼에도 불구하고 기존 PEMFC에 비해 고온 PEMFC에 대한 연구 기간이 짧아 운전조건에 따른 성능과 내구성에 대한 연구사례가 매우 적으며, 운전조건이 성능과 내구성에 큰 영향을 미친다는 것은 확인하였으나. 최적의 운전 조건을 제시하지는 못했다.PEMFC (Proton-Exchange Membrane Fuel Cell) is an environmentally friendly energy technology for energy shortage due to high energy conversion efficiency, load followability and low pollutant emissions. However, residential power generators (RPGs) using conventional PEMFCs are vulnerable to CO poisoning, and water management is difficult, which leads to excessive use of auxiliary equipment (BOP, Balance Of Plant). This results in a large system and high initial costs. In addition, the utilization of the heat source is low due to the low temperature of hot water supplied from the system. High-temperature PEMFCs using phosphoric acid-loaded polybenzimidazole (PBI) membranes are attracting attention as a solution to these problems of existing systems. This technique uses phosphoric acid as a conduction medium for hydrogen ions, not water, and has an operating temperature range of 120-190 ° C. Therefore, no external humidification is required, and water is generated in a vapor phase at the cathode electrode layer, thereby solving a complicated water management problem. The high operating temperature dramatically increases the poisoning resistance of the catalyst layer to contaminants such as CO, thus simplifying the fuel reforming process. In addition, the temperature of the stack has a large temperature difference with the external environment, and it has an advantage that it can be effectively cooled and can recover heat source at a high temperature, and has a high heat utilization, and its performance and durability are greatly influenced by operating conditions. Nevertheless, the study period for the high-temperature PEMFC is shorter than that of the conventional PEMFC, so there are few cases of performance and durability according to the operating conditions, and it has been confirmed that the operating conditions greatly affect the performance and durability. But did not provide optimal operating conditions.

따라서 성능과 내구성을 극대화하기 위해 운전조건의 최적화에 대한 연구가 필요하다.
Therefore, it is necessary to study optimization of operating conditions to maximize performance and durability.

한국공개특허 [10-2011-0033490]에서는 고분자 전해질 연료전지의 운전 방법이 개시되어 있다.
Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0033490 discloses a method of operating a polymer electrolyte fuel cell.

한국공개특허 [10-2011-0033490]Korean Published Patent [10-2011-0033490]

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실험계획법을 도입하여 인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 기반의 고온 PEMFC(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)의 성능과 내구성을 고려한 운전조건에 따른 모델을 개발하고, 개발된 모델을 이용하여 최적 운전 조건을 도출하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for preparing polyaniline-based polybenzimidazole (PBI) -based high temperature PEMFC The purpose of this study is to develop a model according to the operating conditions considering the performance and durability of the engine, and to derive the optimum operating condition using the developed model.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법은, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 성능 및 내구성의 예측에 필요한 특성치, 상기 특성치에 영향을 주는 인자 및 상기 인자의 인자수준을 결정하여 실험계획법에 의하여 실험 계획을 결정하는 실험계획 단계(S10); 상기 실험계획 단계(S10)에서 결정된 실험계획법에 의하여 실험하는 실험 단계(S20); 상기 실험 단계(S20)의 실험 결과를 이용하여 성능모델을 구축하는 성능모델구축 단계(S30); 및 상기 성능모델구축 단계(S30)의 결과를 이용하여 운전조건의 최적화 지점을 찾는 운전조건최적화 단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, there is provided a method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method, (S10) for determining a factor affecting the characteristic value and a factor level of the factor and determining an experimental plan according to an experimental design method; An experimental step (S20) of experimenting by the experimental design method determined in the experimental planning step (S10); A performance model building step (S30) of constructing a performance model using the experimental result of the experimental step (S20); And a driving condition optimization step (S40) of finding an optimization point of the driving condition using the result of the performance model building step (S30).

또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 특정한 실험조건(운전조건) 하에서 일정기간동안 수행하는 장기 테스트인 것을 특징으로 한다.In addition, the experiment planning step S10 is a long term test performed for a predetermined period of time under a specific experimental condition (operation condition).

또, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법을 이용하는 것을 특징으로 한다.In the experiment planning step (S10), the reaction surface method is used.

또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법의 추정식이 1차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,

Figure 112013107252218-pat00001
요인배치법, 2수준계의 일부실시법, 심플렉스 계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, if it is determined that the estimation equation of the reaction surface method is appropriate as the first-order regression model,
Figure 112013107252218-pat00001
Factor selection method, a partial arrangement method of a two-level system, and a simplex programming method.

또, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면의 추정식이 2차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,

Figure 112013107252218-pat00002
요인배치법, 3수준계의 일부실시법, 중심합성계획법, 회전계획법, 회전중심합성계획법, Box-Behnken계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.Also, in the experiment planning step (S10), if it is judged that the estimation equation of the reaction surface is appropriate as the quadratic regression model,
Figure 112013107252218-pat00002
Factor selection method, factorial method, partial implementation of 3-level system, central composite programming method, rotation programming method, rotation center composite programming method and Box-Behnken programming method.

또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 특성치 및 인자를 결정하는 변수결정 단계(S11); 및 상기 인자의 인자 수준을 결정하는 인자수준결정 단계(S12);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the experiment planning step S10 includes a variable determining step S11 for determining a characteristic value and a factor; And a factor level determination step (S12) of determining a factor level of the factor.

또, 상기 변수결정 단계(S11)의 특성치는 전압 및 단위 시간당 전압 감소율인 것을 특징으로 한다.The characteristic value of the variable determining step S11 is a voltage and a voltage reduction rate per unit time.

또한, 상기 변수결정 단계(S11)의 인자는 셀 온도, 연료 과급률 및 공기 과급률인 것을 특징으로 한다.The parameter of the variable determining step S11 is characterized by being a cell temperature, a fuel supercharging rate, and an air supercharging rate.

또, 상기 인자수준결정 단계(S12)의 인자 수준은 셀 온도를 120-190℃, 연료 과급률을 1.2-3.0, 공기 과급률을 1.5-4.0으로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the factor level of the factor level determination step S12 is characterized by setting the cell temperature to 120-190 DEG C, the fuel supercharge rate to 1.2-3.0, and the air supercharge rate to 1.5-4.0.

또한, 상기 실험 단계(S20)는 인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : Gas Defusion Electrode)을 포함하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 상기 인자에 해당하는 값을 조절하고, 상기 특성치의 측정이 가능하도록 준비하는 실험준비 단계(S21); 일정 시간 동안 셀을 상온에서 설정 온도까지 가열하는 활성화 단계(S22); 수소 및 산소 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 건 수소와, 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하는 연료공급 단계(S23); 및 일정 시간 동안 일정 전류밀도를 일정하게 인가하는 연료전지운전 단계(S24);를 포함하는 것을 특징으로 한다.The experimental step S20 is based on a Membrane Electrode Assembly (MEA) comprising a polybenzimidazole (PBI) membrane carrying phosphoric acid and a gas diffusion electrode (GDE) An experiment preparing step (S21) of adjusting a value corresponding to the factor and preparing the characteristic value to be measurable; An activation step (S22) of heating the cell from room temperature to a set temperature for a predetermined time; A fuel supply step (S23) for supplying dry hydrogen heated to the cell operating temperature by the line heater in the hydrogen and oxygen supply pipe and dry air to the anode and the cathode, respectively; And a fuel cell operation step (S24) of constantly applying a constant current density for a predetermined time.

또, 상기 활성화 단계(S22)는 셀 온도가 일정 온도에서 상기 설정온도까지 질소로 퍼지하는 것을 특징으로 한다.The activation step (S22) is characterized in that the cell temperature is purged with nitrogen from a predetermined temperature to the set temperature.

아울러, 상기 성능모델구축 단계(S30)는 성능모델을 구축하기 위한 각각의 변수에 해당되는 값을 입력하는 변수입력 단계(S31); 상기 변수입력 단계(S31)에서 입력된 값을 이용하여 회귀분석 하는 회귀분석 단계(S32); 및 상기 회귀분석 단계(S20)에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정하는 성능모델결정 단계(S33);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the performance model building step S30 includes a variable input step S31 for inputting a value corresponding to each variable for constructing a performance model; A regression analysis step S32 for regression analysis using the value input in the variable input step S31; And a performance model determination step (S33) of determining a regression equation having the highest value of R 2 (R-square) as a performance model using the regression coefficients calculated in the regression analysis step (S20) .

본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에 의하면, 실험계획법을 이용하여 불필요한 실험을 줄일 수 있는 효과가 있고, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 성능과 내구성을 고려한 운전조건에 따른 모델을 개발하며, 개발된 모델을 이용하여 최적 운전 조건을 도출할 수 있는 효과가 있다.According to the method of optimizing the operating conditions of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce unnecessary experiments by using the experimental design method, and the performance of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell It is possible to develop a model according to operating conditions considering durability and to derive optimal operating conditions using the developed model.

또한, 장기 테스트를 함으로써, 실험 대상에 열악한 환경과 조건을 부여하여 단기간 내에 수행하는 가혹조건 테스트로는 알 수 없는 특정 운전조건 하에서의 성능 및 내구성 결과를 이용하여 최적화된 특정 운전 조건을 도출할 수 있는 효과가 있다.In addition, by performing long-term tests, it is possible to derive specific optimized operating conditions by using performance and durability results under unknown operating conditions as a severe condition test performed in a short period of time, It is effective.

또, 반응표면법 및 반응표면법의 추정식에 적절한 회귀모형에 따라 그에 적합한 방법으로 실험계획을 세움으로써 보다 정확한 성능모델을 구축할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the regression model suitable for the estimation formula of the reaction surface method and the reaction surface method, it is possible to construct a more accurate performance model by setting an experimental plan according to the regression model.

또한, 특성치, 인자 및 인자수준을 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 결정함으로써, 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.In addition, the accuracy and reliability can be ensured by determining the characteristic value, the factor and the factor level so as to ensure accuracy and reliability.

또, 실험준비 단계, 활성화 단계, 연료공급 단계 및 연료전지운전 단계를 거침으로써, 실험 결과에 미치는 외부요인을 최소화하여 신뢰성 높은 실험결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.Also, by passing through the experimental preparation step, the activation step, the fuel supply step, and the fuel cell operation step, it is possible to minimize the external factors affecting the experimental results, thereby obtaining reliable experimental results.

또한, 일정 온도 구간은 질소로 퍼지함으로써 보다 높은 실혐결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.In addition, a certain temperature range is purged with nitrogen, so that a higher actual test result can be obtained.

아울러, R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정함으로써, 신뢰성이 가장 높은 성능모델을 확보할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the regression equation having the highest R 2 (R-square) value is determined as a performance model, so that the reliability model having the highest reliability can be obtained.

도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법의 순서도.
도 4는 실험을 위한 실험장치의 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법의 순서도.
도 6은 운전조건에 따른 전압을 보여주는 그래프.
도 7은 전압모델의 회귀계수를 보여주는 그래프.
도 8은 전압모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프.
도 9는 운전조건에 따른 전압의 반응표면을 보여주는 그래프.
도 10은 운전조건에 따른 내구성을 보여주는 그래프.
도 11은 내구성모델의 회귀계수를 보여주는 그래프.
도 12는 내구성모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프.
도 13은 운전조건에 따른 내구성의 반응표면을 보여주는 그래프.
도 14는 전압모델, 내구성모델 및 전압과 내구성을 고려한 모델의 목표운전 시간에 따른 성능 및 내구성을 보여주는 그래프.
1 to 3 are flowcharts of a method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of an experimental apparatus for an experiment.
5 is a flowchart of a method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing voltage according to operating conditions;
7 is a graph showing regression coefficients of a voltage model;
8 is a graph showing the comparison result between the result of the voltage model and the experimental data.
9 is a graph showing the reaction surface of a voltage according to operating conditions;
10 is a graph showing durability according to operating conditions;
11 is a graph showing regression coefficients of the durability model;
12 is a graph showing the results of comparison between the results of the durability model and the experimental data.
13 is a graph showing the durability reaction surface according to the operating conditions;
FIG. 14 is a graph showing the performance and durability of the model considering the voltage model, the durability model, and the voltage and durability according to the target operating time.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms. In addition, like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be noted that the same elements among the drawings are denoted by the same reference numerals whenever possible. Further, it is to be understood that, unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법의 순서도이고, 도 4는 실험을 위한 실험장치의 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법의 순서도이고, 도 6은 운전조건에 따른 전압을 보여주는 그래프이며, 도 7은 전압모델의 회귀계수를 보여주는 그래프이고, 도 8은 전압모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프이며, 도 9는 운전조건에 따른 전압의 반응표면을 보여주는 그래프이고, 도 10은 운전조건에 따른 내구성을 보여주는 그래프이며, 도 11은 내구성모델의 회귀계수를 보여주는 그래프이고, 도 12는 내구성모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프이며, 도 13은 운전조건에 따른 내구성의 반응표면을 보여주는 그래프이고, 도 14는 전압모델, 내구성모델 및 전압과 내구성을 고려한 모델의 목표운전 시간에 따른 성능 및 내구성을 보여주는 그래프이다.FIGS. 1 to 3 are flowcharts of a method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a conceptual diagram of an experimental apparatus for an experiment, FIG. 6 is a graph showing a voltage according to an operating condition, FIG. 7 is a graph showing a regression coefficient of a voltage model, and FIG. 9 is a graph showing the reaction surface of a voltage according to operating conditions, FIG. 10 is a graph showing durability according to operating conditions, and FIG. Fig. 12 is a graph showing the regression coefficient of the durability model, and Fig. 12 is a graph showing the results of the durability model and the experimental data And, Figure 13 is a graph showing the durability of the response surface in accordance with the operating conditions, Figure 14 is a graph showing the performance and durability of the target run time of the model taking into account the voltage model and voltage model durability and durability.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법은 실험계획 단계(S10), 실험 단계(S20), 성능모델구축 단계(S30) 및 운전조건최적화 단계(S40)를 포함한다.As shown in FIG. 1, a method of optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method according to an embodiment of the present invention includes steps of an experiment planning step (S10), an experimental step (S20) S30) and a driving condition optimization step (S40).

실험계획 단계(S10)는 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 성능 및 내구성의 예측에 필요한 특성치, 상기 특성치에 영향을 주는 인자 및 상기 인자의 인자수준을 결정하여 실험계획법에 의하여 실험 계획을 결정한다. 여기서 인자수준은 선택 가능한 인자의 범위를 말하며, 인자수준에 해당하는 범위에서 실험에 사용할 인자를 선택할 수 있다.The experimental planning step (S10) determines the characteristic values required for predicting the performance and durability of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell, the factors influencing the characteristic values and the factor levels of the factors, and determines the experimental plan according to the experimental design method. Here, the factor level refers to the range of selectable factors, and the factor to be used for the experiment can be selected in the range corresponding to the factor level.

실험계획법 (DOE, Design of Experiments)은 수리 통계학에 기반하며 불필요한 실험을 줄이고 통계적 분석을 통해 최대의 정보를 얻기 위해 실험을 계획하는 것을 말한다. 실험계획법은 어떤 요인이 반응에 유의한지 정량적으로 판단하고, 유의하지 않은 인자의 영향도와 측정오차를 판단하며, 유의한 인자의 반응에 대한 최적 값을 도출하는 것을 목적으로 한다.Design of Experiments (DOEs) is based on mathematical statistics, which means planning experiments to obtain the greatest information through statistical analysis, reducing unnecessary experiments. The purpose of the experimental design method is to quantitatively determine which factors are significant to the reaction, to determine the influence of the insignificant factors and the measurement error, and to derive the optimum value for the response of the significant factors.

실험계획법은 다음과 같은 방법으로 순차적으로 수행한다. 먼저 실험의 목적을 설정하고 특성치를 선택한 다음 특성치에 영향을 주는 인자를 결정한다. 그 후, 인자의 수준을 결정하고, 결정된 인자의 수준에서 실험에 사용할 인자의 수를 결정한 후, 실험의 목적에 맞는 실험 배치법을 선택하고 실험 계획에 따라 실험을 수행하여 결과를 분석한다.The experimental design method is performed in the following manner. First, we set the purpose of the experiment, select the characteristic value, and then determine the factors that affect the characteristic value. Thereafter, the level of the factor is determined, and the number of factors to be used in the experiment is determined at the level of the determined factor. Then, the experimental arrangement suitable for the purpose of the experiment is selected and the experiment is performed according to the experimental plan.

상기 실험계획 단계(S10)는 특정한 실험조건(운전조건) 하에서 일정기간동안 수행하는 장기 테스트인 것을 특징으로 할 수 있다.The experiment planning step S10 is a long term test performed for a predetermined period of time under a specific experimental condition (operating condition).

내구성 테스트 실험은 실험 대상에 열악한 환경과 조건을 부여하여 단기간 내에 수행하는 가혹조건 테스트와 특정한 실험 조건 하에서 장기간동안 수행하는 장기 테스트로 나눌 수 있다. The durability test experiment can be divided into a severe condition test, which is performed in a short period of time, and a long term test, which is performed for a long period of time under specific experimental conditions.

가혹조건 테스트는 상대적으로 짧은 시간을 통해 결과를 관찰할 수 있지만, 최적화된 운전조건을 도출하기 위해 필요한 특정 운전조건 하에서의 성능 및 내구성 결과는 알 수 없으나, 장기 테스트는 특정 운전조건 하에서의 성능 및 내구성 결과를 이용하여 최적화된 특정 운전 조건을 도출할 수 있다.Rigorous condition testing can observe the results over a relatively short period of time, but the performance and durability results under the specific operating conditions required to derive the optimized operating conditions are unknown, but the long term testing is based on performance and durability results under specified operating conditions Can be used to derive optimized specific operating conditions.

하지만, 장기 테스트를 통해 최적화된 특정 운전 조건을 도출하기 위해서는 시간과 경제적인 관점에서 많은 제약이 있다. 이를 극복하기 위해 실험계획법을 도입하여 실험을 수행할 수 있다.  However, there are many limitations in terms of time and economy to derive optimized operating conditions through long-term testing. In order to overcome this, experiments can be conducted by introducing experimental design method.

상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the experiment planning step S10, a reaction surface method may be used.

반응표면법(RSM, Response Surface Method)은 성능에 영향을 미치는 중요 변수에 대한 비선형 회귀식으로 정류점을 추정하여 최소의 실험으로 최적화 하는 실험계획법을 말한다. The Response Surface Method (RSM) is a nonlinear regression equation for important variables that affect performance and refers to an experimental design method that optimizes the rectification point with minimal experimentation.

상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법의 추정식이 1차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,

Figure 112013107252218-pat00003
요인배치법, 2수준계의 일부실시법, 심플렉스 계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 할 수 잇으며, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면의 추정식이 2차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,
Figure 112013107252218-pat00004
요인배치법, 3수준계의 일부실시법, 중심합성계획법, 회전계획법, 회전중심합성계획법, Box-Behnken계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 중 중심합성계획법은 회귀계수를 추정, 곡면 추정하기 위해
Figure 112013107252218-pat00005
요인실험에 중심점, 축점을 추가시킨 실험계획을 중심합성계획(CCD, Central Composite Design)이라고도 말한다. 중심점의 수를
Figure 112013107252218-pat00006
으로 나타내면 중심합성계획의 실험횟수는 모두
Figure 112013107252218-pat00007
가 된다.If it is determined that the estimation equation of the reaction surface method is appropriate as the first-order regression model,
Figure 112013107252218-pat00003
Factor layout method, a part of the 2-level system, and the simplex programming method. In the experiment planning step (S10), it is determined that the estimation equation of the reaction surface is appropriate as the second-order regression model Then,
Figure 112013107252218-pat00004
A factorial arrangement method, a partial implementation of a three-level system, a central synthetic programming method, a rotation programming method, a rotation center synthetic programming method, and a Box-Behnken programming method may be used. Among them, the central composite programming method estimates the regression coefficient,
Figure 112013107252218-pat00005
The experimental plan that adds the center point and the axis point to the factor experiment is also referred to as the central composite design (CCD). The number of center points
Figure 112013107252218-pat00006
The number of experiments in the center synthesis plan is all
Figure 112013107252218-pat00007
.

예를 들어, 인자 수준이 3인 5개의 인자를 실험하기 위해 총 243번의 실험이 필요하지만, 중심합성계획을 통한 반응표면법을 도입하는 경우 52번의 적은 실험만으로 각 인자들의 영향도와 인자들 간의 상관관계를 분석할 수 있다. 본 발명에서는 시간적 제약을 극복하고 특성치와 인자들 간의 통계적 분석을 수행하기 위해 반응표면법을 도입할 수 있다.For example, a total of 243 experiments are required to test five parameters with an argument level of 3. However, when the response surface method is introduced through the central synthesis plan, Relationships can be analyzed. In the present invention, the reaction surface method can be introduced to overcome the time limitation and perform statistical analysis between the characteristic values and the factors.

다시 말해, 반응표면법 및 반응표면법의 추정식에 적절한 회귀모형에 따라 그에 적합한 방법으로 실험계획을 세움으로써 보다 정확한 성능모델을 구축할 수 있다.
In other words, a more accurate performance model can be constructed by designing an experimental plan according to a regression model suitable for the estimation equation of the reaction surface method and the reaction surface method.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실험계획 단계(S10)는 변수결정 단계(S11) 및 인자수준결정 단계(S12)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the experiment planning step S10 may include a variable determining step S11 and an argument level determining step S12.

변수결정 단계(S11)는 특성치 및 인자를 결정한다.The variable determining step S11 determines a characteristic value and a factor.

이때, 상기 변수결정 단계(S11)의 특성치는 전압 및 단위 시간당 전압 감소율인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 변수결정 단계(S11)의 인자는 셀 온도, 연료 과급률 및 공기 과급률인 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the characteristic value of the variable determining step S11 may be a voltage and a voltage reduction rate per unit time, and the factor of the variable determining step S11 is a cell temperature, a fuel supercharging rate, and an air supercharging rate. can do.

인자수준결정 단계(S12)는 상기 인자의 인자 수준을 결정한다.The factor level determination step (S12) determines the factor level of the factor.

이때, 상기 인자수준결정 단계(S12)의 인자 수준은 셀 온도를 120-190℃, 연료 과급률을 1.2-3.0, 공기 과급률을 1.5-4.0으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the factor level of the factor level determination step S12 may be characterized by setting the cell temperature to 120-190 DEG C, the fuel supercharge rate to 1.2-3.0, and the air supercharge rate to 1.5-4.0.

다시 말해, 특성치, 인자 및 인자수준을 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 결정함으로써, 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
In other words, accuracy and reliability can be ensured by determining the characteristic value, the factor and the parameter level so as to secure accuracy and reliability.

실험 단계(S20)는 상기 실험계획 단계(S10)에서 결정된 실험계획법에 의하여 실험한다.The experimental step S20 is performed by the experimental design method determined in the experiment planning step S10.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 실험 단계(S20)는 실험준비 단계(S21), 활성화 단계(S22), 연료공급 단계(S23) 및 연료전지운전 단계(S24)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the experimental step S20 may include an experiment preparation step S21, an activation step S22, a fuel supply step S23, and a fuel cell operation step S24.

실험준비 단계(S21)는 인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : Gas Defusion Electrode)을 포함하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 상기 인자에 해당하는 값을 조절하고, 상기 특성치의 측정이 가능하도록 준비한다.The experimental preparation step (S21) is based on the membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) containing a polybenzimidazole (PBI) membrane carrying phosphoric acid and a gas diffusion electrode (GDE) Is adjusted, and the characteristic value is prepared so as to be able to be measured.

활성화 단계(S22)는 일정 시간 동안 셀을 상온에서 설정 온도까지 가열한다.The activation step S22 heats the cell from room temperature to the set temperature for a certain period of time.

여기서, 상기 활성화 단계(S22)는 셀 온도가 일정 온도에서 상기 설정온도까지 질소로 퍼지하는 것을 특징으로 할 수 있다.Here, the activation step (S22) may be characterized in that the cell temperature is purged with nitrogen from a predetermined temperature to the set temperature.

이는, 처음 운전하는 셀의 정상적인 성능을 뽑아내기 위해 활성화과정을 거치는게 좋으며, 일정 온도 구간은 질소로 퍼지함으로써 보다 높은 실혐결과를 얻을 수 있다.It is better to go through the activation process to extract the normal performance of the first operating cell, and the higher temperature can be achieved by purging the nitrogen at a certain temperature interval.

연료공급 단계(S23)는 수소 및 산소 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 건 수소와, 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급한다.The fuel supply step S23 supplies dry hydrogen and dry air heated to the cell operating temperature by the line heater in the hydrogen and oxygen supply lines to the anode and the cathode, respectively.

연료전지운전 단계(S24)는 일정 시간 동안 일정 전류밀도를 일정하게 인가한다.In the fuel cell operation step S24, constant current density is constantly applied for a predetermined time.

예를 들어, 약 1시간 동안 셀을 상온에서 160 ℃까지 가열하며, 셀 온도 80 ℃부터 160 ℃ 까지 질소로 퍼지하고, 셀 온도가 160 ℃가 되면 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 과급률 (λ : stoichiometric ratio) 1.6의 건 수소와, 과급률 2.5의 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하며 100 시간 동안 0.2 A cm-2의 전류밀도를 일정하게 인가할 수 있다.For example, if the cell is heated from room temperature to 160 ° C for about 1 hour, the cell temperature is purged from 80 ° C to 160 ° C with nitrogen, and when the cell temperature reaches 160 ° C, A dry hydrogen with a stoichiometric ratio of 1.6 and a dry air with a supercharging rate of 2.5 are supplied to the anode and the cathode respectively and the current density is constantly maintained at 0.2 A cm -2 for 100 hours can do.

다시 말해, 실험준비 단계(S21), 활성화 단계(S22), 연료공급 단계(S23) 및 연료전지운전 단계(S24)를 거침으로써, 실험 결과에 미치는 외부요인을 최소화하여 신뢰성 높은 실험결과를 얻을 수 있다.
In other words, by passing through the experimental preparation step S21, the activation step S22, the fuel supply step S23 and the fuel cell operation step S24, it is possible to obtain reliable experimental results by minimizing external factors on the experimental results have.

본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법의 실험을 위해 Basf사의 Celtec-P 1000 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 사용하였다. 이 MEA는 23.9cm2의 활성면적을 가지며, 인산이 담지된 PBI 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : Gas Defusion Electrode)을 사용한다. 분리판(BP : Bipolar Plate)은 카본 성형 분리판이며, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 양쪽 모두 동일한 기하학적 구조로 3채널 병렬 사형, 립(Lip) 폭 1 mm, 립 깊이 1 mm, 랜드(land) 폭 1 mm, 유로길이 280 mm를 가진다. 셀의 체결 두께를 일정하게 하기 위하여 Basf사의 고온 내열성 폴리머 하드타입 가스켓을 사용하였다. 체결된 단위 셀의 금을 하여 집전판 역할을 하도록 하였으며 셀 상단에 셀과 부하, 감지선을 연결하기 위한 구멍이 있다. 볼트를 통한 종판 간의 합선을 방지하기 위해 절연 가스켓과 테플론을 사용하였다. 체결 볼트 수는 4개 였으며 균일한 체결압을 위해 토크랜치를 이용하였다. 분리판과 종판 간의 접촉저항 및 누수를 감소시키기 위하여 그라파이트 시트를 사용하였다.The Celtec-P 1000 Membrane Electrode Assembly (MEA) of Basf was used for the experiment of the optimization method of operating conditions of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design according to one embodiment of the present invention. The MEA has an active area of 23.9 cm 2, and uses a phosphoric acid-supported PBI film and a carbon fiber gas diffusion electrode (GDE: Gas Defusion Electrode). Bipolar Plate (BP) is a carbon molded separator. Both the anode and the cathode have the same geometrical structure and have a 3-channel parallel pattern, a lip width of 1 mm, a lip depth of 1 mm, a land land width of 1 mm and channel length of 280 mm. A high heat resistant polymer hard type gasket made by Basf was used to make the thickness of the cell tight. The attached unit cell is made of gold to serve as a collecting plate. There is a hole at the top of the cell for connecting the cell, the load and the sensing wire. Insulation gaskets and Teflon were used to prevent shorting between the end plates through the bolts. The number of fastening bolts was 4, and a torque wrench was used for uniform tightening pressure. A graphite sheet was used to reduce the contact resistance and leakage between the separator plate and the end plate.

도 4는 테스트 스테이션(test station)의 도식을 보여준다. 셀은 퍼니스 내부에서 PID 컨트롤러에 의해 외부에서 조절되며, 셀의 사이즈가 충분히 작아 온도 구배가 크지 않으므로 셀과 EP(End Plate, 셀을 채결하기 위한 가장 바깥쪽 지지판)의 온도가 같다고 가정하였으며 셀 온도 값으로 EP의 중심부의 온도를 측정하였다. Figure 4 shows a schematic of a test station. The cell is externally controlled by the PID controller inside the furnace. Since the cell size is sufficiently small and the temperature gradient is not large, it is assumed that the temperature of the cell and EP (End Plate, the outermost supporting plate for cell joining) The temperature of the center of the EP was measured.

셀의 캐소드와 애노드에 공급되는 반응물은 선 가열기를 이용하여 셀 온도까지 승온시킨다. 로드(load) 및 데이터 수집 장치로 Bio Logic사의 HCP-803을 사용하였다. 통계 분석 및 회귀식 개발을 위해 상용 소프트웨어 Minitab 16을 사용하였다.The reactants supplied to the cathode and the anode of the cell are heated to a cell temperature using a line heater. HCP-803 from Bio Logic was used as a load and data collection device. Minitab 16 was used for statistical analysis and regression.

모든 실험 동안 애노드에는 H2 80 %, CO2 17 %, CH4 2 %, CO 1 %의 농도를 가지는 혼합가스를 사용하였으며, 캐소드에는 산화물로써 건공기를 사용하였다.For all experiments, a mixed gas with 80% H 2 , 17% CO 2 , CH 2 4 % and CO 1% was used for the anode and dry air was used as the oxide for the cathode.

다시 말해, 성능과 내구성을 고려하여 인산이 담지된 PBI 막을 이용한 고온 PEMFC의 운전 조건을 최적화화 하기 위해서, 특성치는 셀 성능(전압)과 내구성(단위 시간당 전압 감소율)로 결정했다. 인자의 수준을 좁게 결정하여 반응표면의 정류점을 벗어난 영역으로 설정하면 회귀 방정식을 통해 최적해를 구할 수 없으며, 인자 수준을 너무 넓게 결정하면 신뢰성 있는 정류점을 구할 수 없기 때문에 신뢰성 있는 회귀 방정식을 구하기 힘들다. 따라서 인자의 수준은 신중히 결정해야 한다. 특성치에 영향을 주는 인자와 인자 수준은 셀 온도 (150-170 ℃), 연료 과급률 (1.2-2.0), 공기 과급률 (2.0-3.0)로 결정했다. 여기서 인자 수준은 PEMFC 운전 시 일반적으로 많이 적용되는 범위 내에서 설정하였다. 실험 배치법은 축점이 설계변수의 수준을 초과하지 않도록 하기위해 축점 거리를 나타내는 α가 1인 면 중심 설계면 중심 설계 (CCF : Central Composite Face centered designs)를 사용하였다.In other words, in order to optimize the operating conditions of the high-temperature PEMFC using phosphoric acid-loaded PBI membrane in consideration of performance and durability, the characteristic values were determined by cell performance (voltage) and durability (voltage reduction rate per unit time). If the level of the factor is narrowed and it is set as an area outside the rectification point of the reaction surface, the optimal solution can not be obtained through the regression equation. If the factor level is too wide, a reliable rectification point can not be obtained. Therefore, a reliable regression equation Hard. Therefore, the level of the factor must be determined carefully. Factors and factors affecting the characteristics were determined by cell temperature (150-170 ℃), fuel supercharging rate (1.2-2.0), and air supercharging rate (2.0-3.0). In this case, the parameter level is set within the range that is generally applied in the PEMFC operation. In order to prevent the axial point from exceeding the level of the design variables, the experimentally arranged method uses a central composite face centered design (CCF) with α = 1 indicating the axial distance.

각 운전조건에 따른 성능 및 내구성 실험 순서와 결과를 표 1에 나타냈다. Table 1 shows the performance and durability test results and results according to each operating condition.

Run
Order
Run
Order
FuelλFuelλ AirλAir? T
(℃)
T
(° C)
Voltage(V)Voltage (V) voltage drop
(μVh-1)
전압 drop
(μVh -1 )
1One 1.61.6 2.52.5 160160 0.63040.6304 31.51031.510 22 1.61.6 2.02.0 160160 0.62430.6243 44.95044.950 33 1.61.6 2.52.5 160160 0.63100.6310 38.00038,000 44 2.02.0 3.03.0 150150 0.61080.6108 2.6902.690 55 2.02.0 2.02.0 150150 0.60290.6029 16.78316.783 66 1.61.6 2.52.5 150150 0.59740.5974 4.6044.604 77 1.21.2 2.02.0 150150 0.51220.5122 33.75333.753 88 1.21.2 3.03.0 150150 0.51820.5182 22.25322.253 99 1.61.6 2.52.5 160160 0.63250.6325 31.59031.590 1010 1.61.6 3.03.0 160160 0.63700.6370 27.70627.706 1111 1.21.2 2.52.5 160160 0.60000.6000 53.12953.129 1212 1.61.6 2.52.5 160160 0.63390.6339 41.06641.066 1313 1.61.6 2.52.5 170170 0.65120.6512 45.96145.961 1414 2.02.0 2.02.0 170170 0.64860.6486 103.802103.802 1515 1.21.2 3.03.0 170170 0.63650.6365 88.20088.200 1616 2.02.0 3.03.0 170170 0.65660.6566 50.20150.201 1717 1.21.2 2.02.0 170170 0.62840.6284 107.598107.598 1818 1.61.6 2.52.5 160160 0.63370.6337 31.51031.510 1919 2.02.0 2.52.5 160160 0.63790.6379 17.76517.765 2020 1.61.6 2.52.5 160160 0.63370.6337 41.06641.066

CCF에 따르는 총 20회의 실험은 요인실험점; 8회 중심점; 6회, 축점; 6회를 포함하며 각 실험 조건은 셀 온도(150, 160, 170 ℃), 연료 과급률(1.2, 1.6, 2.0), 공기 과급률(2.0, 2.5, 3.0) 이다. A total of 20 experiments according to CCF were conducted at the factor test points; 8 times center point; 6 times, Axis; The experimental conditions are cell temperature (150, 160, 170 ℃), fuel supercharging rate (1.2, 1.6, 2.0) and air supercharging rate (2.0, 2.5, 3.0).

실험 범위 내에서 전류밀도 0.2 A cm-2일 때 성능과 내구성은 각각 0.5122-0.6566 V, 2.69-103.802 μV h-1범위 내로 나타났다. The performance and durability were within 0.5122-0.6566 V and 2.69-103.802 μV h -1 , respectively, when the current density was 0.2 A cm -2 within the experimental range.

본 발명에 대한 검증의 예로 상기와 같은 실험을 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 적용이 가능하다.
Although the above-described experiment has been performed as an example of the verification of the present invention, the present invention is not limited thereto, and various applications are possible.

성능모델구축 단계(S30)는 상기 실험 단계(S20)의 실험 결과를 이용하여 성능모델을 구축한다.The performance model building step S30 constructs a performance model using the experimental result of the experimental step S20.

이때, 상기 성능모델구축 단계(S30)는 변수입력 단계(S31), 회귀분석 단계(S32) 및 성능모델결정 단계(S33)를 포함할 수 있다.At this time, the performance model building step S30 may include a variable input step S31, a regression analysis step S32, and a performance model determination step S33.

변수입력 단계(S31)는 성능모델을 구축하기 위한 각각의 변수에 해당되는 값을 입력한다.The variable input step S31 inputs a value corresponding to each variable for constructing the performance model.

회귀분석 단계(S32)는 상기 변수입력 단계(S31)에서 입력된 값을 이용하여 회귀분석 한다.The regression analysis step S32 regression analysis is performed using the value input in the variable input step S31.

회귀분석은 특성치의 변화를 제어인자의 조합으로 설명하는 다변량 분석기법을 말한다. Regression analysis refers to a multivariate analysis technique that explains the variation of characteristics by a combination of control factors.

모집단에 대한 설명, 예측 및 예측치의 추정, 확대해석, 회귀식의 모수추정, 통제 모형의 선정 상관관계, 상호관련성 파악, 관계의 크기와 유의도, 관계의 성격(부호)를 구하기 위해 회귀분석을 사용하며, 종속변수 Y 를 설명하는데 k 개의 독립변수인 X1, X2, …, Xk 를 도입할 때 다중회귀모형은 다음과 같이 정의된다.The regression analysis was performed to obtain the description of the population, the estimation of the prediction and the prediction, the extension analysis, the parameter estimation of the regression equation, the selection correlation of the control model, the correlation evaluation, the size and significance of the relationship, And the independent variable X1, X2, ... , And Xk, the multiple regression model is defined as follows.

Figure 112013107252218-pat00008
Figure 112013107252218-pat00008

(여기서

Figure 112013107252218-pat00009
는 추정되어야 할 회귀계수들이며,
Figure 112013107252218-pat00010
는 서로 독립이고 동일한 분포
Figure 112013107252218-pat00011
을 따르는 오차항을 나타낸다.
Figure 112013107252218-pat00012
Figure 112013107252218-pat00013
번째 독립변수
Figure 112013107252218-pat00014
의 회귀계수를 의미하는데,
Figure 112013107252218-pat00015
를 제외한 다른 모든 독립변수의 값이 고정된 상태에서
Figure 112013107252218-pat00016
의 값이 한 단위 증가할 때의
Figure 112013107252218-pat00017
값의 평균변화량을 나타낸다. 그리고
Figure 112013107252218-pat00018
는 독립변수
Figure 112013107252218-pat00019
Figure 112013107252218-pat00020
번째 관측치를 의미한다.) (here
Figure 112013107252218-pat00009
Are the regression coefficients to be estimated,
Figure 112013107252218-pat00010
Are independent of each other and have the same distribution
Figure 112013107252218-pat00011
Lt; / RTI >
Figure 112013107252218-pat00012
The
Figure 112013107252218-pat00013
Th independent variable
Figure 112013107252218-pat00014
, Which is the regression coefficient,
Figure 112013107252218-pat00015
All other variables are fixed
Figure 112013107252218-pat00016
When the value of
Figure 112013107252218-pat00017
Represents the average change amount of the value. And
Figure 112013107252218-pat00018
Is independent variable
Figure 112013107252218-pat00019
of
Figure 112013107252218-pat00020
Means the second observation.)

위의 회귀모형은 각 독립변수에 대한 1차 항만을 포함하고 있는데 경우에 따라서는 2차항 이상의 고차항이나 교호작용항이 모형에 다음과 같이 포함될 수 있다.The regression model above includes the first term for each independent variable. In some cases, the second term or higher term or interplay term may be included in the model as follows.

Figure 112013107252218-pat00021
Figure 112013107252218-pat00021

Figure 112013107252218-pat00022
Figure 112013107252218-pat00022

고차항은 그 독립변수와 비선형관계에 있을 때 적합시키기 위한 것으로 고차항이 포함된 식과 같은 모형을 다항식모형이라고 한다.Higher order terms are used to fit when there is a nonlinear relationship with the independent variable. A model such as a formula with a higher order term is called a polynomial model.

다중회귀모형은 Y항, X항, 모수, 오차를 각각 벡타와 행렬로 표현함으로써 간단한 형태로 나타낼 수 있다.Multiple regression models can be expressed in simple form by expressing Y, X, parameter and error as vectors and matrices, respectively.

Figure 112013107252218-pat00023

Figure 112013107252218-pat00023

이 때 다중회귀모델은 다음과 같은 간단한 형태로 나타낼 수 있다.In this case, the multiple regression model can be expressed in the following simple form.

Figure 112013107252218-pat00024
Figure 112013107252218-pat00024

오차항 벡타

Figure 112013107252218-pat00025
은 정규분포를 따르는
Figure 112013107252218-pat00026
개의 확률변수
Figure 112013107252218-pat00027
들로 이루어졌기 때문에 다변량 정규분포를 따른다. Miscellaneous vector
Figure 112013107252218-pat00025
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112013107252218-pat00026
Random variables
Figure 112013107252218-pat00027
And therefore follows a multivariate normal distribution.

회귀계수들의 추정은 최소자승법에 근거한다. 오차항의 제곱합

Figure 112013107252218-pat00028
는 다음과 같이 표현된다.Estimation of regression coefficients is based on least squares. Sum of squared errors
Figure 112013107252218-pat00028
Is expressed as follows.

Figure 112013107252218-pat00029
Figure 112013107252218-pat00029

최소자승법에 의한 회귀계수의 추정은 제곱합

Figure 112013107252218-pat00030
를 각
Figure 112013107252218-pat00031
에 대하여 편미분하고 이를 0으로 하는 다음과 같은 연립방정식을 풀어
Figure 112013107252218-pat00032
들을 구하는 것이다.The estimation of the regression coefficient by the least squares method
Figure 112013107252218-pat00030
Respectively
Figure 112013107252218-pat00031
And solves the following simultaneous equations to 0
Figure 112013107252218-pat00032
.

Figure 112013107252218-pat00033
Figure 112013107252218-pat00033

Figure 112013107252218-pat00034
Figure 112013107252218-pat00034

위의 연립방정식을 만족하는

Figure 112013107252218-pat00035
Figure 112013107252218-pat00036
라 하면 다음 관계가 성립하는데 이를 정규방정식이라 한다.Satisfy the simultaneous equations above
Figure 112013107252218-pat00035
To
Figure 112013107252218-pat00036
The following relation is established, which is called a normal equation.

Figure 112013107252218-pat00037
Figure 112013107252218-pat00037

Figure 112013107252218-pat00038

Figure 112013107252218-pat00038

위 정규방정식을 벡타-행렬식으로 표현하면 다음과 같다.The above normal equation is expressed as a vector-determinant.

Figure 112013107252218-pat00039
Figure 112013107252218-pat00039

여기서

Figure 112013107252218-pat00040
Figure 112013107252218-pat00041
의 전치행렬을 의미하며,
Figure 112013107252218-pat00042
의 최소자승추정량은 다음과 같다.here
Figure 112013107252218-pat00040
The
Figure 112013107252218-pat00041
≪ / RTI >
Figure 112013107252218-pat00042
The least squares estimate of

Figure 112013107252218-pat00043
Figure 112013107252218-pat00043

여기서

Figure 112013107252218-pat00044
Figure 112013107252218-pat00045
의 역행렬을 의미한다.here
Figure 112013107252218-pat00044
The
Figure 112013107252218-pat00045
≪ / RTI >

성능모델결정 단계(S33)는 상기 회귀분석 단계(S20)에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정한다.
The performance model determination step S33 uses the regression coefficients calculated in the regression analysis step S20 to determine a regression equation having the highest R 2 (R-square) as a performance model.

성능에 대한 회귀분석 결과를 표 2에 나타냈다. Table 2 shows the regression results for performance.

FactorsFactors uncodeduncoded codedcoded ConstantConstant -4.35011-4.35011 0.633560.63356 H2 λH 2 λ 1.101271.10127 0.026160.02616 O2 λO 2 λ 0.086720.08672 0.004260.00426 TT 0.045340.04534 0.037980.03798 H2 λ * H2 λH 2 ? * H 2 ? -0.10108-0.10108 -0.01617-0.01617 O2 λ * O2 λO 2 ? * O 2 ? -0.01771-0.01771 -0.00443-0.00443 T * TT * T -0.00011-0.00011 -0.01079-0.01079 H2 λ * O2 λH 2 ? * O 2 ? 0.001050.00105 0.000210.00021 H2 λ * TH 2 ? * T -0.00447-0.00447 -0.01788-0.01788 O2 λ * TO 2 ? * T 0.000050.00005 0.000270.00027

도 6은 각 운전 조건에 따른 전압을 보여준다. 공기 과급률, 연료 과급률 온도의 변화에 따라 성능이 각각 13.6 mV, 37.9 mV, 53.8 mV 증가했다. 실험 조건 내에서 3개의 운전 조건 중 성능에 대한 온도의 의존도가 가장 크며 공기에 의한 성능 변화는 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 연료에 의한 성능 변화는 인자 수준이 -1에서 0으로 변화할 때 600.0 mV에서 633.0 mV로 33 mV로 크게 증가한 반면에, 0에서 1로 변화할 때 633.0 mV에서 637.9 mV로 4.9mV밖에 증가하지 않았다. 모든 운전 조건에서 인자수준이 -1에서 0으로 변화할 때가 0에서 1로 변화할 때보다 더 큰 변화를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 성능에 대한 각 인자들의 영향은 비선형적으로 나타나는 것을 확인 할 수 있다.6 shows the voltages according to the respective operating conditions. Performance increased by 13.6 mV, 37.9 mV, and 53.8 mV, respectively, with changes in air supercharging rate and fuel supercharging temperature. In the experimental conditions, the dependence of the temperature on the performance is the largest among the three operating conditions, and the change in performance due to the air is relatively small. The performance change by fuel increased significantly from 600.0 mV to 633.0 mV as the parameter level changed from -1 to 0, to 33 mV, while from 0 to 1 there was only 4.9 mV increase from 633.0 mV to 637.9 mV . It can be seen that the change in the parameter level from -1 to 0 is greater than that from 0 to 1 in all operating conditions. Therefore, it can be seen that the influence of each factor on performance is nonlinear.

회귀분석결과 회귀모델이 얼마나 실험 데이터를 잘 설명하고 반영하는지 나타내는 수치인 R-square 가 98.29 %로 성능 모델은 매우 유의했다.Regression analysis The performance model was very significant, with R-square of 98.29% indicating how well the regression model explained and reflected the experimental data.

도 7은 전압모델의 회귀계수를 보여주는 그래프이다. 표 2의 uncoded 계수는 각 계수의 절대 값을 나타내며 회귀방정식의 각 계수를 나타낸다. coded 계수는 각 계수의 영향도 분석을 위한 값이다. 도 7에서 온도와 연료 과급률에 의한 영향이 매우 큰 반면 공기 과급률에 의한 영향은 적게 나타난다. 하지만 세 운전 변수 모두 성능에 긍정적 영향을 미치는 인자인 것을 확인할 수 있다. 7 is a graph showing the regression coefficients of the voltage model. The uncoded coefficients in Table 2 represent the absolute values of each coefficient and represent the coefficients of the regression equation. The coded coefficient is a value for analyzing the influence of each coefficient. In Fig. 7, the influence of temperature and fuel supercharging rate is very large, while the influence of air supercharging rate is small. However, all three operating variables have a positive effect on performance.

성능(전압)의 회귀방정식은The regression equation of performance (voltage)

Figure 112013107252218-pat00046
Figure 112013107252218-pat00046

이다.to be.

도 8은 성능의 회귀방정식에 의해 추정된 모델 결과와 실험 데이터를 비교한 것이다. 모델 예측 값이 실험값을 잘 추정한다. 온도와 연료 과급률이 낮은 7번 8번 모델에서 성능이 매우 낮으며 온도가 150 ℃ (4-8번 실험)일 때 다른 인자들에 대한 영향이 매우 큰 반면 170 ℃ (13-17번 실험)일 때는 상대적으로 작게 나타나는 것을 관찰할 수 있다.
Figure 8 compares the model results estimated by regression equations of performance with experimental data. The model predictive value estimates the experimental value well. Performance at very low temperature and fuel ratios of 8 and 7 is very low and the effect on other factors is very high when the temperature is 150 ℃ (4-8 experiments), whereas 170 ℃ (experiments 13-17) It can be observed that it is relatively small.

도 9는 두 운전 조건에 따른 전압의 반응표면을 나타낸 것으로, (a)에서 연료 과급률에 의한 영향이 매우 큰 반면 공기 과급률에 의한 영향은 작게 나타났고, (b)에서 연료 과급률과 온도에 의한 영향이 크게 나타났으며, 온도가 낮을 때 연료 과급률의 영향이 큰 반면 온도가 높을 때는 그 영향이 상대적으로 작게 나타났고, (c)에서 공기 과급률에 의한 영향은 상대적으로 작고 온도에 의한 영향은 크게 나타났다. Fig. 9 shows the response surface of the voltage according to the two operating conditions. In (a), the influence by the fuel supercharging rate is very large, while the influence by the air supercharging rate is small. In (b) (C), the influence of the air supercharging rate is relatively small, and the influence of the temperature of the fuel is relatively small. On the other hand, when the temperature is high, the influence of the fuel supercharger is relatively large. .

도 9의 세 그래프에서 모두 세 운전변수가 클 때 때 성능이 높게 나타났다. 하지만 공기 과급률과 연료 과급률은 정류점이 인자 범위 내의 높은 인자 수준에서 최대점으로 정류점이 나타난 반면, 온도는 정류점이 나타나지 않았다. 따라서 실험범위의 온도보다 더 높은 온도에 정류점이 있을 것으로 예측된다. 하지만 본 연구 에서는 내구성도 고려하기 때문에 실험 범위가 적절하다고 판단된다.
In the three graphs of FIG. 9, the performance was high when all three operating variables were large. However, the air supercharging rate and the fuel supercharging rate showed the rectification point at the maximum point at the high factor level within the factor range, while the rectification point did not appear at the rectification point. Therefore, it is expected that there will be a rectification point at a temperature higher than the temperature of the experimental range. However, since the durability is also considered in this study, the range of the experiment is appropriate.

내구성에 대한 회귀분석 결과를 표 3에 나타냈다. Table 3 shows the regression results for durability.

FactorsFactors uncodeduncoded codedcoded ConstantConstant -670.289-670.289 31.76431.764 H2 λH 2 λ -139.084-139.084 -11.369-11.369 O2 λO 2 λ -8.829-8.829 -11.584-11.584 TT 7.7947.794 31.56831.568 H2 λ * H2 λH 2 ? * H 2 ? 60.77260.772 9.7249.724 O2 λ * O2 λO 2 ? * O 2 ? 42.41642.416 10.60410.604 T * TT * T -0.004-0.004 -0.441-0.441 H2 λ * O2 λH 2 ? * O 2 ? -22.998-22.998 -4.600-4.600 H2 λ * TH 2 ? * T -0.164-0.164 -0.658-0.658 O2 λ * TO 2 ? * T -1.185-1.185 -5.926-5.926

도 10에 내구성에 대한 공기 과급률과 연료 과급률, 온도의 영향을 그래프로 나타냈다. 그래프를 통해 온도, 공기 과급률, 연료 과급률 순으로 인자 수준의 변화에 따른 성능 감소율의 변화가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.FIG. 10 graphically shows the influence of air supercharging rate, fuel supercharging rate and temperature on durability. From the graph, it can be seen that the performance decrease rate varies with the change of the factor level in the order of temperature, air supercharging rate, and fuel supercharging rate.

하지만 온도가 증가할 때 성능 감소율이 증가하는 반면에 연료 과급률과 공기 과급률이 증가할 때 성능 감소율이 줄어드는 경향을 보인다. 뿐만 아니라, 성능 감소율에 대한 온도의 영향이 비선형적인 반면 공기 과급률과 연료 과급률은 선형적으로 나타난다.However, as the temperature increases, the performance decrease rate increases, while the fuel increase rate and the air supercharge rate tend to decrease. In addition, the effect of temperature on the performance reduction rate is nonlinear, while the air and fuel supercharges are linear.

회귀 분석 결과 R-square 값이 93.66%로 성능 회귀모델(98.29%)보다는 다소 낮지만 충분히 유의한 것으로 판단된다. Regression analysis showed that the R-square value was 93.66%, which is somewhat lower than the performance regression model (98.29%), but it is considered to be significant.

도 11은 내구성모델의 회귀계수를 보여주는 그래프이다.11 is a graph showing regression coefficients of the durability model.

내구성(단위시간당 전압 감소율)의 회귀방정식은The regression equation of durability (voltage drop rate per unit time)

Figure 112013107252218-pat00047
Figure 112013107252218-pat00047

이다.to be.

도 11에서 성능 감소율에 대한 온도의 직접적인 영향은 매우 크고 양의 값으로 나타난다. 반면에 성능 감소율에 대한 연료 과급률과 공기 과급률의 직접적인 영향은 온도에 대한 영향에 비해 상대적으로 작게 나타나며 음의 값으로 나타난다. 또한 성능 감소율에 대한 2차 연료 과급률과 공기 과급률의 상관관계는 크게 나타나는 반면에 온도 상관관계는 작게 나타난다.
In Figure 11, the direct effect of temperature on the performance reduction rate is very large and appears to be a positive value. On the other hand, the direct effect of the fuel supercharger rate and the air supercharger rate on the performance reduction rate is relatively small compared to the influence on the temperature and appears as a negative value. Also, the correlation between the secondary fuel supercharger rate and the air supercharging rate for the performance reduction rate is large, while the temperature correlation is small.

도 12는 내구성의 회귀방정식에 의해 추정된 모델 결과와 실험 데이터를 비교한 것이다. 모델 예측 값이 실험값과 잘 맞는 것을 확인할 수 있다. 성능 모델과는 다르게 내구성 모델은 온도가 낮을 때 다른 운전조건에 따른 내구성의 의존도가 상대적으로 작고 고온일 때 의존도가 더 크게 나타났다. 도 13은 두 개의 운전 조건에 따른 내구성의 반응표면을 나타낸 것이다. (a)에서 공기 과급률과 연료 과급률이 증가하면 성능 감소율이 감소하고 아래로 볼록한 반응 표면을 보인다. (b)에서 연료 과급률이 증가하면 성능 감소율이 감소하고 온도가 증가하면 크게 증가한다. (c)에서 공기 과급률이 증가하면 성능 감소율이 감소하고 온도가 증가하면 증가한다. (b)와 (c)의 반응 표면이 안장형의 모양을 하고 있는 것을 확인할 수 있다.Figure 12 compares the model results estimated from regression equations of durability with experimental data. It can be confirmed that the model predicted value matches the experimental value. Unlike the performance model, the durability model has a relatively low dependence of durability under different operating conditions when the temperature is low, and a greater dependency when the temperature is high. Figure 13 shows the durability response surface according to two operating conditions. In (a), as the air supercharging rate and the fuel supercharging rate increase, the performance reduction rate decreases and the convex reaction surface shows downward. In (b), as the fuel supercharging rate increases, the performance reduction rate decreases and increases as the temperature increases. In (c), as the air supercharging rate increases, the performance reduction rate decreases and increases as the temperature increases. it can be seen that the reaction surfaces of (b) and (c) have a saddle shape.

아울러, R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정함으로써, 신뢰성이 가장 높은 성능모델을 확보할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the regression equation having the highest R 2 (R-square) value is determined as a performance model, so that the reliability model having the highest reliability can be obtained.

운전조건최적화 단계(S40)는 상기 성능모델구축 단계(S30)의 결과를 이용하여 운전조건의 최적화 지점을 찾는다.The optimization step S40 of the optimization of the driving condition is performed by using the result of the performance model building step S30.

본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에서는 목표 운전시간동안 성능을 최대화 할 수 있는 운전조건을 찾는 것이 목표이므로 목표 운전시간 동안의 셀 평균 전압을 목적함수로 정의하고, 작동온도, 산소 과급률, 수소 과급률을 결정변수로 정의할 수 있다.In the method of optimizing the operation conditions of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design according to the embodiment of the present invention, it is aimed to find an operation condition that maximizes the performance during the target operation time, It is defined as an objective function, and the operating temperature, oxygen supercharging rate, and hydrogen supercharging rate can be defined as determining variables.

셀의 수명은 셀 전압이 최초로 0.55V 밑으로 떨어질 때로 정할 수 있으며, 각 결정변수의 범위는 인자 수준과 동일하게 할 수 있다. The lifetime of a cell can be determined when the cell voltage drops below 0.55 V for the first time, and the range of each decision variable can be the same as the factor level.

목표운전 시간에 따른 최적화 값을 표 4에 나타냈다. Table 4 shows the optimization values according to the target driving time.

run timerun time H2 λH2? O2 λO2? 온도Temperature 전압 VVoltage V 전압 강하율
μV
Voltage drop rate
μV
평균
전압 V
Average
Voltage V
1One 20002000 1.701.70 2.762.76 170.0170.0 0.6630.663 53.6753.67 0.6090.609 22 20002000 1.861.86 2.712.71 150.0150.0 0.6080.608 1.831.83 0.6060.606 33 10001000 1.791.79 2.852.85 167.6167.6 0.6600.660 44.3144.31 0.6370.637 44 20002000 1.941.94 2.812.81 157.9157.9 0.6400.640 17.7117.71 0.6220.622 55 40004000 1.991.99 2.742.74 150.0150.0 0.6130.613 0.050.05 0.6130.613 66 60006000 1.961.96 2.732.73 150.0150.0 0.6120.612 0.010.01 0.6120.612

1번과 2번은 각각 초기 성능과 내구성만을 고려했을 경우 2000시간 동안의 최적 운전 조건을 나타낸다. 1번에서 초기 성능만을 높이기 위해 최적화된 온도가 170 ℃이고 따라서 전압 강하율이 큰 것을 확인할 수 있다. 2번에서는 내구성만을 고려하여 운전 온도가 150 ℃로 낮고 전압 강하율이 낮은 대신 초기 성능이 매우 낮게 나타난다.1 and 2 show the optimum operating conditions for 2000 hours when only initial performance and durability are considered. It can be seen that the optimized temperature is 170 ° C in order to increase the initial performance only at No. 1 and thus the voltage drop rate is large. In the case of No. 2, only the durability is considered, and the initial performance is very low instead of the operation temperature is 150 ° C. and the voltage drop rate is low.

3-6번은 목표 운전 시간 동안 성능과 내구성을 동시에 고려한 모델의 최적운전 조건과 평균 전압을 보여준다. 1, 2, 4번을 비교했을 경우 개발한 모델의 평균 전압 값이 성능 모델이나 내구성 모델에 비해 현저히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단기 운전인 3번에서의 최적 점은 내구성이 낮은 대신 초기 성능이 높지만 목표운전시간이 증가함에 따라 최적화를 위해 운전온도가 감소하여 150 ℃가 되고 공기 과급률이 소폭 감소하게 된다. 3-6 shows the optimum operating conditions and average voltage of the model considering both performance and durability during the target operating time. 1, 2, and 4, it can be seen that the average voltage value of the developed model is significantly increased compared with the performance model and the durability model. The optimal point in the short-term operation No. 3 is low durability, but the initial performance is high. However, as the target operation time increases, the operating temperature decreases to 150 ° C for optimization and the air supercharge rate is slightly reduced.

목표 운전 시간이 짧을 경우 초기 성능에 초점을 맞추는 것이 유리한 반면 장기 운전을 위해서는 내구성에 초점을 맞추는 것이 더 유리한 것을 알 수 있다.
While it is advantageous to focus on initial performance when the target operating time is short, it is more advantageous to focus on durability for long-term operation.

본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에서는 인산이 담지된 PBI 기반의 PEMFC의 운전 최적화를 위해 성능과 내구성을 고려한 운전 조건에 따른 통계 모델을 개발하였다. 경제적인 관점에서 실험 시간을 줄이고 체계적인 통계적 분석을 위해 반응표면 분석법을 도입하였으며, 표면중심합성계획을 적용하였다. 성능 모델과 내구성 모델은 실험 결과와 잘 일치하였으며, 실험 범위 영역 내에서 성능에 대한 셀 온도와 연료 과급률의 영향은 각각 26.9, 18.9 mV/level로 큰 반면 공기 과급률의 영향은 6.8 mV/level로 상대적으로 작았으며 모든 운전 변수는 성능에 긍정적인 영향을 가졌다. 내구성에 대한 온도의 영향은 크고 부정적인 영향을 미치나 연료 과급률과 공기 과급률의 영향은 상대적으로 작았으며 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.In order to optimize the operation of PEMFC based on PBT with phosphoric acid, we developed a statistical model according to the operating conditions considering performance and durability in the method of optimizing the operation condition of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design method according to one embodiment of the present invention Respectively. From the economic viewpoint, we reduced the experiment time, introduced the response surface methodology for systematic statistical analysis, and applied the surface-centered synthesis plan. The performance and durability models were in good agreement with the experimental results. The effect of cell temperature and fuel supercharging rate on performance was 26.9 and 18.9 mV / level, respectively, while the effect of air supercharging rate was 6.8 mV / level , And all operating variables had a positive effect on performance. The effect of temperature on durability was large and negative, but the effects of fuel and air supercharges were relatively small and had a positive effect.

목표 운전 시간 2000h일 때, 초기 성능과 내구성을 고려하여 최적화된 운전조건은 초기 성능 또는 내구성만을 고려했을 때에 비해 평균전압을 각각 13 mV, 16 mV만큼 증가시켰다. 결론적으로, 실험 범위 내에서 시간에 따른 최적화 모델을 개발하여 최적 운전 조건을 도출했다. 짧은 목표 운전 시간일 때는 초기 성능에 초점을 맞추는 것이 유리하며 목표 운전 시간이 증가함에 따라 내구성에 초점을 맞춘 운전 설계가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.
When the target operation time is 2000h, the optimized operation conditions considering initial performance and durability increased the average voltage by 13 mV and 16 mV, respectively, compared with the initial performance or durability alone. In conclusion, we developed an optimization model over time within the experimental range to derive optimal operating conditions. It has been found that focusing on initial performance at a short target operating time is advantageous and that a driving design focused on durability is required as the target operating time increases.

결론적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에 의하면, 실험계획법을 이용하여 불필요한 실험을 줄이고, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 성능과 내구성을 고려한 운전조건에 따른 모델을 개발하며, 개발된 모델을 이용하여 최적 운전 조건을 도출할 수 있다.
As a result, according to the method of optimizing the operation conditions of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design according to the embodiment of the present invention, it is possible to reduce unnecessary experiments using the experimental design method and to improve the performance and durability of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell It is possible to develop the model according to the operating condition and to derive the optimum operating condition by using the developed model.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

S10: 실험계획 단계 S11: 변수결정 단계
S12: 인자수준결정 단계 S20: 실험 단계
S21: 실험준비 단계 S22: 활성화 단계
S23: 연료공급 단계 S24: 연료전지운전 단계
S30: 성능모델구축 단계 S31: 변수입력 단계
S32: 회귀분석 단계 S33: 성능모델결정 단계
S40: 운전조건최적화 단계
S10: experiment planning step S11: variable determination step
S12: Determination of the printing level Step S20: Experimental step
S21: Experimental preparation step S22: Activation step
S23: fuel supply step S24: fuel cell operation step
S30: Performance model building step S31: Variable input step
S32: regression analysis step S33: performance model determination step
S40: Optimization of driving conditions

Claims (12)

고온 고분자 전해질 막 연료전지의 목표 운전시간동안 성능을 최대화 할 수 있는 운전조건을 찾기 위해, 성능 및 내구성의 예측에 필요한 특성치, 상기 특성치에 영향을 주는 인자 및 상기 인자의 인자수준을 결정하여 실험계획법에 의하여 실험 계획을 결정하는 실험계획 단계(S10);
상기 실험계획 단계(S10)에서 결정된 실험계획법에 의하여 실험하는 실험 단계(S20);
상기 실험 단계(S20)의 실험 결과를 이용하여 성능모델을 구축하는 성능모델구축 단계(S30); 및
상기 성능모델구축 단계(S30)의 결과를 이용하여 운전조건의 최적화 지점을 찾는 운전조건최적화 단계(S40);
를 포함하며,
상기 실험계획 단계(S10)는
특성치 및 인자를 결정하는 변수결정 단계(S11); 및
상기 인자의 인자 수준을 결정하는 인자수준결정 단계(S12);
를 포함하고,
상기 변수결정 단계(S11)의 특성치는
목표 운전시간 동안의 셀 평균 전압 및 단위시간당 전압 감소율인 것을 특징으로 하며,
상기 변수결정 단계(S11)의 인자는
셀 온도, 연료 과급률 및 공기 과급률인 것을 특징으로 하고,
상기 인자수준결정 단계(S12)의 인자 수준은
셀 온도를 120-190℃, 연료 과급률을 1.2-3.0, 공기 과급률을 1.5-4.0으로 하는 것을 특징으로 하며,
상기 실험 단계(S20)는
인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : Gas Defusion Electrode)을 포함하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 상기 인자에 해당하는 값을 조절하고, 상기 특성치의 측정이 가능하도록 준비하는 실험준비 단계(S21);
일정 시간 동안 셀을 상온에서 설정 온도까지 가열하는 활성화 단계(S22);
수소 및 산소 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 건 수소와, 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하는 연료공급 단계(S23); 및
일정 시간 동안 일정 전류밀도를 일정하게 인가하는 연료전지운전 단계(S24);
를 포함하고,
상기 성능모델구축 단계(S30)의 성능모델은 전압모델, 내구성모델 및 성능과 내구성을 고려한 모델인 것을 특징으로 하며,
설 전압을 근거로 셀의 성능을 추정하고, 단위 시간당 전압 감소율을 근거로 셀의 내구성을 추정하는 것을 특징으로 하고,
상기 운전조건최적화 단계(S40)는 목표 운전시간 동안의 셀 평균 전압을 목적함수로 정의하고, 작동온도, 산소 과급률, 수소 과급률을 결정변수로 정의하여, 목표 운전시간동안 성능을 최대화 할 수 있는 운전조건을 찾는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
In order to find the operating conditions that maximize the performance during the target operating time of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell, the characteristic values required for predicting the performance and durability, the factors affecting the characteristic values, and the factor levels of the factors are determined, An experimental planning step (SlO) for determining an experimental plan by the user;
An experimental step (S20) of experimenting by the experimental design method determined in the experimental planning step (S10);
A performance model building step (S30) of constructing a performance model using the experimental result of the experimental step (S20); And
A driving condition optimization step (S40) of finding an optimization point of the driving condition using the result of the performance model building step (S30);
/ RTI >
The experimental planning step (S10)
Determining a characteristic value and a parameter (S11); And
Determining a factor level of the factor (S12);
Lt; / RTI >
The characteristic value of the variable determining step (S11)
The cell average voltage and the voltage reduction rate per unit time during the target operating time,
The factor of the variable determining step S11 is
A cell temperature, a fuel supercharging rate, and an air supercharging rate,
The factor level of the factor level determination step (S12)
The cell temperature is 120-190 DEG C, the fuel supercharge rate is 1.2-3.0, and the air supercharge rate is 1.5-4.0,
The experimental step (S20)
A value corresponding to the factor is controlled based on a membrane electrode assembly (MEA) including a phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membrane and a carbon fiber gas diffusion electrode (GDE: Gas Defusion Electrode) An experiment preparing step (S21) for preparing the characteristic value so as to be able to be measured;
An activation step (S22) of heating the cell from room temperature to a set temperature for a predetermined time;
A fuel supply step (S23) for supplying dry hydrogen heated to the cell operating temperature by the line heater in the hydrogen and oxygen supply pipe and dry air to the anode and the cathode, respectively; And
A fuel cell operating step (S24) for constantly applying a constant current density for a predetermined time;
Lt; / RTI >
The performance model of the performance model building step S30 is a model considering the voltage model, the durability model, and the performance and durability.
Estimating the performance of the cell based on the power supply voltage, estimating the durability of the cell based on the voltage reduction rate per unit time,
The operating condition optimization step (S40) defines the cell average voltage during the target operating time as an objective function, defines operating temperature, oxygen supercharge rate, and hydrogen supercharge rate as decision variables, and maximizes the performance during the target operating time Wherein the operating condition is found by finding an operating condition of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 실험계획 단계(S10)는
특정한 실험조건(운전조건) 하에서 일정기간동안 수행하는 장기 테스트인 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method according to claim 1,
The experimental planning step (S10)
Wherein the long term test is performed for a predetermined period of time under a specific experimental condition (operating condition). The method for optimizing the operating condition of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design method.
제1항에 있어서,
상기 실험계획 단계(S10)는
반응표면법을 이용하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method according to claim 1,
The experimental planning step (S10)
A method for optimizing operating conditions of a high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using an experimental design method using a reaction surface method.
제3항에 있어서,
상기 실험계획 단계(S10)는
반응표면법의 추정식이 1차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,
Figure 112013107252218-pat00048
요인배치법, 2수준계의 일부실시법, 심플렉스 계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method of claim 3,
The experimental planning step (S10)
If the estimation equation of the response surface method is judged to be appropriate as the first-order regression model,
Figure 112013107252218-pat00048
A method of optimizing the operating condition of the high temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design method, which is selected from among the factor selection method, the partial arrangement method of the level 2 system, and the simplex programming method.
제3항에 있어서,
상기 실험계획 단계(S10)는
반응표면의 추정식이 2차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,
Figure 112013107252218-pat00049
요인배치법, 3수준계의 일부실시법, 중심합성계획법, 회전계획법, 회전중심합성계획법, Box-Behnken계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method of claim 3,
The experimental planning step (S10)
If it is judged that the estimation equation of the reaction surface is suitable as the second-order regression model,
Figure 112013107252218-pat00049
The operation of the high-temperature polyelectrolyte membrane fuel cell using the experimental design method is characterized by using factor selection method, partial implementation of the 3-level system, central synthesis programming, rotation programming, rotation center synthesis programming and Box-Behnken programming. Condition optimization method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 활성화 단계(S22)는
셀 온도가 일정 온도에서 상기 설정온도까지 질소로 퍼지하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method according to claim 1,
The activation step (S22)
Wherein the cell temperature is purged with nitrogen from a predetermined temperature to the set temperature.
제1항에 있어서,
상기 성능모델구축 단계(S30)는
성능모델을 구축하기 위한 각각의 변수에 해당되는 값을 입력하는 변수입력 단계(S31);
상기 변수입력 단계(S31)에서 입력된 값을 이용하여 회귀분석 하는 회귀분석 단계(S32); 및
상기 회귀분석 단계(S20)에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정하는 성능모델결정 단계(S33);
를 포함하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
The method according to claim 1,
The performance model building step (S30)
A variable input step (S31) of inputting a value corresponding to each variable for constructing a performance model;
A regression analysis step S32 for regression analysis using the value input in the variable input step S31; And
A performance model determination step (S33) of determining a regression equation having the highest R 2 (R-square) value as a performance model using the regression coefficients calculated in the regression analysis step (S20);
Optimization of Operating Conditions for High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells Using Design of Experiments.
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