KR101629297B1 - Method for a polymer electrolyte fuel cell of the control for cold start - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영하의 온도에서 공기극 촉매층에서의 산소환원반응에 의해 생성된 물의 결빙으로 인하여 촉매층 및 확산층 내부에서 산소의 전달이 감소하는 것을 방지할 수 있는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고분자 전해질 연료전지의 온도상승 속도를 고분자 전해질 연료전지 내부의 산소환원반응에 의한 물의 생성속도보다 빠르게 제어하여 고분자 전해질 연료전지 내부에서 생성된 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있어 고분자 전해질 연료전지의 내구성 및 효과의 저하를 방지할 수 있다.
The present invention relates to a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell that prevents oxygen from being reduced in a catalyst layer and a diffusion layer due to freezing of water generated by an oxygen reduction reaction in a cathode catalyst layer at a subzero temperature And more particularly, to a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up.
According to the present invention, it is possible to prevent the water generated in the polymer electrolyte fuel cell from freezing by controlling the rate of temperature rise of the polymer electrolyte fuel cell to be faster than the rate of formation of water by the oxygen reduction reaction inside the polymer electrolyte fuel cell, The durability and the effect of the electrolyte fuel cell can be prevented from deteriorating.

Description

저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법{Method for a polymer electrolyte fuel cell of the control for cold start}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method for controlling a polymer electrolyte fuel cell,

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영하의 온도에서 공기극 촉매층에서의 산소환원반응에 의해 생성된 물의 결빙으로 인하여 촉매층 및 확산층 내부에서 산소의 전달이 감소하는 것을 방지할 수 있는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell that prevents oxygen from being reduced in a catalyst layer and a diffusion layer due to freezing of water generated by an oxygen reduction reaction in a cathode catalyst layer at a subzero temperature And more particularly, to a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up.

고분자전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell(SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), polymer electrolyte fuel cell(PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮은 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 수소 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 그러나 고분자전해질 연료전지는 낮은 온도에서 작동되므로 폐열을 활용할 수 없고 고온에서 작동되는 개질기와 연계하기가 어렵다는 문제점이 있으며 전극촉매로 Pt를 사용하기 때문에 반응기체 내에서의 CO 허용치가 낮고 제조비용을 줄이기 위해서 촉매 함침량을 크게 낮추어야하는 한다는 어려움이 있다. 또한 전해질로 사용하는 고분자막의 값이 매우 비싸고 운전 중에 고분자막의 수분함량 조절이 어렵다는 단점이 있다.
A polymer electrolyte fuel cell (FEP) is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange properties as an electrolyte. The fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a solid polymer fuel cell (SPFC) fuel cell (PEMFC). A polymer electrolyte fuel cell having a lower operating temperature than other types of fuel cells has a high efficiency, a high current density and a high output density, a short startup time and a fast response characteristic to a load change. Especially, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no electrolyte loss, and it is possible to apply the hydrogen reformer, which is an established technology, and is less sensitive to the change of the reaction gas pressure. In addition, the design is simple, easy to manufacture, and various materials can be used for the fuel cell body material, and the volume and weight are smaller than those of a phosphoric acid fuel cell having the same principle of operation. In addition to these characteristics, the polymer electrolyte fuel cell can be applied to a wide variety of fields such as power source for non-polluting vehicles, locally installed power generation, space power, mobile power, and military power. However, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature, it can not utilize waste heat and is difficult to be connected with a reformer operated at a high temperature. Since the Pt is used as the electrode catalyst, the CO tolerance in the reaction gas is low, It is difficult to reduce the amount of catalyst impregnated. Also, the polymer membrane used as an electrolyte is very expensive and it is difficult to control the moisture content of the polymer membrane during operation.

고분자전해질 연료전지는 원래 1960 년대에 Gemini 우주선과 같이 특수 목적으로 사용되었으나, 1980 년대 말에 이르러 무공해 차량의 동력원으로 활용될 것이 기대됨에 따라 다시 활기를 찾게 되어 현재 전세계적으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 특히 Green Round (기후변화협약)를 통한 CO2의 총량 규제, 저공해 자동차 의무 판매를 통한 자동차 배기가스의 규제 등이 임박해 옴에 따라 각국의 자동차 회사들은 연료전지 자동차와 같은 무공해 자동차의 개발이 급박하게 되었다. 연료전지 자동차는 환경친화성, 연료효율성 및 연료공급 편리성을 겸비한 자동차로서 차세대 자동차 중에서도 가장 실용화의 가능성이 큰 것으로 평가되고 있다. 또한 자동차용 연료전지 시스템이 실용화될 경우 자동차로 인한 환경오염과 에너지 소비문제를 완화시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 건물 및 일부지역의 현지설치형 소규모 발전, 잠수함 및 이동통신 등과 같은 군수용 발전에 곧바로 활용될 수 있다.
Polymer electrolyte fuel cells were originally used for special purposes such as the Gemini spacecraft in the 1960s, but by the end of the 1980s it was expected to be used as a power source for pollution-free vehicles. It is progressing. Especially, the regulation of the total amount of CO 2 through the Green Round (Climate Change Convention) and the regulation of the automobile exhaust gas through the compulsory sale of the low pollution automobile have become imminent, and automobile companies of each country have become urgent to develop pollution-free vehicles such as fuel cell cars . Fuel cell vehicles are considered to have the greatest practical potential among next-generation automobiles as they have environmental friendliness, fuel efficiency, and convenience of fuel supply. In addition, if the fuel cell system for automobiles is put into practical use, it can alleviate environmental pollution and energy consumption caused by automobiles, and can be utilized immediately for military power generation such as small-scale power generation in a building or a local area, submarine and mobile communication have.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)의 단위전지는 주로 과불소화 술폰산 고분자(perfluorinated sulfonic acid polymer)인 양성자 전도성 고분자 전해질을 중심으로 하여 연료극(anode)과 공기극(cathode)으로 구성된다. 세부구조는 고분자전해질 막에 촉매층(catalyst layer, CL)이 코팅되어있는 촉매코팅 전해질 막(catalyst coated membrane, CCM), 수소 및 산소가스를 전극촉매에 고루 분산시켜주는 가스확산층(gas diffusion layer, GDL) 및 미세기공층(micro-porous layer, MPL), 고분자 전해질 연료전지(PEFC) 스택(stack)에서 연료극(anode), 공기극(cathode)들을 분리하는 분리판(bipolar plate, BP) 등으로 구성되어 있다.
A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is composed of an anode and a cathode mainly composed of a proton conductive polymer electrolyte, which is a perfluorinated sulfonic acid polymer. The detailed structure includes a catalyst coated membrane (CCM) in which a catalyst layer (CL) is coated on a polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer (GDL) for uniformly dispersing hydrogen and oxygen gas in the electrode catalyst, A microporous layer (MPL), a bipolar plate (BP) separating the anode and cathode from the stack of PEFC stacks, and the like. have.

전기화학반응은 연료극 및 공기극 촉매층에서 일어나며, 연료극에서는 수소가 산화 (Hydrogen oxidation reaction, HOR)하여 2개의 수소이온, 2개의 전자가 발생하고 공기극에서는 전해질 막을 통하여 이동되어온 수소이온과 외부회로를 통하여 이동되어온 전자가 산소를 환원시켜 물이 되는 전극 반응에 의하여 전기를 발생시킨다.
The electrochemical reaction takes place in the anode and the cathode catalyst layers. In the anode, two hydrogen ions and two electrons are generated by the hydrogen oxidation reaction (HOR), and hydrogen ions, which have been transferred through the electrolyte membrane in the air electrode, The generated electrons generate electricity by an electrode reaction that reduces oxygen to water.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)는 주로 100℃ 이하의 온도에서 작동하여 빠른 속도로 웜 업(warm up)이 되며 다른 형태의 연료전지에 비하여 출력 전류밀도가 높고 내구성이 우수하기 때문에 자동차용 또는 주거용 시스템에 적합한 발전장치로 인식되고 있다. Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) operates at a temperature of 100 ° C or less and warms up at a high speed. Since it has higher output current density and durability than other types of fuel cells It is recognized as a power generation device suitable for automotive or residential systems.

그러나, 자동차용 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 기술적 장벽 중 한가지가 바로 냉시동(Cold start) 문제이다. 냉시동 문제란 영하의 온도에서 공기극 촉매층 (catalyst layer, CL)에서의 산소환원반응 (oxygen reduction reaction, ORR)에 의해 생성된 물의 결빙으로 인하여 촉매층 및 확산층 내부에서 산소의 전달이 감소하고 활성 전기화학반응 면적이 줄어든다. 따라서, 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 공기극에서 생성된 물의 결빙으로 활성반응면적이 감소하고 결국 작동이 멈추게 된다. 더욱이, 냉시동에 성공하더라도 반복적인 물의 결빙 및 해동(freezing and thaw) 현상은 고분자 전해질 연료전지(PEFC) 컴포넌트들(특히, 촉매층(catalyst layer))의 구조를 파괴하여 성능과 내구성 하락을 초래하게 된다.
However, one of the technical barriers to automotive polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) is the cold start problem. The cold start problem is a phenomenon in which oxygen transport in the catalyst layer and the diffusion layer is reduced due to freezing of water generated by the oxygen reduction reaction (ORR) at the catalyst layer (CL) at a sub-zero temperature, The reaction area is reduced. Therefore, freezing of water generated in the air electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) reduces the area of the active reaction and eventually stops the operation. Moreover, even with a successful cold start, repetitive water freezing and thawing can destroy the structure of polymer electrolyte fuel cell (PEFC) components (especially the catalyst layer), resulting in performance and durability degradation do.

상기 문제점을 해결하기 위해 한국 공개특허 제 10-2010-0051509호의 연료전지 하이브리드 차량의 냉시동 시퀀스 제어 방법은 냉시동 조건에서 BOP 밸브 히팅 후 정상적인 수소 공급이 이루어지도록 하고, 이어 공기블로워를 작동시키기 위한 전원으로 슈퍼캡 전압에 따라 보조배터리 전원만을 이용할지 아니면 보조배터리 전원과 슈퍼캡 전원을 동시에 이용할지를 결정한 뒤 공기블로워를 작동시켜 스택 전압을 상승시키며, 이후 스택 전압이 일정 수준의 출력이 가능한 상태로 상승되면 히터를 연결하여 연료전지 출력을 통해 스택 온도를 상승시킨 뒤, 연료전지 메인 릴레이를 연결하여 슈퍼캡 충전 후 슈퍼캡 메인 릴레이 연결 및 하이브리드 모드 진입이 이루어지 함으로써, 냉시동 조건에서도 연료전지-슈퍼캡 차량의 원활한 시동이 가능해지도록 한 연료전지 하이브리드 차량의 냉시동 제어 방법을 제안하였다.
In order to solve the above problems, Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0051509 discloses a method of controlling the cold start sequence of a fuel cell hybrid vehicle, Depending on the voltage of the supercap, the power supply determines whether to use only the auxiliary battery power or the auxiliary battery power and the supercap power simultaneously. Then, the air blower is operated to raise the stack voltage. Thereafter, When the temperature is raised, the heater is connected to increase the stack temperature through the fuel cell output. Then, the fuel cell main relay is connected to connect the super cap and connect to the super cap main relay and enter the hybrid mode. Super Cap It is possible to start the vehicle smoothly. It proposes a cold-start control method for a hybrid vehicle batteries.

또한, 한국 공개특허 제 10-2011-0058590호의 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치는 연료전지 스택의 퍼지가스 출구에 연결되어 스택을 퍼지한 퍼지가스 및 불순물이 배출되는 메인 배관, 상기 메인 배관에서 분기되어 설치되는 보조 배관과, 상기 메인 배관과 보조 배관에 설치되어 퍼징동작을 수행하는 퍼지밸브와, 상기 보조 배관에서 퍼지밸브 상류측으로 설치되는 차단밸브와, 상기 퍼지밸브 및 차단밸브의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함하여 냉시동시 밸브 해동시까지 소요되는 시간을 단축하면서 전체 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지의 냉시동성 향상을 위한 퍼지장치를 제안하였다.
Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-0058590 discloses a purge apparatus for improving the cold-live performance of a fuel cell. The purge gas is connected to the purge gas outlet of the fuel cell stack to purge the stack and a main pipe through which the impurities are discharged. A purge valve installed in the main pipe and the auxiliary pipe for performing a purging operation; a shutoff valve installed upstream of the purge valve in the auxiliary piping; This paper proposes a purging system for improving the cold start of a fuel cell, which can shorten the total cold start time while shortening the time required for thawing the freezing simultaneously.

그리고 또한, 한국 공개특허 제 10-2012-0053306호의 연료전지의 냉시동성 개선을 위한 직접 가열 퍼징 장치 및 방법은 연료전지 시스템의 운전 정지후, 연료전지 스택의 캐소드에 수소 및 공기의 혼합가스를 넣어줌으로써, 수소 및 공기의 반응에 의한 발열을 통하여 스택의 온도 상승을 도모하는 동시에 물 제거 효과도 얻을 수 있도록 한 연료전지의 냉시동성 개선을 위한 직접 가열 퍼징 장치 및 방법에 관한 것으로, 연료전지 스택의 운전정지 후 퍼지 단계로서 스택의 캐소드에 수소 및 공기 혼합가스를 넣어줌과 함께 퍼지를 실시함으로써, 스택의 캐소드에서 수소와 공기의 직접반응에 의하여 열이 발생되는 동시에 스택의 온도를 올릴 수 있고, 수소 퍼지에 의한 애노드의 물 배출이 이루어질 수 있으며, 퍼지 단계중 스택의 온도가 올라가기 때문에 퍼지에 의한 물제거 뿐만 아니라 스택 온도 상승에 의한 물제거 효과도 얻을 수 있도록한 연료전지의 냉시동성 개선을 위한 직접 가열 퍼징 장치 및 방법을 제안하였다.
In addition, a direct heating purging apparatus and method for improving the cold rolling of a fuel cell of Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0053306, after stopping the operation of the fuel cell system, put a mixed gas of hydrogen and air into the cathode of the fuel cell stack The present invention relates to a direct heating purging apparatus and method for improving the cold live performance of a fuel cell in which a temperature rise of a stack is achieved through heat generation by reaction of hydrogen and air, As a purge step after the operation is stopped, hydrogen and air mixed gas are injected into the cathode of the stack and purging is performed. Thus, heat is generated by direct reaction between hydrogen and air at the cathode of the stack, The anode can be drained by hydrogen purging and the temperature of the stack during the purge step rises, Removal of water by not only proposes a device and method for directly heating the purging naengsi Same improvement of the fuel cell to be obtained by removing water effect by the stack temperature.

상기 선행문헌들은 외부 가열 장치를 설치함으로써 냉시동의 문제점을 해결할 수 있으나 자동차용 연료전지시스템의 가격경쟁력과 효율성을 높이기 위해서는 외부가열장치 시스템크기를 최소화하고 자가냉시동능력(self-cold start capability)을 갖춘 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 개발이 중요하다.
However, in order to increase the cost competitiveness and efficiency of the fuel cell system of the automobile, the size of the external heating device system is minimized and the self-cold start capability (self-cold start capability) (PEFC) with a high efficiency and high efficiency.

본 발명의 발명자들은 장치의 추가 없이 자가냉시동능력(self-cold start capability)이 가능한 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법을 발명하고 이를 제안한다.
The inventors of the present invention invented and propose a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature starting capable of self-cold start capability without adding an apparatus.

한국 공개특허 제 10-2010-0051509호Korean Patent Publication No. 10-2010-0051509 한국 공개특허 제 10-2011-0058590호Korean Patent Publication No. 10-2011-0058590 한국 공개특허 제 10-2012-0053306호Korean Patent Publication No. 10-2012-0053306

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 자가냉시동(self-cold start)이 가능한 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up capable of self-cold start.

본 발명은, 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 있어서, 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 제 1 전류밀도 값을 인가하는 단계, 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 상기 제 1 전류밀도값 보다 높은 제 2 전류밀도 값을 인가하는 단계를 포함하는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법을 제공한다.The present invention provides a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell, comprising: applying a first current density value to a cathode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell; determining whether moisture inside the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated; And applying a second current density value higher than the first current density value to the cathode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell.

상기 제 1 전류밀도 값은, 상기 고분자 전해질 연료전지가 구동되기 위한 전류밀도 값일 수 있다.The first current density value may be a current density value for driving the polyelectrolyte fuel cell.

상기 제 2 전류밀도 값은, 상기 제 1 전류밀도 값의 1.1 내지 2.0 배의 전류밀도 값일 수 있다.The second current density value may be a current density value of 1.1 to 2.0 times the first current density value.

상기 제 2 전류밀도 값을 인가하는 단계는, 상기 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)일 때 수행될 수 있다.The step of applying the second current density value may be performed when the water content in the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated.

상기 제 2 전류밀도 값을 인가하는 단계는, 상기 고분자 전해질 연료전지의 내부 온도가 -10°C 내지 0°C 의 범위일 때 수행될 수 있다.The step of applying the second current density value may be performed when the internal temperature of the polyelectrolyte fuel cell is in a range of -10 ° C to 0 ° C.

상기 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계는, 경계조건과 초기조건을 적용하여 변수를 계산하는 단계, 질량 지배방정식 및 운동량 지배방정식을 계산하여 산출된 속도 및 입력값을 계산하는 단계, 상기 속도 및 입력 값을 에너지 지배방정식에 적용하여 각 격자에서의 온도 값을 산출하는 단계, 화학족 지배방정식을 계산하여 각 격자에서의 수소, 물, 산소의 농도 값을 산출하는 단계, 전하 지배방정식을 계산하여 전류밀도 및 전압 값을 산출하는 단계, 미리 정해진 수렴조건에 만족하는지 여부를 판단하는 단계 및 미리 정해진 시간보다 큰지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
The step of determining whether or not it is undersaturated includes the steps of calculating a variable by applying a boundary condition and an initial condition, calculating a velocity and an input value by calculating a mass governance equation and a momentum governance equation, Calculating the temperature value in each lattice by applying the velocity and input values to the energy governing equations, calculating the concentration values of hydrogen, water, and oxygen in each lattice by calculating the chemical dominant equations, and calculating the charge governing equations Calculating a current density and a voltage value, determining whether or not a predetermined convergence condition is satisfied, and determining whether the predetermined convergence condition is greater than a predetermined time.

본 발명에 따르면, 고분자 전해질 연료전지의 온도상승 속도를 고분자 전해질 연료전지 내부의 산소환원반응에 의한 물의 생성속도보다 빠르게 제어하여 고분자 전해질 연료전지 내부에서 생성된 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있어 고분자 전해질 연료전지의 내구성 및 효과의 저하를 방지할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to prevent the water generated in the polymer electrolyte fuel cell from freezing by controlling the rate of temperature rise of the polymer electrolyte fuel cell to be faster than the rate of formation of water by the oxygen reduction reaction inside the polymer electrolyte fuel cell, The durability and the effect of the electrolyte fuel cell can be prevented from deteriorating.

도 1은 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델을 정의하기 위한 지배방정식(governing equation)을 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명의 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델을 지배방정식(governing equation)에 적용하여 산출된 방정식들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델을 위해 물의 결빙 및 해빙을 정의를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법의 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 8은 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3의 조건에서 시간에 따른 얼음 축적량(mg/cm2) 및 시간에 따른 셀(cell)의 온도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3의 조건에서 시간에 따른 셀(cell)의 전압(V) 및 시간에 따른 물 함유량을 나타내는 그래프이다.
1 is a perspective view of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention.
2 is a flowchart of a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low temperature start according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a three-dimensional numerical analysis model of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention of the present invention.
4 is a diagram showing a governing equation for defining a three-dimensional numerical simulation model of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention of the present invention.
5 is a diagram showing equations calculated by applying a three-dimensional numerical simulation model of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention to a governing equation.
Fig. 6 is a view showing definition of freezing and thawing of water for a three-dimensional numerical simulation model of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for determining whether water in a polymer electrolyte fuel cell is undersaturated in a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the ice accumulation amount (mg / cm 2 ) and the cell temperature with time under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
FIG. 9 is a graph showing a voltage (V) of a cell with time and a water content according to time under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
Hereinafter, a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The structure and operation of the present invention shown in the drawings and described by the drawings are described as at least one embodiment, and the technical ideas and the core structure and operation of the present invention are not limited thereby.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.
Although the terms used in the present invention have been selected in consideration of the functions of the present invention, it is possible to use general terms that are currently widely used, but this may vary depending on the intention or custom of a person skilled in the art or the emergence of new technology. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, it is to be understood that the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term rather than the name of the term, and on the contents of the present invention throughout.

도 1은 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 상기 고분자 전해질 연료전지(100)는, 음극 확산층(110), 음극 미세기공층(120), 양극 확산층(130), 양극 미세기공층(140) 및 촉매코팅 멤브레인(150)을 포함한다. 1 is a perspective view of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention. 1, the polymer electrolyte fuel cell 100 includes a cathode diffusion layer 110, a cathode microporous layer 120, a cathode diffusion layer 130, an anode microporous layer 140, and a catalyst coating membrane 150, .

상기 고분자 전해질 연료전지(100)의 상세한 설명에 앞서, 각 확산층(GDL;Gas Diffusion Layer) 및 미세기공층(MPL;Micro Porous Layer)에 관하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 상기 음극 및 양극의 확산층(110, 130)은, 액체연료나 기체 등의 반응물이 촉매코팅 멤브레인(150) 내의 각 촉매층(151, 152) 부분으로 고르게 전달되도록 한다. 또한, 각 확산층(110, 130)에 접하는 상기 음극 및 양극의 미세기공층(120, 140)은, 상기 액체연료나 기체등의 반응물에 대한 전달 및 확산 효율을 더욱더 증가시킨다.
Before describing the polymer electrolyte fuel cell 100, a gas diffusion layer (GDL) and a microporous layer (MPL) will be briefly described as follows. The cathode and anode diffusion layers 110 and 130 allow the reactants such as liquid fuel and gas to be evenly distributed to the respective catalyst layers 151 and 152 in the catalyst coating membrane 150. Further, the microporous layers 120 and 140 of the negative electrode and the positive electrode, which are in contact with the diffusion layers 110 and 130, further increase transmission and diffusion efficiency with respect to reactants such as the liquid fuel and the gas.

고분자 전해질 연료전지(100)의 각각의 구성을 살펴보면, 먼저 상기 음극 확산층(110)은 음극채널(10)로부터 연료에 해당되는 수소(H2)가 유입되는 부분이다. 그리고, 상기 음극 미세기공층(120)은 상기 음극 확산층(110)에 접하여 위치하고 상기 수소(H2)가 통과된다. 상기 양극 확산층(130)은 상기 촉매코팅 멤브레인(150)을 기준으로 상기 음극 확산층(110)에 대향하여 위치하고, 양극채널(20)로부터 공기가 유입된다. 물론, 상기 공기 내에는 산소(O2)가 포함되어 있다. 그리고, 상기 양극 미세기공층(140)은 상기 양극 확산층(130)에 접하여 위치하고 상기 산소(O2)가 통과 가능하다.
The cathode diffusion layer 110 is a portion through which the hydrogen (H 2 ) corresponding to the fuel flows from the cathode channel 10 into the polymer electrolyte fuel cell 100. The anode microporous layer 120 is disposed in contact with the cathode diffusion layer 110, and the hydrogen (H 2 ) passes through the anode micropore layer 120. The anode diffusion layer 130 is positioned opposite to the cathode diffusion layer 110 with reference to the catalyst coating membrane 150 and air flows from the anode channel 20. Of course, oxygen (O 2 ) is contained in the air. The anode microporous layer 140 is disposed in contact with the anode diffusion layer 130, and the oxygen (O 2 ) can pass through the anode micropore layer 140.

상기 확산층(110, 130)과 미세기공층(120, 140)은, 사용 소재(Material), 기공 크기(Pore size), 가스 투과성(Gas Permeability), 공극률(Porosity), 습윤성(Wettability) 등에 의해 특성 조절이 가능하다. The diffusion layers 110 and 130 and the microporous layers 120 and 140 may be formed by using materials such as a material, a pore size, a gas permeability, a porosity, a wettability, Adjustable.

상기 상기 확산층(110, 130)은 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(151, 152)으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 확산층(110, 130)로는 도전성 기재를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbonfelt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The diffusion layers 110 and 130 serve to support the electrodes and diffuse the fuel and the oxidant into the catalyst layers 151 and 152 so that the fuel and the oxidant can easily access the catalyst layers. As the diffusion layers 110 and 130, a conductive substrate may be used. As a representative example thereof, a metal film is formed on the surface of a cloth formed of a porous film or polymer fiber composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth ) May be used, but the present invention is not limited thereto.

또한 상기 확산층(110, 130)은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylenepropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
Further, it is preferable that the diffusion layers 110 and 130 are made of a fluorine-based resin that is water-repellent, because it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylenepropylene), polychlorotrifluoroethylene, or copolymers thereof.

상기 미세 기공층(120, 140)은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.The microporous layers 120 and 140 are generally made of conductive powder having a small particle diameter such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon And may include a carbon nano-horn or a carbon nano ring.

상기 미세 기공층(120, 140)은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
The microporous layers 120 and 140 are prepared by coating a composition containing conductive powder, a binder resin, and a solvent on the electrode substrate. Examples of the binder resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxyvinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or a copolymer thereof, and the like can be preferably used. Examples of the solvent include alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol and butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and tetrahydrofuran. The coating process may be performed by a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade, depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 촉매코팅 멤브레인(150)은 CCM(Catalyst Coated Membrane)으로서, 상기 음극 미세기공층(120)과 양극 미세기공층(140) 사이에 형성되고, 상기 수소의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 부분이다. 더 상세하게는, 상기 촉매코팅 멤브레인(150)은 상기 음극 미세기공층(120)에 접하는 음극 촉매층(151)과, 상기 양극 미세기공층(140)에 접하는 양극 촉매층(152), 그리고 각 촉매층(151, 152) 사이에 형성된 멤브레인층(153)을 구비한다.The catalyst coating membrane 150 is a catalytic coated membrane (CCM), which is formed between the anode microporous layer 120 and the anode microporous layer 140. The oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen occur Section. More specifically, the catalyst coating membrane 150 includes a cathode catalyst layer 151 in contact with the anode microporous layer 120, an anode catalyst layer 152 in contact with the anode microporous layer 140, 151, and 152, respectively.

상기 멤브레인층(153)은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.The membrane layer 153 may be made of a polymer having excellent hydrogen ion conductivity. As a typical example thereof, any polymer resin having a cation-exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and a derivative thereof in the side chain can be used.

바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(mphenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.Preferable examples include fluorine-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, polyether sulfone-based polymers, polyether ketone- - ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and copolymers thereof. More preferred are hydrogen-ion conductive polymers such as poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarbons Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, dehydrofluorinated sulfated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'- A proton conductive polymer selected from the group consisting of poly (2,2 '- (mphenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) It can be used.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.Further, H may be replaced with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the proton conductive group of the proton conductive polymer. In the case of replacing H with Na in the ion exchange group at the side chain terminal, NaOH is used in the preparation of the catalyst composition and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium. K, Li or Cs is also appropriately substituted . ≪ / RTI > Since this substitution method is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted in this specification.

또한, 상기 촉매층(151, 152)은 멤브레인층(153)의 CL(Catalyst Layer)을 의미하며, 상기 촉매층(151, 152)은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 촉매를 포함한다.The catalyst layers 151 and 152 refer to a catalyst layer 151 of the membrane layer 153 and the catalyst layers 151 and 152 serve to catalyze a reaction (oxidation of a fuel and reduction of an oxidant) Catalyst.

상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.As the catalyst, any catalyst which can be used as a catalyst in the reaction of the fuel cell can be used. As a typical example thereof, a platinum catalyst can be used. As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, A transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and combinations thereof, more preferably Pt, Pt / Ru, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W and combinations thereof.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.Such a metal catalyst may be used as a metal catalyst itself (black) or may be supported on a carrier. Examples of the carrier include carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, or activated carbon, or alumina, silica, zirconia, Titania, or the like may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층(151, 152)은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.The catalyst layers 151 and 152 may further include a binder resin for improving adhesion of the catalyst layer and transferring hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.As the binder resin, it is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity. More preferably, a cation exchanger selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, Any polymer resin may be used. Preferable examples include fluorine-based polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyether sulfone polymers, - ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and copolymers thereof. More preferred are hydrogen-ion conductive polymers such as poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarbons Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, dehydrofluorinated sulfated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'- Wherein the polymer is selected from the group consisting of poly (2,2'- (m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) Polymer It can be used to include.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used singly or in the form of a mixture, and may optionally be used together with a nonconductive compound for the purpose of further improving the adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the amount thereof to suit the purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이 보다 바람직하다.
Examples of the nonconductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro (PVdF-HFP), dodecyltrimethoxysilane (DMSO), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer Silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and a combination thereof.

상기 음극 촉매층(151)에서는 아래의 화학식 1과 같은 수소의 산화반응이 일어나고, 상기 양극 촉매층(152)에서는 아래의 화학식 2와 같은 산소의 환원반응이 일어난다.
In the cathode catalyst layer 151, oxidation reaction of hydrogen occurs as shown in the following Chemical Formula 1, and reduction reaction of oxygen as shown in Chemical Formula 2 below occurs in the cathode catalyst layer 152.

화학식 1 :

Figure 112014108387983-pat00001
(1)
Figure 112014108387983-pat00001

화학식 2 :

Figure 112014108387983-pat00002

(2)
Figure 112014108387983-pat00002

여기서, 상기 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) 시스템의 성능 및 내구성 향상을 위한 결빙방지 제어 메카니즘을 위해서는, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) 시스템 내의 전기화학 반응물에 의한 생성물의 결빙을 최소화 하는 것을 기본으로 한다. 상기 화학식 1 및 화학식 2를 참조하면, 수소(H2)와 산소(O2)의 반응으로 물(H2O)이 양극(cathode) 측에서 생성된다. 즉, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) 시스템의 전기화학반응은, 양극(cathode) 측에서의 물(H2O) 생성 반응에 의해 영하의 온도에서 상기 물(H2O)의 냉각에 의해 얼음으로 변하므로 산소의 전달이 감소하며 활성 전기화학반응 면적이 줄어드는 문제를 내포하고 있다. 더욱이, 상기 물(H2O)의 반복적인 결빙 및 해동 (freezing and thaw)현상에 의해 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) 내부 구성요소(특히, 양극 촉매층(152)의 구조가 파괴되어 성능과 내구성의 저하를 초래하게 된다.
In order to improve the performance and durability of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system, an anti-freeze control mechanism is required to prevent the formation of a product due to an electrochemical reaction in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) Is minimized. Referring to the above Chemical Formulas 1 and 2, water (H 2 O) is generated on the cathode side by the reaction of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). That is, the electrochemical reaction of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) system is performed by cooling the water (H 2 O) at a sub-zero temperature by the reaction of generating water (H 2 O) at the cathode side And thus the transfer of oxygen is reduced and the area of the active electrochemical reaction is reduced. Furthermore, by repeatedly freezing and thawing the water (H 2 O), the structure of the internal components of the polymer electrolyte fuel cell (PEFC, in particular, the structure of the anode catalyst layer 152) Resulting in deterioration of performance and durability.

또한, 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지는 상기 확산층(110, 130)의 외측면에 형성되어 상기 확산층(110, 130)으로 가스(Gas)를 공급하기 위한 양극 분리판(160) 및 음극 분리판(170)을 포함한다.The polyelectrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention includes a cathode separator 160 formed on an outer surface of the diffusion layers 110 and 130 for supplying gas to the diffusion layers 110 and 130, Plate (170).

양극판(bipolar plate) 또는 유로판 (flow field plate)으로 불리는 분리판(160, 170)은 고분자전해질 연료전지 스택의 핵심부품으로서 한쪽 면에는 양극(anode)용 가스유로가, 다른 쪽 면에는 음극(cathode)용 가스유로가 새겨져 있는 전기전도성 판이다. 분리판(separator)은 양극(anode)에서 생성된 전자를 다음 셀의 음극(cathode) 쪽으로 전도해주는 집전판 역할을 하며, 고분자전해질 막-전극 접합체(110, 120, 130, 140, 150)를 지지해주고, 양극(anode) 및 음극(cathode) 쪽으로 각각 연료와 산화제를 공급해주는 통로를 제공해 주는 동시에, 전지운전 중에 생기는 물을 제거해주는 통로 역할을 한다. 따라서 분리판 재료는 전기전도도가 높고, 기체투과도가 낮으며, 기계적 강도가 우수하고, 화학적으로 안정해야 하며, 가벼운 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 그라파이트가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Bipolar plates 160 and 170 called bipolar plates or flow field plates are core components of the polymer electrolyte fuel cell stack and include a gas flow path for the anode on one side and a cathode cathode is an electrically conductive plate engraved with a gas flow path. The separator serves as a current collecting plate that conducts electrons generated from the anode to the cathode of the next cell and supports the polymer electrolyte membrane-electrode assemblies 110, 120, 130, 140 and 150 And provides a passage for supplying fuel and oxidant to the anode and cathode, respectively, and serves as a passage for removing water generated during operation of the battery. Thus, the separator material should have high electrical conductivity, low gas permeability, good mechanical strength, chemical stability, lightweight materials, and preferably graphite.

본 발명은 상기 고분자 전해질 연료전지를, The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell,

고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 제 1 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가하는 단계, 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계 및 상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 상기 제 1 전류밀도 보다 높은 제 2 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가하는 단계를 포함하는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법을 제공한다.The method comprising: applying a voltage to a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell so that a first current density flows; determining whether moisture inside the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated; And applying a voltage to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer such that a second current density higher than the first current density flows through the anode catalyst layer and the anode catalyst layer.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a control method of a polymer electrolyte fuel cell for low temperature start according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2를 참조하면, 먼저, 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 제 1 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가한다(S100).Referring to FIG. 2, first, a voltage is applied to a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell so that a first current density flows (S100).

상기 제 1 전류밀도 값은 고분자 전해질 연료전지가 구동되기 위한 구동전류밀도의 최소값 이상의 값일 수 있으며, 상기 제 1 전류밀도 값이 상기 구동전류밀도의 최소값의 두 배 이하가 되도록 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 전압이 인가되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 전류밀도 값이 상기 구동전류밀도의 최소값보다 낮은 값이 되도록 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 전압이 인가될 경우, 상기 고분자 전해질 연료전지가 구동되지 않을 수 있으며, 상기 제 1 전류밀도 값이 상기 구동전류밀도의 최소값의 두 배를 초과할 경우, 상기 고분자 전해질 연료전지의 자가냉시동 효과가 발생하지 않을 수 있다.The first current density value may be equal to or greater than a minimum value of a driving current density for driving the polymer electrolyte fuel cell, and the first current density value may be at least twice a minimum value of the driving current density. It is preferable that a voltage is applied. The polymer electrolyte fuel cell may not be driven when a voltage is applied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer such that the first current density value is lower than the minimum value of the driving current density, If it exceeds twice the minimum value of the driving current density, the self-cooling starting effect of the polymer electrolyte fuel cell may not occur.

다음으로, 상기 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단한다(S110). Next, it is determined whether water in the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated (S110).

불포화 상태의 확인은 화학종 지배방정식을 계산하는 과정에서 화학종인 물이 포화상태보다 크면 포화상태로 작으면 불포화 상태로 판단한다. 또한, 전류밀도의 상승여부는 에너지지배방정식 계산을 통해 산출된 온도가 -10℃ 내지 0℃의 범위일 때, 전류밀도를 상승할 지 계속 유지 할지를 판단하게 된다.
In the calculation of the chemical species governing equation, the unsaturated state is judged to be saturated when the chemical species is larger than the saturated state. Whether the current density is increased or not is determined whether the current density is increased or maintained when the temperature calculated through the calculation of the energy governance equation is in the range of -10 ° C to 0 ° C.

다음으로, 상기 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)일 때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 상기 제 1 전류밀도 보다 높은 제 2 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가한다(S120).Next, when the moisture inside the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated, a voltage is applied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell such that a second current density higher than the first current density flows (S120).

상기 제 2 전류밀도 값은 상기 제 1 전류밀도 값의 1.1 내지 2.0 배의 범위내의 건류밀도 값으로 제어되는 것이 바람직하며, 상기 제 2 전류밀도 값이 상기 제 1 전류밀도 값의 1.1 배 미만일 경우, 상기 제 2 전류밀도 값과 상기 제 1 전류밀도 값의 차이가 미미하여 자가냉시동 효과가 발생하지 않을 수 있으며, 상기 제 2 전류밀도 값이 상기 제 1 전류밀도 값의 2.0 배를 초과할 경우, 상기 제 2 전류밀도 값이 과다하여 상기 고분자 전해질 연료전지의 구동효율이 떨어질 수 있다.The second current density value is preferably controlled to a current density value within a range of 1.1 to 2.0 times the first current density value, and when the second current density value is less than 1.1 times the first current density value, The second current density value is less than the first current density value and the self-cooling starting effect may not occur. When the second current density value is more than 2.0 times the first current density value, The second current density value is excessive and the driving efficiency of the polymer electrolyte fuel cell may be lowered.

상기 불포화상태(undersaturated)는 상기 고분자 전해질 연료전지의 내부 온도가 -10°C 내지 0°C 의 범위일 수 있다.
The undersaturated state of the polymer electrolyte fuel cell may have an internal temperature ranging from -10 ° C to 0 ° C.

상기 S100 내지 S120의 단계를 통해 고분자 전해질 연료전지의 온도상승 속도를 고분자 전해질 연료전지 내부의 산소환원반응에 의한 물의 생성속도보다 빠르게 제어하여 고분자 전해질 연료전지 내부에서 생성된 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있어 고분자 전해질 연료전지의 내구성 및 효과의 저하를 방지할 수 있다.
Through the steps S100 to S120, the temperature rising rate of the polymer electrolyte fuel cell is controlled to be faster than the water production rate by the oxygen reduction reaction inside the polymer electrolyte fuel cell to prevent the water generated in the polymer electrolyte fuel cell from freezing And the durability and the effect of the polymer electrolyte fuel cell can be prevented from deteriorating.

이하, 상기 구동전류밀도의 최소값을 산출하기 위하여 하기 수학식 및 도 3 및 도 4을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the minimum value of the driving current density will be described in more detail with reference to the following equations and FIGS. 3 and 4. FIG.

도 3은 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석을 위한 모델을 도시한 도면이다.3 is a diagram showing a model for three-dimensional numerical analysis of a polymer electrolyte fuel cell to be controlled according to the present invention.

상기 도 3의 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델을 통해 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석을 수행하였으며, 3차원 수치해석을 위한 지배방정식(governing equation)은 도 4에 나타낸다.A three-dimensional numerical analysis of the polymer electrolyte fuel cell is performed through a three-dimensional numerical simulation model of the polymer electrolyte fuel cell of FIG. 3, and a governing equation for three-dimensional numerical analysis is shown in FIG.

도 4를 참조하면, 지배방정식(governing equation)은 질량(Mass), 모멘텀(Momentum), 화학종(Species), 전하(Charge) 및 에너지(Energy)에 관하여 도 4와 같은 방정식으로 표현될 수 있다. 또한, 전기화학반응의 정의를 방정식으로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, the governing equation can be expressed in terms of Mass, Momentum, Species, Charge, and Energy as shown in FIG. 4 . In addition, the definition of an electrochemical reaction can be represented by an equation.

도 4의 지배방정식(governing equation)을 본 발명의 제어대상인 고분자 전해질 연료전지의 저온시동의 실제 모델에 적용하여 도 5와 같은 생성항들을 산출하였다.The governing equation of FIG. 4 was applied to an actual model of the cold start of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention to produce the production terms as shown in FIG.

도 5를 참조하면, 양극(anode) 촉매층에서의 질량방정식, 음극(cathode) 촉매층에서의 질량방정식, 가스확산층과 촉매층의 모멘텀(Momentum) 방정식, 막의 모멘텀(Momentum) 방정식, 물을 위한 촉매층의 종류방정식, 물을 위한 가스확산층의 종류방정식, 다른 종류들을 위한 촉매층의 종류방정식, 촉매층의 전하방정식, 촉매층에서의 에너지 방정식, 가스확산층에서의 에너지 방정식 및 상기 막에서의 에너지 방정식을 산출하였다.
5, mass equations in an anode catalyst layer, mass equations in a cathode catalyst layer, Momentum equations in a gas diffusion layer and a catalyst layer, momentum equations in a membrane, types of catalyst layers for water The equation of equation for the gas diffusion layer for water, the kind equation of the catalyst layer for different kinds, the charge equation of the catalyst layer, the energy equation in the catalyst layer, the energy equation in the gas diffusion layer and the energy equation in the membrane were calculated.

또한, 물의 결빙 및 해빙은 도 6의 방정식을 통해 정의되었다. 이때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석 모델은 하기의 가정을 통해 모델링 되었다. 첫째, 과포화된 수증기는 즉시 얼음 및 서리로 승화되며, 둘때, 기체 상태로 존재하는 경우에는 이상기체법칙을 따르며, 셋째, 확산층에서 다공도 및 투과도는 등방성이고 균일한 성질을 지니며, 넷째, 중력효과는 고려하지 않으며, 다섯째, 촉매층에서의 전기화학 이중층의 충전 및 방전 현상은 고려하지 않으며, 여섯째, 가스채널과 다공성 영역은 압력구배와 속도가 작기 때문에 비압축성 층류유동인 것으로 가정하였다.
In addition, water freezing and thawing was defined through the equation of FIG. At this time, the three-dimensional numerical analysis model of the polymer electrolyte fuel cell was modeled through the following assumptions. First, the supersaturated water vapor is immediately sublimated into ice and frost, and when it is in a gaseous state, it follows the ideal gas law. Third, the porosity and permeability of the diffusion layer are isotropic and homogeneous. Fourth, Fifth, the charging and discharging phenomena of the electrochemical double layer in the catalyst layer are not taken into consideration. Sixth, the gas channel and the porous region are assumed to be incompressible laminar flow because of the small pressure gradient and velocity.

한편, 도 4 내지 도 6에 기재된 변수들에 대한 정의는 다음과 같다.
Meanwhile, the definitions of the variables described in Figs. 4 to 6 are as follows.

변수variable

A: 면적(m2), C: 몰농도 (mol/m3), cp: 비열 (J/Kg*K), Di: i종의 확산 (m2/s), F: 페러데이 상수 (96485 C/mol), hsg: 수분 승화의 잠열 (kJ/kg), i0: 교환전류밀도 (A/m2), I: 동작전류밀도 (A/cm2), j: 전송전류밀도 (A/m3), K: 수분투과성 (A/m2), MW: 분자량(kg/mol), P: 압력 (Pa), nd: 전기침투저항계수, R: 보편기체상수 (8.314 J/mol*K), S: 전송방정식의 소스용어, s: 얼음파편, T: 온도(K), t: 시간(s),

Figure 112014108387983-pat00003
: 다공성 물질의 유체의 속도와 표면 속도 (m/s), Vcell: 셀의 전위(V)A is the area (m 2 ), C is the molar concentration (mol / m 3 ), c p is the specific heat (J / Kg * K), D i is the diffusion of the i species (m 2 / s), F is the Faraday constant 96485 C / mol), h sg : latent heat (kJ / kg), i 0 of the water sublimation: exchange current density (a / m 2), i : the operating current density (a / cm 2), j : transfer current density ( A / m 3 ), K is the water permeability (A / m 2 ), MW is the molecular weight (kg / mol), P is the pressure (Pa), n d is the electroosmotic resistance coefficient, R is the universal gas constant (8.314 J / (K), t: time (s), and temperature (K)
Figure 112014108387983-pat00003
: Velocity and surface velocity (m / s) of fluid of porous material, V cell : potential of cell (V)

ε: 공극률, φ: 위상 전위 (V), η: 과전압 (V), λ: 막의 수분함유량, μ: 점도 (kg/m*s), ρ: 밀도 (kg/m3), τ: 점성 전단 응력 (N/m2), σ: 전기전도도 (S/m), κ: 이온전도도 (S/m), ξ: 화학적 유량비, δ: 두께 (mm)
(kg / m 3 ), ρ: density (kg / m 3 ), τ: viscous shear (ρ) stress (N / m 2), σ : electrical conductivity (S / m), κ: ionic conductivity (S / m), ξ: chemical flow rate, δ: thickness (mm)

윗첨자Superscript

eff: 다공성 지역에서의 실효값, mem: 막
eff: effective value in the porous region, mem: membrane

아랫첨자Subscript

0: 초기상태, a: 양극(anode), c: 음극(cathode), e: 전해액, i: 종류 기호, in: 채널 입구, m: 질량방정식, mem: 막, H2: 수소, H2O: 물, O2: 산소, sg: 승화/탈승화, u: 운동량 방정식
0: an initial state, a: a positive electrode (anode), c: a negative electrode (cathode), e: electrolyte, i: kind sign, in: channel entrance, m: mass equation, mem: film, H 2: hydrogen, H 2 O : Water, O 2 : oxygen, sg: sublimation / desublimation, u: momentum equation

상기 도 3 내지 도 6에 의해 모델링된 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 3차원 수치해석을 통해 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 인가되기 위한 구동전류밀도의 최소값을 산출할 수 있다.
The minimum value of the driving current density to be applied to the cathode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell can be calculated through the three-dimensional numerical analysis of the polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up modeled by the above-described FIG. 3 to FIG.

또한, 상기 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계(S110)는 도 7의 방법에 의해 수행될 수 있다.In addition, the step of determining whether or not it is undersaturated (S110) may be performed by the method of FIG.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법의 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계를 도시한 순서도이다. FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for determining whether water in a polymer electrolyte fuel cell is undersaturated in a method of controlling a polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start according to an embodiment of the present invention.

먼저, 기 설정된 초기조건을 적용하여 변수들을 계산한 후 다섯 개의 지배방정식인 질량*운동량, 에너지, 화학종, 전하 지배방정식을 순서대로 계산한다(S111).
질량 지배방정식(Mass Governing Equation)은 아래와 같다.

Figure 112016003143473-pat00013

운동량 지배방정식(Momentum Governing Equation)은 아래와 같다.
Figure 112016003143473-pat00014

화학종 지배방정식(Species Governing Equation)은 아래와 같다.
Figure 112016003143473-pat00015

에너지 지배방정식(Energy Governing Equation)은 아래와 같다.
Figure 112016003143473-pat00016

전하 지배방정식(Charge Governing Equation)은 아래와 같다.
Figure 112016003143473-pat00017

Figure 112016003143473-pat00018

한편, 상기 지배방정식에 기재된 변수들에 대한 정의는 다음과 같다.
변수,
A: 면적(m2), C: 몰농도 (mol/m3), cp: 비열 (J/Kg*K), Di: i종의 확산 (m2/s), F: 페러데이 상수 (96485 C/mol), hsg: 수분 승화의 잠열 (kJ/kg), i0: 교환전류밀도 (A/m2), I: 동작전류밀도 (A/cm2), j: 전송전류밀도 (A/m3), K: 수분투과성 (A/m2), MW: 분자량(kg/mol), P: 압력 (Pa), nd: 전기침투저항계수, R: 보편기체상수 (8.314 J/mol*K), S: 전송방정식의 소스용어, s: 얼음파편, T: 온도(K), t: 시간(s),
Figure 112016003143473-pat00019
: 다공성 물질의 유체의 속도와 표면 속도 (m/s), Vcell: 셀의 전위(V), ε: 공극률, φ: 위상 전위 (V), η: 과전압 (V), λ: 막의 수분함유량, μ: 점도 (kg/m*s), ρ: 밀도 (kg/m3), τ: 점성 전단 응력 (N/m2), σ: 전기전도도 (S/m), κ: 이온전도도 (S/m), ξ: 화학적 유량비, δ: 두께 (mm),
윗첨자,
eff: 다공성 지역에서의 실효값, mem: 막,
아랫첨자,
0: 초기상태, a: 양극(anode), c: 음극(cathode), e: 전해액, i: 종류 기호, in: 채널 입구, m: 질량방정식, mem: 막, H2: 수소, H2O: 물, O2: 산소, sg: 승화/탈승화, u: 운동량 방정식.First, the variables are calculated by applying the predetermined initial conditions, and then the five governing equations (mass * momentum, energy, chemical species, and charge governing equations) are sequentially calculated (S111).
The Mass Governing Equation is as follows.
Figure 112016003143473-pat00013

The Momentum Governing Equation is as follows.
Figure 112016003143473-pat00014

The Species Governing Equation is as follows.
Figure 112016003143473-pat00015

Energy Governing Equation is as follows.
Figure 112016003143473-pat00016

The charge governing equations are:
Figure 112016003143473-pat00017

Figure 112016003143473-pat00018

On the other hand, the definitions of the variables described in the governing equations are as follows.
variable,
A is the area (m 2 ), C is the molar concentration (mol / m 3 ), c p is the specific heat (J / Kg * K), D i is the diffusion of the i species (m 2 / s), F is the Faraday constant 96485 C / mol), h sg : latent heat (kJ / kg), i 0 of the water sublimation: exchange current density (a / m 2), I : the operating current density (a / cm 2), j : transfer current density ( A / m 3 ), K is the water permeability (A / m 2 ), MW is the molecular weight (kg / mol), P is the pressure (Pa), n d is the electroosmotic resistance coefficient, R is the universal gas constant (8.314 J / (K), t: time (s), and temperature (K)
Figure 112016003143473-pat00019
: Speed and surface velocity of the fluid in the porous medium (m / s), V cell : the potential of the cell (V), ε: void ratio, φ: phase voltage (V), η: voltage (V), λ: the membrane water content , μ is the viscosity (kg / m * s), ρ is the density (kg / m 3 ), τ is the viscous shear stress (N / m 2 ), σ is the electrical conductivity / m),?: chemical flow ratio,?: thickness (mm)
Superscript,
eff: effective value in the porous region, mem: membrane,
The subscript,
0: an initial state, a: a positive electrode (anode), c: a negative electrode (cathode), e: electrolyte, i: kind sign, in: channel entrance, m: mass equation, mem: film, H 2: hydrogen, H 2 O : Water, O 2 : oxygen, sg: sublimation / desublimation, u: momentum equation.

구체적으로, 기 설정된 초기조건을 적용하여 계산된 변수를 이용하여 질량*운동량 지배방정식을 계산한 후, 새로이 산출된 속도와 압력 값을 계산한다(S112).Specifically, the mass-momentum governing equation is calculated using the variables calculated by applying the predetermined initial conditions, and then the newly calculated velocity and pressure values are calculated (S112).

상기 질량*운동량 지배방정식에 의해 산출 및 계산된 속도 및 압력 값을 이용하여 에너지 지배방정식에 적용하여 각 격자에서의 온도 값을 산출한다(S113). The velocity and pressure values calculated and calculated according to the mass-momentum governing equation are applied to the energy governing equations to calculate temperature values in each grid (S113).

다음으로, 상기 에너지 지배방정식에 의해 산출된 온도 값을 이용하여 화학종 지배방정식 계산을 통해 각 격자에서 수소, 물, 산소의 농도 값을 산출한다(S114). Next, the concentration values of hydrogen, water, and oxygen are calculated in each lattice by calculating chemical species governing equations using the temperature value calculated by the energy governing equation (S114).

다음으로, 상기 화학종 지배방정식에 의해 산출된 수소, 물, 산소의 농도 값을 이용하여 전하 지배방정식을 계산하여 전류밀도 및 전압 값을 산출한다(S115).Next, a charge control equation is calculated using the hydrogen, water, and oxygen concentration values calculated by the chemical species governance equation to calculate a current density and a voltage value (S115).

다음으로, 상기 전하 지배방정식에 의해 산출된 전류밀도 및 전압 값과 미리 정해놓은 수렴조건을 비교하여, 상기 미리 정해놓은 수렴조건(잔차 <10-6)을 만족하지 못하면 다시 에너지 지배방정식부터 계산을 수행(S113)하고, 수렴조건(잔차 <10-6)을 만족한 이후에는 다음 단계를 수행한다(S116).Next, the current density and voltage value calculated by the charge governing equation are compared with a predetermined convergence condition, and if the predetermined convergence condition (residual <10 -6 ) is not satisfied, calculation from the energy governing equations is again performed (S113). After the convergence condition (residual <10 -6 ) is satisfied, the next step is performed (S116).

다음으로, 상기 수렴조건(잔차 <10-6)을 만족한 이후(S116)에는 정해놓은 계산 시간보다 크면 계산을 종료하고 작으면 변수들을 최신화 시켜, 질량*운동량 지배방정식을 계산한 후, 새로이 산출된 속도와 압력 값을 계산(S112)한다.
Next, after the convergence condition (residual <10.sup.- 6 ) is satisfied (S116), the calculation is terminated if the calculated time is longer than the predetermined calculation time. If the convergence condition is smaller than the predetermined calculation time, the variables are updated to calculate the mass / momentum governing equation, The calculated velocity and pressure values are calculated (S112).

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples are provided to illustrate the present invention, but the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

S100: 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.1 A/cm2 제 1 전류밀도 값을 인가하였다.S100: The anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell was coated with 0.1 A / cm 2 A first current density value was applied.

S120: 30초 후(고분자 전해질 연료전지 내부온도가 -10°C일 때), 상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.15 A/cm2의 제 2 전류밀도 값을 인가하였다.S120: A second current density value of 0.15 A / cm 2 was applied to the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell after 30 seconds (when the inside temperature of the polymer electrolyte fuel cell was -10 ° C).

이때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 εi 는 0.2, εcCL 은 0.4, δcCL 은 10?이다.
At this time, ε i of the polymer electrolyte fuel cell is 0.2, ε cCL is 0.4, and δ cCL is 10 ?.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.1 A/cm2 제 1 전류밀도 값을 인가하였다. 이때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 εi 는 0.2, εcCL 은 0.4, δcCL 은 10㎛이다.
In the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, 0.1 A / cm &lt; 2 &gt; A first current density value was applied. At this time, ε i of the polymer electrolyte fuel cell is 0.2, ε cCL is 0.4, and δ cCL is 10 μm.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.15 A/cm2의 제 1 전류밀도 값을 인가하였다. 이때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 εi 는 0.2, εcCL 은 0.4, δcCL 은 10㎛이다.
A first current density value of 0.15 A / cm &lt; 2 &gt; was applied to the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell. At this time, ε i of the polymer electrolyte fuel cell is 0.2, ε cCL is 0.4, and δ cCL is 10 μm.

<비교예 3>&Lt; Comparative Example 3 &

S100: 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.1 A/cm2 제 1 전류밀도 값을 인가하였다.S100: The anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell was coated with 0.1 A / cm 2 A first current density value was applied.

S120: 10초 후(고분자 전해질 연료전지 내부온도가 약-18°C일 때), 상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층에 0.15 A/cm2의 제 2 전류밀도 값을 인가하였다. 이때, 상기 고분자 전해질 연료전지의 εi 는 0.2, εcCL 은 0.4, δcCL 은 10㎛이다.
S120: A second current density value of 0.15 A / cm &lt; 2 &gt; was applied to the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell after 10 seconds (when the inside temperature of the polymer electrolyte fuel cell was about -18 DEG C.). At this time, ε i of the polymer electrolyte fuel cell is 0.2, ε cCL is 0.4, and δ cCL is 10 μm.

도 8 및 도 9는 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3의 조건에서 수행한 결과를 도시한 그래프이다.FIGS. 8 and 9 are graphs showing the results obtained under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.

도 8은 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3의 조건에서 시간에 따른 얼음 축적량(mg/cm2) 및 시간에 따른 셀(cell)의 온도를 나타내는 그래프이고, 도 9는 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 3의 조건에서 시간에 따른 셀(cell)의 전압(V) 및 시간에 따른 물 함유량을 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the ice accumulation amount (mg / cm 2 ) and the cell temperature over time under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, (V) of a cell with time and a water content with time under the conditions of Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.

도 8을 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2를 비교하면, 제 1 전류밀도 값이 높을수록 산소환원반응에 의한 물생성량이 증가하여 공기극 촉매층에 얼음생성량이 높게 나타나는 것을 볼 수 있고 또한, 높은 제 1 전류밀도 값에 의해 손실되는 열이 증가하여 온도상승률도 높게 나타난다. 따라서, 비교예 2는 비교예 1에 비해 온도상승률이 높기 때문에 0°C 에 먼저 도달하지만 공기극 촉매층에 생성되는 얼음 생성량이 비교예 1 보다 많게 되는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 3 및 실시예 1을 비교하면, 얼음 생성단계에서 제 2 전류밀도를 인가시키는 비교예 3의 경우에는 비교예 2와 유사한 얼음생성률과 온도증가율이 나타나지만, 얼음이 생성되지 않고 유지되는 단계에서 제 2전류밀도를 인가시키는 실시예 1은 비교예 1과 유사한 얼음생성량인 것을 알 수 있으며, 비교예 2와 동일한 온도상승률인 것을 알 수 있는바, 실시예 1의 방법이 가장 효과적인 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 8, when the first current density value is higher, the amount of water produced by the oxygen reduction reaction is increased and the amount of ice produced in the air electrode catalyst layer is higher than that of Comparative Example 1, The heat lost due to the first current density value is increased and the temperature increasing rate is also high. Therefore, it can be seen that the amount of ice produced in the air electrode catalyst layer is larger than that in Comparative Example 1, although the temperature of the Comparative Example 2 is higher than that of Comparative Example 1 because the rate of temperature rise is higher than 0 ° C. On the other hand, in the case of Comparative Example 3 and Example 1, in the case of Comparative Example 3 in which the second current density is applied in the ice producing step, the ice generation rate and the temperature increasing rate similar to those of Comparative Example 2 are shown, It can be seen that Example 1 in which the second current density is applied is an amount of ice produced similar to Comparative Example 1 and that the rate of temperature rise is the same as that in Comparative Example 2. The method of Example 1 was found to be most effective .

도 9를 참조하면, 전압감소의 정도는 인가되는 전류밀도 값에 의해 결정되며, 특히, 비교예 3 및 실시예 1은 얼음생성단계 또는 얼음이 생성되지 않고 유지되는 단계에서 인가되는 제 2 전류밀도 값에 의해 두 번째 전압감소가 나타나지만, 물의 역확산에 의한 전해질 막의 재수화에 의해 다시 전압이 상승하는 것을 알 수 있다. 한편, 전해질 막의 물함량은 초기에는 전기삼투압에 의해 감소하는 경향을 보이는 반면, 산소환원반응에 의해 공기극 촉매층에서 생성되는 물의 역확산에 의해 다시 증가하는 경향이 나타나며, 특히, 온도가 0°C 보다 크게 되는 시점에서 얼음이 녹아 물함량이 갑자기 상승하는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 9, the degree of the voltage reduction is determined by the applied current density value, and in particular, in Comparative Example 3 and Example 1, the second current density applied in the step of generating ice, The second voltage reduction is shown by the value, but the voltage rises again by the re-watering of the electrolyte membrane due to the water despreading. On the other hand, the water content of the electrolyte membrane initially tends to decrease due to electroosmosis, while it tends to increase again by the back diffusion of water generated in the air electrode catalyst layer by the oxygen reduction reaction, It can be seen that the water content is suddenly increased due to the melting of ice at the time of increase.

3차원 저온시동 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과는 불포화 단계에서 전류 상승이 기존의 전류 상승방법에서 나타난 문제점인 추가적인 얼음생성 없이 고분자 연료전지의 온도가 빠르게 0℃ 에 도달하는 것으로 나타났으며, 본 발명과 같은 방법은 고분자전해질 연료전지 자동차의 온도상승을 위한 추가적인 장치 없이 연료전지에 인가되는 전류밀도 값의 제어만으로도 저온시동 문제를 해결할 수 있다.
Simulation using a three-dimensional low-temperature start-up model showed that the temperature of the polymer fuel cell quickly reached 0 ° C without generating additional ice, which is a problem in the current rise method at the unsaturation step. The method according to the present invention can solve the low-temperature start-up problem only by controlling the current density value applied to the fuel cell without any additional device for raising the temperature of the polymer electrolyte fuel cell vehicle.

100: 고분자 전해질 연료전지
110: 음극 확산층
120: 음극 미세전극층
130: 양극 확산층
140: 양극 미세전극층
150: 촉매코팅 멤브레인
151: 음극 촉매층
152: 양극 촉매층
153: 멤브레인층
100: Polymer electrolyte fuel cell
110: cathode diffusion layer
120: Cathode fine electrode layer
130: anode diffusion layer
140: positive electrode fine electrode layer
150: catalyst coating membrane
151: cathode catalyst layer
152: anode catalyst layer
153: Membrane layer

Claims (6)

고분자 전해질 연료전지의 제어방법에 있어서,
고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 제 1 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가하는 단계;
고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 고분자 전해질 연료전지의 음극 촉매층 및 양극 촉매층에 상기 제 1 전류밀도 보다 높은 제 2 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가하는 단계;를 포함하고,
상기 제 2 전류밀도가 흐르도록 전압을 인가하는 단계는, 상기 고분자 전해질 연료전지 내부의 수분이 불포화상태(undersaturated)일 때 수행되는 것을 특징으로 하는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법.
A method for controlling a polymer electrolyte fuel cell,
Applying a voltage to the anode catalyst layer and the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell such that a first current density flows;
Determining whether moisture inside the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated; And
And applying a voltage to the anode catalyst layer and the anode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell so that a second current density higher than the first current density flows,
Wherein the step of applying a voltage such that the second current density flows is performed when moisture inside the polymer electrolyte fuel cell is undersaturated.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 전류밀도는,
상기 고분자 전해질 연료전지가 구동되기 위한 전류밀도 값인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 제어방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first current density is a current density,
Wherein the current density value for driving the polymer electrolyte fuel cell is a current density value for driving the polymer electrolyte fuel cell.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 전류밀도는,상기 제 1 전류밀도의 1.1 내지 2.0 배의 전류밀도인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 제어방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second current density is 1.1 to 2.0 times the current density of the first current density.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계는,
상기 고분자 전해질 연료전지의 내부 온도가 -10°C 내지 0°C 의 범위일 때 수행되는 것을 특징으로 하는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of determining whether the polymer is undersaturated comprises:
Wherein the control is performed when the internal temperature of the polymer electrolyte fuel cell is in the range of -10 ° C to 0 ° C.
제 1항에 있어서,
상기 불포화상태(undersaturated)인지 여부를 판단하는 단계는,
기 설정된 초기조건을 적용하여 변수를 계산하는 단계;
상기 기 설정된 초기조건을 적용하여 계산된 변수를 이용하여 질량 지배방정식 및 운동량 지배방정식을 계산하여 산출된 속도 및 입력값을 계산하는 단계;
상기 질량 지배방정식 및 운동량 지배방정식에 의해 산출 및 계산된 속도 및 입력 값을 에너지 지배방정식에 적용하여 각 격자에서의 온도 값을 산출하는 단계;
상기 에너지 지배방정식에 의해 산출된 온도 값을 이용하여 화학종 지배방정식을 계산하여 각 격자에서의 수소, 물, 산소의 농도 값을 산출하는 단계;
상기 화학종 지배방정식에 의해 산출된 수소, 물, 산소의 농도 값을 이용하여 전하 지배방정식을 계산하여 전류밀도 및 전압 값을 산출하는 단계;
상기 전하 지배방정식에 의해 산출된 전류밀도 및 전압 값과 미리 정해놓은 수렴조건을 비교하여, 상기 미리 정해진 수렴조건에 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및
미리 정해진 시간보다 큰지 여부를 판단하는 단계;를 포함하고,
상기 질량 지배방정식, 운동량 지배방정식, 에너지 지배방정식, 화학종 지배방정식 및 전하 지배방정식은 아래와 같은 것을 특징을 하는 저온시동을 위한 고분자 전해질 연료전지의 제어방법:
질량 지배방정식은,
Figure 112016003143473-pat00020

운동량 지배방정식은,
Figure 112016003143473-pat00021

에너지 지배방정식은,
Figure 112016003143473-pat00022

화학종 지배방정식은,
Figure 112016003143473-pat00023

전하 지배방정식은,
Figure 112016003143473-pat00024

Figure 112016003143473-pat00025
,
상기 각각의 지배방정식에 기재된 변수, 윗첨자 및 아랫첨자는 각각
변수,
A: 면적(m2), C: 몰농도 (mol/m3), cp: 비열 (J/Kg*K), Di: i종의 확산 (m2/s), F: 페러데이 상수 (96485 C/mol), hsg: 수분 승화의 잠열 (kJ/kg), i0: 교환전류밀도 (A/m2), I: 동작전류밀도 (A/cm2), j: 전송전류밀도 (A/m3), K: 수분투과성 (A/m2), MW: 분자량(kg/mol), P: 압력 (Pa), nd: 전기침투저항계수, R: 보편기체상수 (8.314 J/mol*K), S: 전송방정식의 소스용어, s: 얼음파편, T: 온도(K), t: 시간(s),
Figure 112016003143473-pat00026
: 다공성 물질의 유체의 속도와 표면 속도 (m/s), Vcell: 셀의 전위(V), ε: 공극률, φ: 위상 전위 (V), η: 과전압 (V), λ: 막의 수분함유량, μ: 점도 (kg/m*s), ρ: 밀도 (kg/m3), τ: 점성 전단 응력 (N/m2), σ: 전기전도도 (S/m), κ: 이온전도도 (S/m), ξ: 화학적 유량비, δ: 두께 (mm),
윗첨자,
eff: 다공성 지역에서의 실효값, mem: 막,
아랫첨자,
0: 초기상태, a: 양극(anode), c: 음극(cathode), e: 전해액, i: 종류 기호, in: 채널 입구, m: 질량방정식, mem: 막, H2: 수소, H2O: 물, O2: 산소, sg: 승화/탈승화, u: 운동량 방정식.

The method according to claim 1,
Wherein the step of determining whether the polymer is undersaturated comprises:
Calculating a variable by applying a predetermined initial condition;
Calculating a velocity and an input value by calculating a mass governance equation and a momentum governance equation using a variable calculated by applying the predetermined initial condition;
Calculating a temperature value in each grid by applying a velocity and an input value calculated and calculated according to the mass governance equation and the momentum governance equation to an energy governing equation;
Calculating a concentration value of hydrogen, water, and oxygen in each lattice by calculating a chemical species governance equation using the temperature value calculated by the energy governing equation;
Calculating a current density and a voltage value by calculating a charge governance equation using the concentration values of hydrogen, water, and oxygen calculated by the chemical species governance equation;
Comparing the current density and voltage value calculated by the charge governing equation with a predetermined convergence condition to determine whether the predetermined convergence condition is satisfied; And
Determining whether the time is greater than a predetermined time,
The control method of the polymer electrolyte fuel cell for low-temperature start-up characterized by the mass governing equations, momentum governing equations, energy governing equations, chemical species governing equations and charge governing equations are as follows:
The mass governance equation,
Figure 112016003143473-pat00020

The momentum governance equation,
Figure 112016003143473-pat00021

The energy governing equations,
Figure 112016003143473-pat00022

The chemical species governing equations,
Figure 112016003143473-pat00023

The charge governance equation,
Figure 112016003143473-pat00024
And
Figure 112016003143473-pat00025
,
The variables, superscripts and subscripts described in the respective governing equations are
variable,
A is the area (m 2 ), C is the molar concentration (mol / m 3 ), c p is the specific heat (J / Kg * K), D i is the diffusion of the i species (m 2 / s), F is the Faraday constant 96485 C / mol), h sg : latent heat (kJ / kg), i 0 of the water sublimation: exchange current density (a / m 2), I : the operating current density (a / cm 2), j : transfer current density ( A / m 3 ), K is the water permeability (A / m 2 ), MW is the molecular weight (kg / mol), P is the pressure (Pa), n d is the electroosmotic resistance coefficient, R is the universal gas constant (8.314 J / (K), t: time (s), and temperature (K)
Figure 112016003143473-pat00026
: Speed and surface velocity of the fluid in the porous medium (m / s), V cell : the potential of the cell (V), ε: void ratio, φ: phase voltage (V), η: voltage (V), λ: the membrane water content , μ is the viscosity (kg / m * s), ρ is the density (kg / m 3 ), τ is the viscous shear stress (N / m 2 ), σ is the electrical conductivity / m),?: chemical flow ratio,?: thickness (mm)
Superscript,
eff: effective value in the porous region, mem: membrane,
The subscript,
0: an initial state, a: a positive electrode (anode), c: a negative electrode (cathode), e: electrolyte, i: kind sign, in: channel entrance, m: mass equation, mem: film, H 2: hydrogen, H 2 O : Water, O 2 : oxygen, sg: sublimation / desublimation, u: momentum equation.

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