KR101724730B1 - Activity measurement method for electrode of fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 전극 활성도 측정 방법에 있어서, 실제 연료전지의 운전 환경과 동일한 조건에서 연료전지 셀 단위의 전극 활성도를 정량 평가할 수 있는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 연료전지 반응이 일어나도록 반응기체인 수소와 공기를 분리판을 통해 연료전지 셀의 애노드와 캐소드에 공급하는 과정; 상기 반응기체의 공급 동안 전원장치로부터 연료전지 셀에 전압을 인가하되, 전압을 단계적으로 변화시켜 인가하는 과정; 상기 각 전압 단계마다 전류측정장치를 이용하여 연료전지 셀에서 발생하는 전류를 측정하는 과정; 및 상기 전원장치에 의해 인가된 전압과 전류측정장치에 의해 측정된 전류로부터 전극 활성도의 기준이 되는 타펠 기울기(Tafel Slope)를 구하는 과정;을 포함하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법이 개시된다.A main object of the present invention is to provide a method for measuring the electrode activity of a fuel cell capable of quantitatively evaluating the electrode activity of each fuel cell cell under the same condition as the actual operating environment of the fuel cell in the method of measuring the electrode activity of the fuel cell . In order to achieve the above object, there is provided a process for producing a fuel cell, comprising the steps of: supplying hydrogen and air as a reactor to an anode and a cathode of a fuel cell through a separator to cause a fuel cell reaction; Applying a voltage to the fuel cell cell from a power source device during the supply of the reactive gas, the voltage being changed stepwise; Measuring a current generated in the fuel cell using a current measuring device for each of the voltage steps; And measuring a voltage applied by the power source device and a current measured by the current measuring device to obtain a Tafel Slope which is a reference of the electrode activity.
Description
본 발명은 연료전지의 전극 활성도 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실제 연료전지의 운전 환경과 동일한 조건에서 연료전지 셀 단위의 전극 활성도를 정량 평가할 수 있는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for measuring an electrode activity of a fuel cell, and more particularly, to a method for measuring an electrode activity of a fuel cell capable of quantitatively evaluating electrode activity in a fuel cell unit under the same conditions as actual operating conditions .
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 발전장치로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있다. The fuel cell is a power generation device that converts the chemical energy of the fuel into electricity by reacting it electrochemically in the stack without converting it into heat by combustion. As a power source for driving the vehicle, a polymer having a high power density (PEMFC) is the most studied.
고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA), 반응기체를 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층, 반응기체 및 냉각수를 반응 유로를 따라 이동시키는 분리판, 그리고 반응기체 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압 유지를 위한 가스켓 및 체결기구를 포함하여 구성된다.Polymer Electrolyte Membrane The fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides of the membrane, centered on a solid polymer electrolyte membrane on which hydrogen ions migrate, a membrane electrode assembly (MEA) A separator for moving the reaction gas and the cooling water along the reaction channel, and a gasket and a fastening mechanism for maintaining the tightness of the reaction gas and the cooling water and maintaining the proper tightening pressure.
고분자 전해질막 연료전지의 전기 생성을 위한 전기화학반응을 보면, 막전극접합체 내 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온인 프로톤(Proton)과 전자로 분리된 후, 프로톤은 막전극접합체의 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드(Cathode)쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. Polymer Electrolyte Membrane The electrochemical reaction for the electricity generation of a fuel cell shows that the hydrogen supplied to the anode which is an oxidizing electrode in the membrane electrode assembly is separated into proton which is a hydrogen ion and electrons, And the electrons move to the cathode through an external circuit, and a current is generated by the flow of the electrons.
또한 캐소드에서 산소 분자, 프로톤 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다. In addition, oxygen molecules, protons and electrons react together at the cathode to generate electricity and heat, and at the same time to produce water as a reaction by-product.
한편, 연료전지의 전극 활성을 측정하기 위한 방법으로 종래에는 수소와 질소 가스를 이용한 CV(Cyclic Voltammetry) 측정 방법을 이용하고 있다. On the other hand, conventionally, a method of measuring a cyclic voltammetry (CV) using hydrogen and nitrogen gas is used as a method for measuring the electrode activity of a fuel cell.
그러나, 이 경우 수소와 질소를 사용하기 때문에 실제 운전 조건과 다르다는 문제와 함께 연료전지의 실제 반응에 해당하는 전극의 활성을 정량화할 수 없다는 단점이 있다.However, in this case, since hydrogen and nitrogen are used, there is a disadvantage that it is different from the actual operating condition and the activity of the electrode corresponding to the actual reaction of the fuel cell can not be quantified.
특히, 전극의 활성을 수소 분자의 흡, 탈착 영역으로만 측정하기 때문에 연료전지의 주요 반응인 산소 가스의 반응영역에 대해서는 정량화가 어렵다는 문제가 있다.
In particular, since the activity of the electrode is measured only as the adsorption / desorption region of the hydrogen molecule, there is a problem that it is difficult to quantify the reaction region of the oxygen gas, which is the main reaction of the fuel cell.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 실제 연료전지의 운전 환경과 동일한 조건에서 연료전지 셀 단위의 전극 활성도를 정량 평가할 수 있는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method for measuring the electrode activity of a fuel cell capable of quantitatively evaluating the electrode activity of each fuel cell unit under the same conditions as the actual operating environment of the fuel cell. There is a purpose.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연료전지 반응이 일어나도록 반응기체인 수소와 공기를 분리판을 통해 연료전지 셀의 애노드와 캐소드에 공급하는 과정; 상기 반응기체의 공급 동안 전원장치로부터 연료전지 셀에 전압을 인가하되, 전압을 단계적으로 변화시켜 인가하는 과정; 상기 각 전압 단계마다 전류측정장치를 이용하여 연료전지 셀에서 발생하는 전류를 측정하는 과정; 및 상기 전원장치에 의해 인가된 전압과 전류측정장치에 의해 측정된 전류로부터 전극 활성도의 기준이 되는 타펠 기울기(Tafel Slope)를 구하는 과정;을 포함하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: a fuel cell; an anode and a cathode of a fuel cell through a separator; Applying a voltage to the fuel cell cell from a power source device during the supply of the reactive gas, the voltage being changed stepwise; Measuring a current generated in the fuel cell using a current measuring device for each of the voltage steps; And measuring a voltage applied by the power source device and a current measured by the current measuring device to obtain a Tafel Slope which is a reference of the electrode activity.
여기서, 상기 전압을 인가하는 과정에서 미리 설정된 최대 전압을 인가한 뒤 단계적으로 일정 값만큼 전압을 낮춰가는 방식으로 인가하는 것을 특징으로 한다.Herein, in the process of applying the voltage, a predetermined maximum voltage is applied and then the voltage is lowered by a predetermined value in a stepwise manner.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전극 활성도 측정 방법은, 선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)을 통해 연료전지 셀의 내부 전류를 측정하는 과정; 및 상기 타펠 기울기와 내부 전류로부터 전극 활성도의 또 다른 기준이 되는 교환 전류 밀도를 구하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electrode activity measuring method comprising: measuring an internal current of a fuel cell through a linear sweep voltammetry (LSV); And calculating an exchange current density which is another reference of the electrode activity from the inclination of the tarpaulin and the internal current.
또한 상기 연료전지 셀의 양단 분리판에 접촉되도록 도전성 치구를 결합한 뒤 도전성 치구에 전원장치를 연결하여 전압 인가시 도전성 치구를 통해 전압을 인가하고, 전류 측정시에는 연료전지 셀의 양단 분리판에 전류측정장치를 연결하여 측정하는 것을 특징으로 한다.
In addition, a conductive jig is connected to the both ends of the fuel cell, and then a power supply is connected to the conductive jig to apply a voltage through the conductive jig when a voltage is applied. When the current is measured, And measuring by connecting a measuring device.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지의 전극 활성도 측정 방법에 의하면, 실제 연료전지의 운전 환경과 동일한 조건에서 연료전지 셀 단위의 전극 활성도를 정량 평가할 수 있으며, 연료전지 스택 제작 전 사전에 전극 활성도를 측정하여 분량 셀을 선별할 수 있게 된다.According to the method for measuring the activity of the fuel cell according to the present invention, it is possible to quantitatively evaluate the electrode activity of each fuel cell cell under the same conditions as the actual operating environment of the fuel cell. So that it is possible to select a specific cell.
이와 더불어 연료전지의 주행 및 내구 평가 진행 후 전극 열화에 대한 정량 평가가 가능해지며, 성능 저하의 원인을 규명하는데 유용하게 활용될 수 있다.
In addition, it is possible to quantitatively evaluate the deterioration of the electrode after running and durability evaluation of the fuel cell, and it can be usefully used to identify the cause of performance degradation.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 전극 활성도 측정을 위한 장치 구성을 나타내는 도면이다.
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 측정 과정에서 얻은 결과 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing an apparatus configuration for measuring an electrode activity of a fuel cell according to the present invention; FIG.
2 and 3 are graphs of results obtained in the measurement process according to the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
본 발명은 연료전지의 전극 활성도 측정 방법에 관한 것으로서, 연료전지 셀 단위에서 실제 연료전지 반응이 일어나는 전극의 성능과 활성을 정량화할 수 있는 기술을 제공하기 위한 것이며, 특히 연료전지의 주요 반응인 산소 가스 반응에 대한 전극의 활성을 정량화할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a method for measuring electrode activity of a fuel cell, and is intended to provide a technique capable of quantifying the performance and activity of an electrode in which a fuel cell reaction actually occurs in a fuel cell unit. Particularly, And to provide a method for quantifying the activity of an electrode against a gas reaction.
이러한 본 발명에서는 차량용 동력원으로 사용되는 실제 연료전지의 반응을 유도하기 위해 차량용 연료전지와 동일한 반응기체, 즉 수소와 공기를 공급하면서 전극의 활성도를 측정하게 되며, 수소와 공기를 공급함과 동시에 연료전지 셀에 전압을 인가하는 동안 연료전지 셀에서 발생하는 전류를 측정하여 타펠 기울기 및 교환 전류 밀도를 구하는 방식으로 진행함에 주된 특징이 있다. In the present invention, in order to induce a reaction of an actual fuel cell used as a power source for a vehicle, the activity of the electrode is measured while supplying the same reaction gas as the vehicle fuel cell, that is, hydrogen and air. The current flowing through the fuel cell is measured while the voltage is applied to the cell, and the tendency and the exchange current density are obtained.
먼저, 도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 전극 활성도 측정을 위한 장치 구성을 나타내는 도면으로서, 연료전지 단(單) 셀에 대한 전극의 활성도를 측정하는 방법을 나타내고 있다.First, FIG. 1 is a view showing an apparatus configuration for measuring electrode activity of a fuel cell according to the present invention, and shows a method for measuring the activity of an electrode with respect to a fuel cell single cell.
장치의 구성을 살펴보면, 도시된 바와 같이, 연료전지 셀(10)에서 실제 차량용 연료전지와 동일한 연료전지 반응이 일어나도록 반응기체인 수소와 공기를 분리판(12)을 통해 연료전지 셀(10)의 애노드와 캐소드에 각각 공급하는 동안 연료전지 셀(10)에 전압을 인가하기 위한 전원장치(21)와, 연료전지 셀(10)에서 발생하는 전류를 측정하기 위한 전류측정장치(22)를 주된 구성으로 한다.As shown in the figure, the hydrogen and air in the form of a reactor are supplied to the
이러한 구성에서, 전원장치(21)는 연료전지 셀(10)에 원하는 전압을 인가할 수 있도록 연료전지 셀(10)의 양단 분리판(12)에 접촉되도록 설치한 도전성(導電性) 치구(13)에 와이어링을 통해 연결되며, 전류측정장치(22)는 전압 인가 및 연료전지 반응 동안 연료전지 셀(10)에서 발생하는 전류를 측정할 수 있도록 연료전지 셀(10)의 양단 분리판(12)에 와이어링을 통해 연결된다.The
이에 전압 인가시 전원장치(21)로부터 도전성 치구(13)를 통해 연료전지 셀(10)에 전압을 인가할 수 있게 되고, 이렇게 전압이 인가되는 동안 전류측정장치(22)에 의해 연료전지 셀(10)의 양단 분리판(12)에서 전류를 측정할 수 있게 된다.A voltage can be applied from the
그리고, 측정 대상이 되는 연료전지 셀(10)의 구성에 대해 간단히 설명하면, 상기 분리판(12)은 통상의 연료전지에서와 마찬가지로 반응기체인 수소와 공기(산소)를 공급하기 위한 반응기체 유로를 가지는 것으로, 막전극접합체(11)에 반응기체인 수소와 산소를 공급할 수 있도록 막전극접합체(11)의 양면에 접합되어 구비된다.The
상기 막전극접합체(11)는 기체확산층이 접합된 막전극접합체로서, 수소 이온이 이동하는 전해질막의 양면에 전기화학 반응을 위한 촉매전극층이 부착되고 그 바깥쪽으로 기체확산층이 접합된 구성을 갖는다. The
이러한 장치 구성을 이용하여 전극 활성도를 측정하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.A process of measuring the electrode activity using such a device configuration will be described as follows.
본 발명에서는 연료전지 셀(10)에 수소와 질소가 아닌 수소와 공기 가스를 공급하는 동시에 전압을 인가하는 동안 전극의 활성도를 측정하며, 여기서 전극의 활성도는 그 평가 기준이 되는 타펠 기울기(Tafel Slope)와 교환 전류 밀도(Exchange Current Density, i0)를 의미한다.In the present invention, the activity of the electrode is measured while supplying hydrogen and air gas, not hydrogen and nitrogen, to the
이러한 본 발명의 전극 활성도 측정 방법은, 연료전지 반응이 일어나도록 반응기체인 수소와 공기를 분리판(12)을 통해 연료전지 셀(10)의 애노드와 캐소드에 공급하는 과정, 상기 반응기체의 공급 동안 전원장치(21)로부터 연료전지 셀(10)에 전압을 인가하되, 전압을 단계적으로 변화시켜 인가하는 과정, 상기 각 전압 단계마다 전류측정장치(22)를 이용하여 연료전지 셀(10)에서 발생하는 전류를 측정하는 과정, 및 상기 전원장치(21)에 의해 인가된 전압과 전류측정장치(22)에 의해 측정된 전류로부터 전극 활성도의 기준이 되는 타펠 기울기를 구하는 과정을 포함한다.The method for measuring the electrode activity of the present invention includes the steps of supplying hydrogen and air as reactors to the anode and the cathode of the
각 과정별로 좀더 상세히 설명하면, 차량용 연료전지(PEMFC)에서는 연료전지 반응의 성능이 애노드보다 주로 캐노드의 반응에 의해 좌우되기 때문에, 실제 연료전지 반응에서와 동일하게 수소와 공기를 애노드와 캐소드에 성능 평가 범위(타펠 영역의 저전류 영역임)의 미리 설정된 최소 유량으로 공급한다.In more detail, the performance of a fuel cell reaction in a vehicle fuel cell (PEMFC) depends on the reaction of the cannon rather than the anode, so hydrogen and air are supplied to the anode and cathode Is supplied at a predetermined minimum flow rate of the performance evaluation range (low current region of the Tapsell region).
또한 반응기체가 공급되는 상태에서 연료전지 셀(10)에 전원장치(21)를 이용하여 미리 설정된 최대 전압을 인가한 뒤 일정 값만큼 단계적으로 전압을 낮춰가는 방식으로 전압을 인가하고, 각 단계의 전압을 인가할 때마다 발생하는 전류를 전류측정장치(22)를 이용하여 측정 및 기록한다.Also, a voltage is applied in such a manner that a predetermined maximum voltage is applied to the
예컨대, 설정된 최대 전압을 0.95 V로 할 때 이를 기준으로 10 mV씩 단계적으로 전압을 낮춰가면서 인가할 수 있고, 이때 발생하는 전류 값이 전극에서 발생하는 환원 전류와 동일한 값이 되며, 그 측정 전류는 도 2에 나타낸 바와 같다. For example, when the set maximum voltage is 0.95 V, it can be applied while gradually decreasing the voltage by 10 mV based on this, and the current value generated at this time becomes the same value as the reduction current generated at the electrode, As shown in Fig.
결국, 전원장치(21)에서 인가되는 전압과 전류측정장치(22)에서 측정된 전류로부터 전극 활성도의 기준이 되는 타펠 기울기를 구할 수 있게 되며, 타펠 기울기를 구하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.As a result, the Telfel slope which is a reference of the electrode activity can be obtained from the voltage applied from the
연료전지의 경우 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나기 때문에 발생하는 환원 전류가 전극의 활성을 의미하는데, 이에 본 발명에서는 실제 반응기체인 산소를 포함하는 공기를 공급하여 캐소드의 활성을 위주로 측정하며, 실제 연료전지 반응과 동일한 조건에서 타펠 기울기를 측정함으로써 실제 연료전지 반응에 기여하는 전극의 활성도를 정량화할 수 있다.In the case of a fuel cell, the reduction current generated due to the reduction reaction of oxygen at the cathode electrode means the activity of the electrode. Thus, in the present invention, the cathode including the oxygen as the actual reactor is supplied to measure the activity of the cathode. The activity of the electrode contributing to the actual fuel cell reaction can be quantified by measuring the inclination of the Tappel under the same conditions as the fuel cell reaction.
이와 더불어, 전극 활성도의 또 다른 기준인 교환 전류 밀도를 추가로 구할 수 있는데, 이를 위해서 각 전압 단계에서 선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)를 통해 연료전지 셀의 내부 전류(Internal Current Density)를 측정한다.In addition, the exchange current density, which is another criterion of the electrode activity, can be further obtained. To do this, the internal current density (DIN) of the fuel cell through the linear sweep voltammetry (LSV) ).
교환 전류 밀도는 타펠 기울기와 내부 전류로부터 구해질 수 있으며(하기 식(1) 참조), 교환 전류 밀도를 구하는 방법에 대해서는 후술하기로 한다.The exchange current density can be obtained from the inclination of the Tappel and the internal current (see the following formula (1)), and a method for obtaining the exchange current density will be described later.
또한 LSV를 이용하여 내부 전류를 구하는 방법에 대해서는 당업자에 있어서 잘 알려진 공지의 기술적 사항이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.The method of obtaining the internal current using the LSV is well known in the art and will not be described in detail.
이하, 연료전지 셀에 인가되는 전압과 측정 전류 값을 이용하여 타펠 기울기와 교환 전류 밀도를 구하는 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of calculating the inclination of the Tappel and the exchange current density using the voltage and the measured current value applied to the fuel cell will be described.
방법의 설명에 앞서서, 참고로 연료전지의 반응에 의한 전압은 아래와 같은 식(1)로 나타낼 수 있다.Prior to the explanation of the method, the voltage due to the reaction of the fuel cell can be expressed by the following equation (1).
E = E0 - RT/nαFln(in/i0) (1) E = E 0 - RT / nαFln (i n / i 0) (1)
여기서, E는 실제 OCV(Open Circuit Voltage)를 나타내고, E0는 연료전지의 이론 전위(1.23 V), R은 오믹 저항(Ohmic Resistance), T는 연료전지의 운전온도, n은 반응에 참여하는 전자의 개수, α는 전달 계수(Transfer Coefficient, 예로서 0.5로 설정될 수 있음), F는 페러데이 상수, in은 연료전지의 내부 전류(Internal Current Density), i0는 교환 전류 밀도(Exchange Current Density)를 나타낸다.Where E is the actual OCV (open circuit voltage), E 0 is the theoretical potential of the fuel cell (1.23 V), R is the ohmic resistance, T is the operating temperature of the fuel cell, F is the Faraday constant, i n is the internal current density of the fuel cell, i 0 is the exchange current density (exchange current density) Density.
이때, 활성 과전압(Activation Over Voltage)은 타펠 기울기와, 타펠 기울기로부터 구해진 교환 전류 밀도(i0) 값에 의해 구해지는 값이 되며, 아래 식(2)로 나타낼 수 있다.At this time, the activation overvoltage is a value obtained by the value of the exchange current density (i 0 ) obtained from the Tappel slope and the Tappel slope, and can be expressed by the following equation (2).
V = - RT/nαFln(in/i0) (2) V = - RT / n? Fln (i n / i 0 ) (2)
또한 저항에 의한 과전압 Vr, 질량 전달 과전압(Mass Transfer Over Voltage) Vm은 각각 아래 식(3)과 식(4)로 나타낼 수 있다.The overvoltage V r and the mass transfer overvoltage V m due to the resistance can be expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
Vr = iR (3)V r = iR (3)
Vm = - RT/2Fln(1-i/il) (4)V m = - RT / 2Fln (1-i / i 1 ) (4)
활성 과전압을 나타내는 식(2)에서 상수인 RT/nαF가 타펠 기울기이며, 이는 도 3에 나타낸 그래프에서 구한 기울기가 된다.In the formula (2) representing the active overvoltage, the constant RT / n? F is the Tappel slope, which is the slope obtained from the graph shown in FIG.
또한 타펠 기울기가 구해지면, 식(1)에 의해 타펠 기울기와 연료전지의 내부 전류(in) 값으로부터 교환 전류 밀도(i0) 값이 구해질 수 있고, 구해진 타펠 기울기와 교환 전류 밀도(i0)가 연료전지 셀의 전극 활성도를 평가할 수 있는 기준이 된다.In addition, when the Tappel slope is obtained, the exchange current density (i 0 ) value can be obtained from the Tappel slope and the internal current (i n ) value of the fuel cell by the equation (1), and the obtained Tappel slope and the exchange current density i 0 ) is a criterion for evaluating the electrode activity of the fuel cell.
도 2의 그래프는 전원장치(21)를 통해 연료전지 셀(10)에 인가한 전압과, 전류측정장치(22)에 의해 측정된 전류로부터 얻은 측정 결과를 나타낸 것이고, 도 3의 그래프는 도 2의 결과로부터 0.93 V ~ 0.88 V 영역을 전류 밀도(log10)에 플롯(plot)하여 얻은 그래프로서, 타펠 기울기는 그래프의 직선 영역을 log 값에 대해 플롯하여 구한다. The graph of FIG. 2 shows the measurement results obtained from the voltage applied to the
이와 같이 본 발명에서는 전극 활성도를 나타내는 타펠 기울기 RT/nαF를 실험적으로 구하여 전극의 활성도를 정량화하며, 이와 더불어 타펠 기울기와, LSV 법에 의해 측정된 연료전지의 내부 전류 in 값으로부터 식(1)을 이용하여 교환 전류 밀도 i0를 구하게 된다.
여기서, 상기 식(1)을 이용하여 교환 전류 밀도 i0를 구하기 위해서는 OCV, 즉 개회로 전압 E를 알아야 하므로 전극 활성도 성능 평가 시 개회로 전압의 확인이 필요하고, 이에 전극 활성도 성능 평가 시 상기 수소와 공기를 개회로 전압의 확인을 위한 유량 조건으로서 전술한 바와 같이 성능 평가 범위의 미리 설정된 최소 유량, 즉 개회로 전압의 확인을 위한 미리 설정된 최소 유량으로 공급함이 당연하다. As described above, in the present invention, the Tappel slope RT / n? F indicating the electrode activity is experimentally determined to quantify the activity of the electrode, and the equation (1) is calculated from the Tappel slope and the internal current i n of the fuel cell measured by the LSV method. To obtain the exchange current density i 0 .
In order to obtain the exchange current density i 0 using the equation (1), it is necessary to know the OCV, that is, the open circuit voltage E. Therefore, it is necessary to confirm the open circuit voltage in the evaluation of the electrode activity performance. And the air are supplied as a flow rate condition for confirming the open circuit voltage at a preset minimum flow rate of the performance evaluation range, that is, a predetermined minimum flow rate for confirming the open circuit voltage, as described above.
이러한 본 발명을 적용하면, 인가 전압(전원장치(21)에 의해 인가되는 전압)에 따른 전류 값이 타펠 영역의 작은 값으로 생성되어 출력되고, 따라서 타펠 영역을 분명하게 구분하여 그 기울기 값을 명확하게 취할 수 있다.According to the present invention, the current value corresponding to the applied voltage (voltage applied by the power supply device 21) is generated and output as a small value of the tapel region, and therefore, the tapel region is clearly divided, You can take it.
도 2와 도 3은 연료전지 셀의 운전온도(작동온도)(65 ℃ 및 80 ℃)를 달리하여 얻은 결과로서, 그 결과로부터 얻은 온도에 따른 타펠 기울기와 교환 전류 밀도의 계산 값은 아래 표 1에 나타낸 바와 같다.2 and 3 show results obtained by varying the operating temperature (operating temperature) (65 ° C and 80 ° C) of the fuel cell, and the calculated values of the Tappel slope and the exchange current density according to the temperature obtained from the results are shown in Table 1 As shown in Fig.
표 1의 결과는 온도에 따른 전극의 활성도를 정량화한 결과로서, 정상적인 전극의 활성도 범위 49 ~ 109 mV/decade 이내에 타펠 기울기가 구해진 예를 보여주고 있다.The results of Table 1 show the results of quantifying the activity of the electrode according to the temperature, and the inclination of the Tappel within the range of the normal electrode activity range of 49 to 109 mV / decade.
표 1의 결과에서 타펠 기울기는 작을수록 전극의 활성이 좋은 것이며, 교환 전류 밀도는 클수록 전극의 활성에 도움이 된다.In Table 1, the smaller the Tappel slope, the better the activity of the electrode. The larger the exchange current density, the more active the electrode is.
따라서, 타펠 기울기가 작으면서 교환 전류 밀도가 큰 값을 갖는 전극일수록 성능이 우수한 것으로 평가할 수 있다.Therefore, it can be estimated that the electrode having a large inclusion of the exchange current and a small inclination of the tabelel is superior in performance.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 연료전지 셀에 반응기체로 수소와 공기를 공급하는 동시에 연료전지 셀에 인가되는 전압을 단계적으로 낮춰가면서 셀에서 발생하는 전류 및 LSV를 통한 내부 전류를 측정하여 타펠 기울기와 교환 전류 밀도를 구함으로써 전극의 활성도를 정량화할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, hydrogen and air are supplied to a fuel cell as a reactant gas while the voltage applied to the fuel cell is stepped down, and the current generated in the cell and the internal current through the LSV are measured. The activity of the electrode can be quantified by determining the exchange current density.
이러한 측정 방법은 연료전지의 단 셀 뿐만 아니라 복수 셀을 대상으로 측정이 수행될 수 있고, 스택에서도 셀의 실제 OCV(Open Circuit Voltage)에 가까운 전압을 인가한 뒤 전압을 낮춰가면서 전극의 활성도를 정량화하는 것이 가능하다.Such a measurement method can be performed not only on a single cell of a fuel cell but also on a plurality of cells. In addition, a voltage close to the actual OCV (open circuit voltage) of the cell is applied to the stack and the activity of the electrode is quantified It is possible to do.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상술하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited thereto. Various modifications and alterations by those skilled in the art And are included in the scope of the invention.
10 : 연료전지 셀 11 : 막전극접합체
12 : 분리판 13 : 도전성 치구
21 : 전원장치 22 : 전류측정장치10: Fuel cell cell 11: Membrane electrode assembly
12: separator plate 13: conductive jig
21: Power supply 22: Current measuring device
Claims (4)
상기 반응기체의 공급 동안 전원장치로부터 연료전지 셀에 전압을 인가하되, 전압을 단계적으로 변화시켜 인가하는 과정;
상기 각 전압 단계마다 전류측정장치를 이용하여 연료전지 셀에서 발생하는 전류를 측정하는 과정;
상기 전원장치에 의해 인가된 전압과 전류측정장치에 의해 측정된 전류로부터 전극 활성도의 기준이 되는 타펠 기울기(Tafel Slope)를 구하는 과정;
상기 각 전압 단계마다 연료전지 셀의 내부 전류를 측정하는 과정; 및
상기 구해진 타펠 기울기와 내부 전류, 연료전지 셀의 개회로 전압(OCV:Open Circuit Voltage), 및 연료전지 셀의 이론 전위로부터 전극 활성도의 또 다른 기준이 되는 교환 전류 밀도를 구하는 과정을 포함하고,
상기 수소와 공기를 공급하는 과정에서 개회로 전압의 확인을 위한 미리 설정된 최소 유량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법.
Supplying hydrogen and air as a reactor to an anode and a cathode of a fuel cell through a separator so that a fuel cell reaction occurs;
Applying a voltage to the fuel cell cell from a power source device during the supply of the reactive gas, the voltage being changed stepwise;
Measuring a current generated in the fuel cell using a current measuring device for each of the voltage steps;
Obtaining a Tafel Slope based on the voltage applied by the power source device and the current measured by the current measuring device;
Measuring an internal current of the fuel cell in each of the voltage steps; And
Determining an exchange current density which is another criterion of electrode activity from the obtained taper tilt and internal current, an open circuit voltage (OCV) of the fuel cell, and a theoretical potential of the fuel cell,
Wherein the supply of the hydrogen and the air is performed at a predetermined minimum flow rate for confirming the open circuit voltage in the process of supplying the hydrogen and the air.
상기 전압을 인가하는 과정에서 미리 설정된 최대 전압을 인가한 뒤 단계적으로 일정 값만큼 전압을 낮춰가는 방식으로 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the predetermined maximum voltage is applied in a process of applying the voltage, and then the voltage is lowered by a predetermined value in a stepwise manner.
상기 연료전지 셀의 내부 전류를 측정하는 과정에서 선형 스윕 전압전류법(LSV:Linear Sweep Voltammetry)을 통해 내부 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the internal current is measured through a linear sweep voltammetry (LSV) in the process of measuring the internal current of the fuel cell.
상기 연료전지 셀의 양단 분리판에 접촉되도록 도전성 치구를 결합한 뒤 도전성 치구에 전원장치를 연결하여 전압 인가시 도전성 치구를 통해 전압을 인가하고, 전류 측정시에는 연료전지 셀의 양단 분리판에 전류측정장치를 연결하여 측정하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 활성도 측정 방법.The method according to claim 1,
A conductive jig is coupled to the both ends of the fuel cell, and a power supply is connected to the conductive jig to apply a voltage through the conductive jig when a voltage is applied. When measuring the current, And measuring the electrode activity of the fuel cell.
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