KR101785504B1 - Detection technique for transferred gas in polymer electrolyte membrane fuel cells - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수소와 함께 비활성 기체인 헬륨을 공급하고, 공기와 함께 비활성 기체인 질소를 공급하여, 크로스오버된 후 연소되어 소모되는 수소의 유량과 산소의 유량을 파악할 수 있기 때문에, 크로스오버된 기체 중에서 시스템의 내구성 저하에 영향을 끼치는 기체의 크로스오버량을 정확하게 파악할 수 있다. 또한, 운전 상태에서 수소극의 출구와 공기극의 출구로 나오는 기체의 농도를 측정하기 때문에, 운전 상태시 달라지는 크로스오버 양상을 파악하는 것이 가능하다. The present invention provides helium as an inert gas together with hydrogen, and nitrogen as an inert gas is supplied together with air, so that the flow rate of hydrogen consumed and the flow rate of oxygen consumed after being crossovered can be grasped, The amount of crossover of the gas that affects the durability degradation of the system in the gas can be accurately grasped. In addition, since the concentration of gas exiting the outlet of the hydrogen electrode and the outlet of the air electrode is measured in the operating state, it is possible to grasp the crossover pattern that varies in the operating state.

Description

고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법{Detection technique for transferred gas in polymer electrolyte membrane fuel cells}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of measuring a gas crossover amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system,

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 가스인 수소와 공기에 각각 비활성 기체를 섞어 주입하여, 운전 상태에서 기체 크로스오버량을 정밀하게 측정할 수 있는 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of measuring the amount of gas cross-over in a polymer electrolyte membrane fuel cell system, and more particularly, to a method of measuring the amount of gas crossover in an operating state by precisely measuring an amount of gas cross- And more particularly, to a method for measuring gas crossover amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system.

일반적으로 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는, 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. Generally, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a fuel cell that uses a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte.

상기 고분자 전해질막 연료전지는 고분자 전해질막이 갖는 기공성으로 인해 기체가 상기 고분자 전해질막을 통과해서 반대극쪽으로 이동하는 기체 크로스오버 현상이 발생된다. 즉, 상기 기체 크로스오버 현상은, 수소극에 공급된 수소 기체가 상기 고분자 전해질막을 통과하여 기체 상태로 공기극으로 넘어가거나, 공기극에 공급된 질소와 산소 기체가 상기 고분자 전해질막을 통과해 상기 수소극으로 넘어가는 현상이다. 이러한 기체 크로스오버 현상은 연료전지의 성능과 내구성을 크게 저하시키는 문제점이 있다. In the polymer electrolyte membrane fuel cell, a gas cross-over phenomenon occurs in which the gas moves through the polymer electrolyte membrane to the opposite pole due to porosity of the polymer electrolyte membrane. That is, the gas cross-over phenomenon occurs when the hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode passes through the polymer electrolyte membrane to the air electrode in a gaseous state, or nitrogen and oxygen gas supplied to the air electrode pass through the polymer electrolyte membrane to the hydrogen electrode It is a phenomenon that falls. Such a gas crossover phenomenon has a problem in that the performance and durability of the fuel cell are greatly reduced.

종래에는 기체 크로스오버량을 측정하기 위해 수소극과 공기극의 출구측에 질량 분석기를 설치하기도 하나, 실제 운전 상태에서 수소 기체와 산소 기체는 직접 반응하는 기체이기 때문에 크로스오버되는 과정에서 직접적인 연소 반응을 하므로, 수소극과 공기극의 출구측에서 크로스오버된 전량을 측정할 수 없는 문제점이 있다. Conventionally, a mass analyzer may be installed on the outlet side of the hydrogen electrode and the air electrode to measure the gas crossover amount. However, since the hydrogen gas and the oxygen gas react directly in the operating state, the direct combustion reaction There is a problem in that it is impossible to measure the total amount of crossover at the outlet side of the hydrogen electrode and the air electrode.

US 809730 B2US 809730 B2

본 발명의 목적은, 운전 상태에서 기체 크로스오버량을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법을 제공하는 데 있다. It is an object of the present invention to provide a gas cross-over amount measuring method of a polymer electrolyte membrane fuel cell system which can more accurately measure gas crossover amount in an operating state.

본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법은, 수소극에는 수소와 제1비활성 기체를 공급하고, 공기극에는 공기와 제2비활성 기체를 공급하여 운전을 시작하는 단계와; 상기 운전시 상기 공기극의 출구로 배출된 공기극 배출기체에서 상기 제1비활성 기체의 농도와 수소의 농도를 각각 측정하고, 상기 수소극의 출구로 배출된 수소극 배출기체에서 상기 제2비활성 기체의 농도와 산소의 농도를 각각 측정하는 단계와; 상기에서 측정된 상기 제1비활성 기체의 농도와 상기 수소의 농도의 차이를 계산하여, 상기 수소극으로부터 상기 공기극으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도를 구하는 단계와; 상기에서 측정된 상기 제2비활성 기체의 농도와 상기 산소의 농도의 차이를 계산하여 상기 공기극으로부터 상기 수소극으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도를 구하는 단계와; 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도와 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도를 각각 유량으로 환산하는 단계를 포함한다. The method of measuring a gas crossover amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to the present invention comprises the steps of supplying hydrogen and a first inert gas to a hydrogen electrode and supplying air and a second inert gas to an air electrode to start operation; Wherein the concentration of the first inert gas and the concentration of hydrogen in the air electrode exhaust gas discharged to the outlet of the air electrode during the operation are respectively measured and the concentration of the second inert gas in the hydrogen electrode exhaust gas discharged to the outlet of the hydrogen electrode And a concentration of oxygen, respectively; Calculating the difference between the concentration of the first inert gas and the concentration of hydrogen measured in the above step to obtain the concentration of consumed hydrogen after crossover from the hydrogen electrode to the air electrode and then burning; Calculating a difference between the concentration of the second inert gas and the concentration of oxygen measured as described above and determining the concentration of oxygen consumed after the crossover from the air electrode to the hydrogen electrode and burning; And converting the concentration of consumed hydrogen after the crossover and the concentration of consumed oxygen after the crossover to the flow rate.

본 발명은, 수소와 함께 비활성 기체인 헬륨을 공급하고, 공기와 함께 비활성 기체인 질소를 공급하여, 크로스오버된 후 연소되어 소모되는 수소의 유량과 산소의 유량을 파악할 수 있기 때문에, 크로스오버된 기체 중에서 시스템의 내구성 저하에 영향을 끼치는 기체의 크로스오버량을 정확하게 파악할 수 있다. The present invention provides helium as an inert gas together with hydrogen, and nitrogen as an inert gas is supplied together with air, so that the flow rate of hydrogen consumed and the flow rate of oxygen consumed after being crossovered can be grasped, The amount of crossover of the gas that affects the durability degradation of the system in the gas can be accurately grasped.

또한, 운전 상태에서 수소극의 출구와 공기극의 출구로 나오는 기체의 농도를 측정하기 때문에, 운전 상태시 달라지는 크로스오버 양상을 파악하는 것이 가능하다. In addition, since the concentration of gas exiting the outlet of the hydrogen electrode and the outlet of the air electrode is measured in the operating state, it is possible to grasp the crossover pattern that varies in the operating state.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법을 도시한 순서도이다. 1 is a schematic view illustrating a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of measuring a gas crossover amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 도면이다.1 is a schematic view illustrating a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템은, 수소극(10), 공기극(20) 및 고분자 전해질막(30)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the polymer electrolyte membrane fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen electrode 10, an air electrode 20, and a polymer electrolyte membrane 30.

상기 수소극(10)은, 애노드(Anode) 또는 연료극이라고도 한다. 상기 수소극(10)의 일측에는 수소와 제1비활성 기체가 유입되는 수소극의 입구(12)가 형성되고, 타측에는 상기 수소극(10)에서 수소극 배출기체가 배출되는 수소극의 출구(14)가 형성된다. The hydrogen electrode 10 is also referred to as an anode or a fuel electrode. An inlet 12 of the hydrogen electrode through which the hydrogen and the first inert gas are introduced is formed at one side of the hydrogen electrode 10 and an outlet 12 of the hydrogen electrode through which the hydrogen gas is discharged from the hydrogen electrode 10 14 are formed.

상기 공기극(20)은, 캐소드(Cathode)라고도 한다. 상기 공기극(20)의 일측에는 공기와 제2비활성 기체가 함께 공급되는 공기극의 입구(22)가 형성되고, 타측에는 상기 공기극(20)에서 공기극 배출기체가 배출되는 공기극의 출구(24)가 형성된다. The air electrode 20 is also referred to as a cathode. An inlet 22 of an air electrode to which air and a second inert gas are supplied together is formed at one side of the air electrode 20 and an outlet 24 of an air electrode through which the air electrode exhaust gas is discharged from the air electrode 20 is formed at the other side do.

상기 고분자 전해질막(30)은, 상기 수소극(10)과 상기 공기극(20)사이에 구비된다. 상기 고분자 전해질막(30)이 갖는 기공성으로 인해 상기 수소극(10)으로 공급된 기체가 상기 공기극(20)으로 크로스오버되거나, 상기 공기극(20)으로 공급된 기체가 상기 수소극(10)으로 크로스오버된다. The polymer electrolyte membrane (30) is provided between the hydrogen electrode (10) and the air electrode (20). The gas supplied to the hydrogen electrode 10 is crossovered to the air electrode 20 due to the porosity of the polymer electrolyte membrane 30 or the gas supplied to the air electrode 20 flows into the hydrogen electrode 10, As shown in FIG.

상기 공기극의 출구(24)에서 나온 공기극 배출기체 또는 상기 수소극의 출구(14)에서 나온 수소극 배출기체에 포함된 기체의 농도를 측정하기 위한 질량 분석기(미도시)가 구비된다. 상기 질량 분석기(미도시)는, 상기 공기극의 출구(24)에 연결된 공기극 출구유로(미도시)와 상기 수소극의 출구(14)에 연결된 수소극 출구유로(미도시)를 연결하는 연결유로(미도시)에 한 개가 설치된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 공기극 출구유로, 상기 수소극 출구유로 및 상기 연결유로가 연결된 지점에는 상기 공기극 출구유로와 상기 수소극 출구유로를 선택적으로 개폐할 수 있도록 삼방밸브(미도시)가 설치된다. 상기 질량 분석기는, 상기 공기극의 출구(24)로 배출되는 기체 중에서 크로스오버되어 배출되는 수소와 헬륨의 농도를 측정하거나, 상기 수소극의 출구(14)로 배출되는 기체 중에서 크로스오버되어 배출되는 산소와 질소의 농도를 측정할 수 있다. 상기 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 질량 분석기는, 상기 공기극 출구유로와 상기 수소극 출구유로에 각각 설치되는 것도 물론 가능하다.
A mass analyzer (not shown) is provided for measuring the concentration of the gas contained in the cathode exhaust gas discharged from the outlet 24 of the air electrode or the hydrogen outlet gas discharged from the outlet 14 of the hydrogen electrode. The mass spectrometer (not shown) has a connection channel (not shown) for connecting a cathode outlet conduit (not shown) connected to the outlet 24 of the cathode and a hydrogen outlet conduit (not shown) connected to the outlet 14 of the hydrogen cathode (Not shown), for example. A three-way valve (not shown) is provided at the point where the air outlet outlet passage, the hydrogen outlet outlet passage and the connection passage are connected to selectively open and close the air outlet outlet passage and the water outlet outlet passage. The mass spectrometer can measure the concentration of hydrogen and helium that are crossovered and discharged from the gas discharged to the outlet 24 of the air electrode or measure the concentration of hydrogen and helium that is crossovered and discharged from the gas discharged to the outlet 14 of the hydrogen electrode And the concentration of nitrogen can be measured. However, the present invention is not limited to this, and the mass analyzer may be provided in the air-pole outlet channel and the hydrogen-cathode outlet channel, respectively.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법을 도시한 순서도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of measuring a gas crossover amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 운전 조건을 설정한다.(S1) 여기서, 상기 운전 조건은, 온도, 상대습도, 당량비를 포함한다. Referring to FIG. 2, the operating conditions of the polymer electrolyte membrane fuel cell system are set (S1). Here, the operating conditions include temperature, relative humidity, and equivalence ratio.

상기 당량비가 설정되면, 상기 당량비에 따라 상기 수소의 공급 유량(x1)(LPM, Liter Per Minute)과 상기 공기의 공급 유량(y1)(LPM, Liter Per Minute)을 결정한다. 상기 수소의 공급 유량(x1)은, 상기 수소극의 입구(12)로 공급되는 수소의 유량이다. 상기 공기의 공급 유량(y1)은, 상기 공기극의 입구(22)로 공급되는 공기의 유량이다.(S2)When the equivalence ratio is set, the supply flow rate x1 (LPM, Liter Per Minute) of the hydrogen and the supply flow rate y1 (LPM, Liter Per Minute) of the air are determined according to the equivalence ratio. The supply flow rate x1 of the hydrogen is the flow rate of hydrogen supplied to the entrance 12 of the hydrogen electrode. The supply flow rate y1 of the air is the flow rate of air supplied to the inlet 22 of the air electrode. (S2)

본 발명에서는, 상기 수소극(10)에는 상기 수소와 제1비활성 기체를 공급하고, 상기 공기극(20)에는 상기 산소와 제2비활성 기체를 공급한다. In the present invention, the hydrogen and the first inert gas are supplied to the hydrogen electrode (10), and the oxygen and the second inert gas are supplied to the air electrode (20).

상기 수소의 공급 유량(x1)과 상기 공기의 공급 유량(y1)이 각각 결정되면, 상기 제1비활성 기체와 상기 제2비활성 기체의 각 공급 유량을 결정한다. 본 실시예에서는, 상기 제1비활성 기체는 헬륨이고, 상기 제2비활성 기체는 질소인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1비활성 기체는, 상기 연료전지의 운전시 반응하지 않으며, 상기 수소의 크로스오버시 상기 수소와 동일한 양이 함께 크로스오버될 수 있도록 상기 수소의 분자량과 비슷한 분자량을 갖는 기체를 사용할 수 있다. 상기 제2비활성 기체는, 상기 연료전지의 운전시 반응하지 않으며, 상기 산소의 크로스오버시 상기 산소와 동일한 양이 함께 크로스오버될 수 있도록 상기 산소의 분자량과 비슷한 분자량을 갖는 기체를 사용할 수 있다. The supplied flow rate of the first inert gas and the second inert gas is determined when the hydrogen supply flow rate x1 and the air supply flow rate y1 are respectively determined. In the present embodiment, the first inert gas is helium and the second inert gas is nitrogen, for example. However, the present invention is not limited thereto, and the first inert gas may have a molecular weight similar to the molecular weight of the hydrogen so that the same amount of the hydrogen can be crossover together when the fuel cell is operated, Can be used. The second inert gas may be a gas having a molecular weight similar to the molecular weight of oxygen so that the second inert gas does not react during operation of the fuel cell and that the same amount of oxygen as the oxygen is crossover together when the oxygen is crossover.

상기 수소의 공급 유량(x1)과 상기 공기의 공급 유량(y1)이 각각 결정되면, 상기 헬륨의 공급 유량(mx1)과 상기 질소의 공급 유량(ny1)을 결정한다. 이 때, 상기 헬륨의 공급 유량(mx1)은 상기 수소극(10)에 공급되는 상기 수소의 당량비 1에 해당하는 유량으로 설정된다. 상기 질소의 공급 유량(ny1)은 상기 공기극(20)에 공급되는 상기 공기의 당량비 1에 해당하는 유량으로 설정된다. 또한, 상기 헬륨의 공급 유량(mx1)과 상기 질소의 공급 유량(ny1)의 비율은 상기 수소의 공급 유량(x1)과 상기 공기의 공급 유량(y1)의 비율에 동일하게 설정된다. (S3) The supply flow rate mx1 of the helium and the supply flow rate ny1 of the nitrogen are determined when the supply flow rate x1 of the hydrogen and the supply flow rate y1 of the air are respectively determined. At this time, the supply flow rate (mx1) of the helium is set to a flow rate corresponding to an equivalence ratio 1 of the hydrogen supplied to the hydrogen electrode (10). The nitrogen supply flow rate ny1 is set to a flow rate corresponding to an equivalence ratio 1 of the air supplied to the air electrode 20. [ The ratio of the supply flow rate mx1 of the helium to the supply flow rate ny1 of the nitrogen is set to be the same as the ratio of the supply flow rate x1 of the hydrogen to the supply flow rate y1 of the air. (S3)

따라서, 상기 수소극(10)으로 공급되는 수소극 공급 기체의 유량(x)은 수학식 1과 같다. 상기 수소극 공급 기체는 상기 수소와 상기 헬륨을 포함한다. 또한, 상기 공기극(20)으로 공급되는 공기극 공급 기체의 유량(y)은 수학식 2와 같다. 상기 공기극 공급 기체는 상기 공기와 상기 질소를 포함한다. 수학식 1,2에서 m, n은 각각 상수이며, 0 내지 1 이하의 범위에서 설정될 수 있다. Therefore, the flow rate (x) of the hydrogen-based feed gas supplied to the hydrogen electrode 10 is expressed by Equation (1). The hydrogen supply gas includes the hydrogen and the helium. The flow rate y of the air electrode supply gas supplied to the air electrode 20 is expressed by Equation (2). The air electrode feed gas comprises the air and the nitrogen. In the equations (1) and (2), m and n are constants and can be set in the range of 0 to 1 or less.

Figure 112016034802211-pat00001
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Figure 112016034802211-pat00002
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상기와 같이, 상기 수소의 공급 유량(x1), 상기 헬륨의 공급 유량(mx1)이 결정되면, 상기 수소극(10)으로 상기 수소와 상기 헬륨을 함께 공급한다. As described above, when the supply flow rate x1 of the hydrogen and the supply flow rate mx1 of the helium are determined, the hydrogen and the helium are supplied to the hydrogen electrode 10 together.

또한, 상기 공기의 공급 유량(y1), 상기 질소의 공급 유량(ny1)이 각각 결정되면, 상기 공기극(20)으로 상기 공기와 상기 질소를 함께 공급한다.(S4)When the supply flow rate y1 of the air and the supply flow rate ny1 of the nitrogen are respectively determined, the air and the nitrogen are supplied together to the air electrode 20. (S4)

상기 수소극의 입구(12)를 통해 상기 수소와 상기 헬륨을 공급하고, 상기 공기극의 입구(22)를 통해 상기 공기와 상기 질소를 공급하여, 운전을 시작한다.(S5)The hydrogen and the helium are supplied through the inlet 12 of the hydrogen electrode and the air and the nitrogen are supplied through the inlet 22 of the air electrode to start the operation.

상기 운전 상태에서 상기 수소극(10)에 공급된 수소의 일부는 상기 공기극(20)으로 크로스오버되고, 상기 수소극(10)에 공급된 헬륨의 일부도 상기 공기극(20)으로 크로스오버된다. 이 때, 상기 수소와 상기 헬륨의 분자량이 거의 비슷하기 때문에, 상기 수소의 크로스오버량과 상기 헬륨의 크로스오버량은 같다. A portion of the hydrogen supplied to the hydrogen electrode 10 is crossovered to the air electrode 20 and a portion of the helium supplied to the hydrogen electrode 10 is also crossed over to the air electrode 20. [ At this time, since the molecular weight of the hydrogen is almost the same as that of the helium, the crossover amount of the hydrogen and the crossover amount of the helium are the same.

상기 크로스오버된 수소 중 일부는 산소와 만나서 연소되어 소모되고, 나머지는 상기 공기극의 출구(24)로 배출된다. 상기 헬륨은 비활성 기체이므로 중간에 연소 등의 반응을 하지 않고 전부 상기 공기극의 출구(24)로 배출된다. Some of the crossover hydrogen is met by oxygen and burned and exhausted to the outlet 24 of the cathode. Since the helium is an inert gas, all helium is discharged to the outlet (24) of the air electrode without any reaction such as combustion.

따라서, 상기 수소의 크로스오버량과 상기 헬륨의 크로스오버량이 같더라도 상기 공기극의 출구(24)에서 측정되는 상기 수소의 농도와 상기 헬륨의 농도는 서로 다르게 측정된다. Therefore, even if the crossover amount of the hydrogen and the crossover amount of the helium are the same, the concentration of the hydrogen measured at the outlet 24 of the air electrode and the concentration of helium are measured differently.

또한, 상기 크로스오버된 수소 중에서 연소되어 소모된 수소의 양이 연료전지 시스템의 내구성 저하에 실질적으로 영향을 끼치므로, 상기 크로스오버된 수소 중에서 연소되어 소모된 수소의 유량을 구하는 것이 중요하다. In addition, since the amount of hydrogen consumed and consumed in the crossover hydrogen substantially affects the durability of the fuel cell system, it is important to determine the flow rate of the consumed hydrogen in the crossover hydrogen.

한편, 상기 운전 상태에서 상기 공기극(20)에 공급된 산소의 일부는 상기 수소극(10)으로 크로스오버되고, 상기 공기극(20)에 공급된 질소의 일부도 상기 공기극(10)으로 크로스오버된다. 이 때, 상기 산소와 상기 질소의 분자량이 거의 비슷하기 때문에, 상기 산소의 크로스오버량과 상기 질소의 크로스오버량이 같다. 한편, 상기 크로스오버된 산소 중 일부는 수소를 만나 연소되어 소모되고, 나머지만 상기 수소극의 출구(14)로 배출된다. 상기 질소는 비활성 기체이므로 중간에 연소 등의 반응을 하지 않고 전부 상기 수소극의 출구(14)로 배출된다. A part of the oxygen supplied to the air electrode 20 is crossovered to the hydrogen electrode 10 and a part of the nitrogen supplied to the air electrode 20 is also crossed over to the air electrode 10 . At this time, since the molecular weight of the oxygen is almost the same as that of the nitrogen, the cross-over amount of the oxygen is equal to the cross-over amount of the nitrogen. On the other hand, some of the oxygen crossover is consumed by burning with hydrogen, and only the remaining oxygen is discharged to the outlet 14 of the hydrogen electrode. Since the nitrogen is an inert gas, all of the nitrogen is discharged to the outlet 14 of the hydrogen electrode without a reaction such as combustion.

따라서, 상기 산소의 크로스오버량과 상기 질소의 크로스오버량이 같더라도 상기 수소극의 출구(14)에서 측정되는 상기 산소의 농도와 상기 질소의 농도는 서로 다르게 측정된다. Therefore, even if the crossover amount of the oxygen and the crossover amount of nitrogen are the same, the concentration of oxygen and the concentration of nitrogen measured at the outlet 14 of the hydrogen electrode are measured differently.

또한, 상기 크로스오버된 산소 중에서 연소되어 소모된 산소가 연료전지 시스템의 내구성 저하에 실질적으로 영향을 끼치므로, 상기 크로스오버된 산소 중에서 연소되어 소모된 산소의 유량을 구하는 것이 중요하다. In addition, since the oxygen consumed and burned in the crossover oxygen substantially affects the durability of the fuel cell system, it is important to determine the flow rate of oxygen consumed in the crossover oxygen.

상기 운전 상태에서 상기 질량 분석기(미도시)를 이용해 상기 공기극의 출구(24)로 배출된 공기극 배출기체에서 헬륨의 농도(X2)(ppm)와 수소의 농도(X1)(ppm)를 각각 측정한다. 상기 공기극 배출기체는 헬륨, 수소, 산소, 질소를 포함하는 기체이며, 상기 공기극 배출기체 중에서 헬륨이 차지하는 비율인 헬륨의 농도(X2)와, 상기 공기극 배출기체 중에서 수소가 차지하는 비율인 상기 수소의 농도(X1)를 측정한다. 상기 헬륨은 크로스오버된 후 반응하지 않고 그대로 배출되므로, 크로스오버된 헬륨의 농도(X2)는 크로스오버된 전체 수소의 농도와 같다. (S6) 즉, 상기 수소의 경우, 크로스오버된 전체 수소 중 일부는 연소 반응되어 소모되고, 나머지만 배출되므로, 크로스오버된 전체 수소의 농도를 직접적으로 측정할 수 없으나, 상기 크로스오버된 헬륨의 농도(X2)를 측정함으로써 상기 크로스오버된 전체 수소의 농도를 알 수 있다.The concentration X2 of the helium (ppm) and the concentration X1 of hydrogen (ppm) are respectively measured in the cathode exhaust gas discharged to the outlet 24 of the cathode using the mass spectrometer (not shown) . Wherein the cathode exhaust gas is a gas containing helium, hydrogen, oxygen, and nitrogen, and the helium concentration (X2), which is the ratio of helium occupied by the air electrode exhaust gas, and the hydrogen concentration (X1) is measured. Since the helium is crossovered and then discharged untreated, the crossover helium concentration (X2) is equal to the total hydrogen concentration of the crossover. (S6). That is, in the case of the hydrogen, the concentration of the entire crossover hydrogen can not be directly measured because some of the crossovered total hydrogen is combusted and consumed, and only the remaining hydrogen is discharged. By measuring the concentration X2, the concentration of the entire crossover hydrogen can be determined.

또한, 상기 질량 분석기(미도시)를 이용해 상기 수소극의 출구(14)로 배출된 수소극 배출기체에서 질소의 농도(Y2)(ppm)와 산소의 농도(Y1)(ppm)를 각각 측정한다. 상기 수소극 배출기체는 헬륨, 수소, 산소, 질소를 포함하는 기체이며, 상기 수소극 배출기체 중에서 질소가 차지하는 비율인 질소의 농도(Y2)와, 상기 수소극 배출기체 중에서 산소가 차지하는 비율인 산소의 농도(Y1)를 각각 측정한다. 상기 질소는 크로스오버된 후 반응하지 않고 그대로 배출되므로, 크로스오버된 질소의 농도(Y2)는 크로스오버된 전체 산소의 농도와 같다. (S6) 즉, 상기 산소의 경우, 크로스오버된 전체 산소 중 일부는 연소 반응되어 소모되고, 나머지만 배출되므로, 크로스오버된 전체 산소의 농도를 직접적으로 측정할 수 없으나, 상기 크로스오버된 질소의 농도(Y2)를 측정함으로써 상기 크로스오버된 전체 산소의 농도를 알 수 있다.The nitrogen concentration (Y2) (ppm) and the oxygen concentration (Y1) (ppm) in the hydrogen-electrode exhaust gas discharged to the outlet 14 of the hydrogen electrode are measured using the mass spectrometer . Wherein the hydrogen-enriched gas is a gas containing helium, hydrogen, oxygen and nitrogen, and the concentration (Y2) of nitrogen, which is a ratio of nitrogen in the hydrogen-enriched gas, and oxygen (Y1). Since the nitrogen is crossovered and then discharged without being reacted, the concentration (Y2) of crossover nitrogen is equal to the concentration of total oxygen crossover. (S6). That is, in the case of the oxygen, a part of the total oxygen crossover is consumed by the combustion reaction, and only the remaining oxygen is discharged. Therefore, the concentration of total oxygen crossover can not be directly measured, By measuring the concentration (Y2), the total oxygen concentration of the crossover can be known.

상기 헬륨의 농도(X2)와 수소의 농도(X1)의 차이를 계산하여, 상기 수소극(10)으로부터 상기 공기극(20)으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도(C_H2)를 구할 수 있다. 상기 크로스오버된 수소의 양과 헬륨의 양은 동일하므로, 상기 공기극의 출구(14)에서 측정된 수소의 농도와 헬륨의 농도의 차이가 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도(C_H2)이다. By calculating the difference of the density (X2) and concentration (X1) of the hydrogens of the helium, is burned after the cross-over to the air electrode 20 from the number of negative 10 is depleted obtain the concentration (C_H 2) of hydrogen . Since the amount of the crossover hydrogen and the amount of helium are the same, the difference between the concentration of hydrogen measured at the outlet 14 of the air electrode and the concentration of helium is the concentration (C_H 2 ) of consumed hydrogen after being crossovered .

또한, 상기 질소의 농도(Y2)와 상기 산소의 농도(Y1)의 차이를 계산하여, 상기 공기극(20)으로부터 상기 수소극(10)으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도(C_O2)를 구할 수 있다. 상기 크로스오버된 산소의 양과 질소의 양은 동일하므로, 상기 수소극의 출구(24)에서 측정된 질소의 농도(Y2)와 산소의 농도(Y1)의 차이가 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도(C_O2)이다. Further, by calculating the difference of the density (Y2) and the oxygen content (Y1) of the nitrogen concentration of the consumed oxygen it is burned after the cross-over to the number of negative (10) from the air electrode (20) (C_O 2 ) Can be obtained. Since the amount of crossover oxygen and the amount of nitrogen are the same, the difference between the concentration of nitrogen (Y2) and the concentration of oxygen (Y1) measured at the outlet (24) of the hydrogen electrode is burned after the crossover, (C_O 2 ).

상기와 같이 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도(C_H2)와 산소의 농도(C_O2)를 각각 구한 후, 농도를 유량으로 환산한다.(S8)After obtaining the cross-over after the combustion is the concentration of the hydrogen consumption (C_H 2) and oxygen concentration (C_O 2) of as described above, respectively, and converts the density to flow rate. (S8)

수학식 3은, 상기 수소극(10)으로 공급된 후 상기 공기극(20)측으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도(C_H2)(ppm)를 유량(Q_H2)(mol/s ??cm2)으로 환산하는 식이다. (3) is a graph showing the relationship between the concentration (C_H 2 ) (ppm) of hydrogen consumed after being supplied to the hydrogen electrode (10) and then crossovered to the air electrode (20) and the flow rate (Q_H 2 ) (mol / s? ? cm < 2 >).

수학식 4는, 상기 공기극(20)으로 공급된 후 상기 수소극(10)측으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도(C_O2)(ppm)를 유량(Q_O2)(mol/s cm2)으로 환산하는 식이다. Equation (4), the air electrode and then supplied to the 20 flow rate concentrations (C_O 2) (ppm) of the consumed oxygen is burned after the cross-over toward the number of negative (10) (Q_O 2) ( mol / s cm 2 ).

Figure 112016034802211-pat00003
Figure 112016034802211-pat00003

Figure 112016034802211-pat00004
Figure 112016034802211-pat00004

상기 수학식 3에서 y는 상기 수학식 2에서 구한 상기 공기극 공급 기체의 유량(y)이고, r1은 상기 운전 중에 생산된 전기 측정량으로부터 계산한 산소의 반응 유량이다.In Equation (3), y is the flow rate (y) of the cathode supply gas obtained from Equation (2), and r1 is the reaction flow rate of oxygen calculated from the electricity measurement quantity produced during the operation.

상기 수학식 4에서 x는 상기 수학식 1에서 구한 상기 수소극 공급 기체의 유량(x)이고, r2는 상기 운전 중에 생산된 전기 측정량으로부터 계산한 수소의 반응 유량이다. In Equation (4), x is a flow rate (x) of the hydrogen-enriched feed gas obtained from Equation (1), and r2 is a reaction flow rate of hydrogen calculated from an electricity measurement quantity produced during the operation.

상기 수학식 3,4에서 A는 반응 면적(cm2)이며, 고분자 전해질막의 단면적을 의미하고, 22.4는 부피(L)를 몰(mol)로 환산하고, 60은 분(min)을 초(sec)로 환산하기 위해 사용된다. In the above equations ( 3 ) and (3), A represents the cross-sectional area of the polymer electrolyte membrane, 22.4 represents the volume (L) in mol and 60 represents the minute (sec) ). ≪ / RTI >

상기 수학식 3으로부터 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 유량(Q_H2)을 구할 수 있으며, 상기 수학식 4로부터 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 유량(Q_O2)을 구할 수 있다. 즉, 크로스오버된 기체 중에서 실제로 시스템의 내구성 저하에 영향을 끼치는 기체의 유량을 정확하게 파악할 수 있다.Can be obtained a flow rate (Q_H 2) of the cross of the over after the combustion consumed hydrogen from the equation (3), to obtain the flow rate (Q_O 2) of the consumed oxygen is burned and then from the equation (4) of the cross-over have. In other words, it is possible to accurately grasp the flow rate of the gas which affects the durability of the system actually in the crossovered gas.

상기와 같이, 본 발명에서는 상기 수소극(10)에 수소와 함께 비활성 기체인 헬륨을 추가로 주입함으로써 수소의 크로스오버량을 구할 수 있으며, 상기 공기극(20)에 산소와 함께 비활성 기체인 질소를 추가로 주입함으로써, 산소의 크로스오버량을 구할 수 있다. As described above, in the present invention, the crossover amount of hydrogen can be obtained by further injecting helium, which is an inert gas, together with hydrogen in the hydrogen electrode 10, and nitrogen, which is an inert gas, By further injecting, the crossover amount of oxygen can be obtained.

또한, 본 발명은, 운전 상태에서 측정이 가능하기 때문에, 운전 상태에서 달라지는 크로스오버 양상을 파악할 수 있는 이점이 있다.
Further, since the present invention is capable of measuring in an operating state, there is an advantage that a crossover pattern that varies in a driving state can be grasped.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10: 수소극 12: 수소극의 입구
14: 수소극의 출구 20: 공기극
22: 공기극의 입구 24: 공기극의 출구
30: 고분자 전해질막10: Hydrogen electrode 12: Entrance of hydrogen electrode
14: outlet of the hydrogen electrode 20: air electrode
22: inlet of air electrode 24: outlet of air electrode
30: Polymer electrolyte membrane

Claims (7)

수소극에는 수소와 제1비활성 기체를 공급하고, 공기극에는 공기와 제2비활성 기체를 공급하여 운전을 시작하는 단계와;
상기 운전시 상기 공기극의 출구로 배출된 공기극 배출기체에서 상기 제1비활성 기체의 농도와 수소의 농도를 각각 측정하고, 상기 수소극의 출구로 배출된 수소극 배출기체에서 상기 제2비활성 기체의 농도와 산소의 농도를 각각 측정하는 단계와;
상기에서 측정된 상기 제1비활성 기체의 농도와 상기 수소의 농도의 차이를 계산하여, 상기 수소극으로부터 상기 공기극으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도를 구하는 단계와;
상기에서 측정된 상기 제2비활성 기체의 농도와 상기 산소의 농도의 차이를 계산하여 상기 공기극으로부터 상기 수소극으로 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도를 구하는 단계와;
상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도와 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도를 각각 유량으로 환산하는 단계를 포함하고,
상기 제1비활성 기체는, 헬륨을 사용하고,
상기 제2비활성 기체는, 질소를 사용하고,
상기 운전을 시작하기 이전에 미리 설정된 당량비에 따라 상기 수소의 공급 유량과 상기 공기의 공급유량을 각각 결정하고,
상기 헬륨의 공급 유량은 상기 수소극에 공급되는 상기 수소의 당량비 1에 해당하는 유량으로 설정되고,
상기 질소의 공급 유량은 상기 공기극에 공급되는 상기 공기의 당량비 1에 해당하는 유량으로 설정되고,
상기 헬륨의 공급 유량과 상기 질소의 공급 유량의 비율은, 상기 수소의 공급 유량과 상기 공기의 공급유량의 비율에 동일하게 설정되며,
상기 유량으로 환산하는 단계는,
상기 수소극으로 공급된 수소와 헬륨의 총 공급 유량과 상기 운전 중에 생산된 전기 측정량으로부터 계산한 수소 반응 유량의 차이로부터 상기 수소극 배출기체의 총 유량을 구하고,
상기 수소극 배출기체의 총 유량과 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 농도의 관계로부터 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 산소의 유량을 계산하는 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법.Supplying hydrogen and a first inert gas to the hydrogen electrode and supplying air and a second inert gas to the air electrode to start operation;
Wherein the concentration of the first inert gas and the concentration of hydrogen in the air electrode exhaust gas discharged to the outlet of the air electrode during the operation are respectively measured and the concentration of the second inert gas in the hydrogen electrode exhaust gas discharged to the outlet of the hydrogen electrode And a concentration of oxygen, respectively;
Calculating the difference between the concentration of the first inert gas and the concentration of hydrogen measured in the above step to obtain the concentration of consumed hydrogen after crossover from the hydrogen electrode to the air electrode and then burning;
Calculating a difference between the concentration of the second inert gas and the concentration of oxygen measured as described above and determining the concentration of oxygen consumed after the crossover from the air electrode to the hydrogen electrode and burning;
And converting the concentration of consumed hydrogen after the crossover and the concentration of oxygen consumed after burning after the crossover to a flow rate, respectively,
Wherein the first inert gas is helium,
Wherein the second inert gas is nitrogen,
Determining a supply flow rate of the hydrogen and a supply flow rate of the air according to a preset equivalence ratio before starting the operation,
The supply flow rate of the helium is set to a flow rate corresponding to an equivalence ratio 1 of the hydrogen supplied to the hydrogen electrode,
The supply flow rate of nitrogen is set to a flow rate corresponding to an equivalence ratio 1 of the air supplied to the air electrode,
The ratio of the supply flow rate of the helium to the supply flow rate of the nitrogen is set to be the same as the ratio of the supply flow rate of the hydrogen to the supply flow rate of the air,
The step of converting into the flow rate includes:
A total flow rate of the hydrogen-based exhaust gas is obtained from a difference between a total supply flow rate of hydrogen and helium supplied to the hydrogen electrode and a hydrogen reaction flow rate calculated from the electricity measurement quantity produced during the operation,
A gas cross-over amount of a polymer electrolyte membrane fuel cell system that calculates the flow rate of spent oxygen after the crossover from the relationship between the total flow rate of the hydrogen-discharging gas and the concentration of spent oxygen after the crossover How to measure. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 유량으로 환산하는 단계는,
상기 공기극으로 공급된 공기와 질소의 총 공급 유량과 상기 운전 중에 생산된 전기 측정량으로부터 계산한 산소 반응 유량의 차이로부터 상기 공기극 배출기체의 총 유량을 구하고,
상기 공기극 배출기체의 총 유량과 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 농도의 관계로부터 상기 크로스오버된 후 연소되어 소모된 수소의 유량을 계산하는 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 기체 크로스오버량 측정방법.The method according to claim 1,
The step of converting into the flow rate includes:
A total flow rate of the air electrode exhaust gas is obtained from a difference between a total supply flow rate of air and nitrogen supplied to the air electrode and an oxygen reaction flow rate calculated from an electricity measurement quantity produced during the operation,
A gas crossover amount measurement of a polymer electrolyte membrane fuel cell system that calculates the flow rate of spent hydrogen after the crossover from the relationship between the total flow rate of the cathode exhaust gas and the concentration of consumed hydrogen after the crossover Way. 삭제delete
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