KR102124755B1 - Diagnosis function for detecting membrane defects at pem-fuel cells - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 안내 애노드 시스템과 공기 안내 캐소드 시스템을 서로 분리하는 고분자 전해질 막의 결함을 검출하기 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법으로서, 상기 연료 전지의 일정한 작동 상태 동안 상기 애노드 시스템과 상기 캐소드 시스템 간의 압력 차이(1)의 변동이 실시되고, 상기 압력 차이(1)의 변동 동안 수소 부분 압력 또는 수소량(3, 4)의 검출 및/또는 상기 압력 차이의 변동 동안 질소 부분 압력(2) 또는 질소량의 검출이 실시되는, 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법에 관한 것이다.The present invention is a method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting defects in a polymer electrolyte membrane separating a hydrogen-guided anode system and an air-guided cathode system from each other, the anode system and the cathode system during a certain operating state of the fuel cell. Variation in the pressure difference 1 between is carried out, detection of hydrogen partial pressure or hydrogen amount 3, 4 during the variation in the pressure difference 1 and/or nitrogen partial pressure 2 during the variation in the pressure difference or It relates to a method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell, in which the amount of nitrogen is detected.

Description

고분자 전해질 막-연료 전지에서 막 결함을 검출하기 위한 진단 기능{DIAGNOSIS FUNCTION FOR DETECTING MEMBRANE DEFECTS AT PEM-FUEL CELLS}Diagnosis function for detecting membrane defects in polymer electrolyte membrane-fuel cells {DIAGNOSIS FUNCTION FOR DETECTING MEMBRANE DEFECTS AT PEM-FUEL CELLS}

본 발명은 수소 안내 애노드 시스템과 공기 안내 캐소드 시스템을 서로 분리하는 고분자 전해질 막의 결함을 검출하기 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting defects in a polymer electrolyte membrane separating a hydrogen-guided anode system and an air-guided cathode system from each other.

고분자 전해질 막(PEM)은 고분자 전해질 막-연료 전지(PEM-연료 전지)에서 수소 안내 애노드와 공기 안내 캐소드를 분리한다. 막의 과제는 양성자의 흐름을 가능하게 하지만 전자를 통과시키지 않는 것이며, 이로써 양성자가 전류로서 작용할 수 있다. 에이징 및 바람직하지 않은 작동 조건에 의해, 애노드와 캐소드 사이의 고분자 전해질 막(PEM)이 얇아진다. 따라서, 애노드로부터 캐소드로 수소의 침투 또는 캐소드로부터 애노드로 질소 및 산소의 침투가 나타날 수 있다. 홀들이 클 때, 전지는 완전히 고장나고 전지 포텐셜은 제로로 떨어진다. 이 경우, PEM-연료 전지 또는 연료 전지-스택(다수의 PEM-연료 전지가 통합되어 하나의 스택을 형성함)의 작동은 더 이상 불가능하다.A polymer electrolyte membrane (PEM) separates a hydrogen-guided anode and an air-guided cathode from a polymer electrolyte membrane-fuel cell (PEM-fuel cell). The task of the membrane is to enable the flow of protons, but not to pass electrons, so that protons can act as currents. Due to aging and undesirable operating conditions, the polymer electrolyte membrane (PEM) between the anode and the cathode is thinned. Thus, the ingress of hydrogen from the anode to the cathode or the infiltration of nitrogen and oxygen from the cathode to the anode may appear. When the holes are large, the battery completely fails and the battery potential falls to zero. In this case, operation of the PEM-fuel cell or fuel cell-stack (multiple PEM-fuel cells are integrated to form one stack) is no longer possible.

캐소드로의 수소 침투는 소비를 증가시키고, 산소의 존재 중에 직접적인 산화에 의한 열 방출은 물을 야기하고 그에 따라 잠재적인 막 에이징을 가속시키며, 수소가 산화되지 않은 경우 H2-방출을 증가시킨다. 질소 침투의 증가는 애노드 시스템에서 N2-농축을 가속시킨다. 산소는 애노드 내에 존재하는 수소와 함께 물을 형성한다. 산소가 반응하지 않으면, 최악의 경우 폭발성 혼합물이 형성될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 애노드는 캐소드와 관련해서 일반적으로 초과 압력으로 작동된다. 모든 경우, 임계적 작동 상태를 방지하기 위해, 가능한 조기에 막 에러가 검출되어야 한다.Hydrogen permeation to the cathode increases consumption, and heat release by direct oxidation in the presence of oxygen causes water and thus accelerates potential membrane aging, and increases H 2 -release when hydrogen is not oxidized. An increase in nitrogen penetration accelerates N2-concentration in the anode system. Oxygen forms water with the hydrogen present in the anode. If oxygen does not react, in the worst case an explosive mixture can form. To prevent this, the anode is normally operated with excess pressure in relation to the cathode. In all cases, membrane errors should be detected as early as possible to avoid critical operating conditions.

전기 화학으로부터, PEM-연료 전지에서 막 에러를 검출하기 위한, 예컨대 사이클로볼타메트리와 같은 방법들이 공지되어 있다. 이 방법들은 자동차에서 온-보드 진단을 실시하기에 부적합하며, 서비스에서 매우 복잡한 측정 기술을 필요로 한다. 또한, 상기 공지된 방법에서는 연료 전지 스택에서 개별 전지 전압의 접근성이 없기 때문에 이 방법이 적용될 수 없다는 단점이 있다.From electrochemistry, methods are known for detecting membrane errors in PEM-fuel cells, such as cyclovoltametry. These methods are unsuitable for conducting on-board diagnostics in automobiles and require very complex measurement techniques in service. In addition, in the above-described known method, there is a disadvantage that this method cannot be applied because there is no access to individual cell voltages in the fuel cell stack.

DE 10 2009 026 590 A1에는 연료 전지 시스템의 작동 방법이 공지되어 있으며, 이 방법에서 연료 전지의 작동 상태는 질량 흐름 및 전지 전후의 압력 차이를 기초로 제어되고, 상기 편차의 유형을 기초로 작동 장애의 유형이 추정된다. 그러나, 이 방법에서는 개별 막 결함을 검출하는 것은 불가능하다.In DE 10 2009 026 590 A1 a method of operation of a fuel cell system is known, in which the operating state of the fuel cell is controlled based on the mass flow and the pressure difference before and after the cell, an operational failure based on the type of deviation The type of is estimated. However, in this method, it is impossible to detect individual film defects.

US 2004/0018404 A1에는 캐소드 배기 가스 중의 수소 및 애노드와 캐소드 간의 압력 차이를 측정하기 위한 장치를 구비한 연료 전지 시스템이 공지되어 있다. 측정값들이 미리 정해진 설정 범위 밖에 있으면, 연료 전지의 비정상 상태가 추정되고, 연료 전지의 추가 손상을 방지하기 위해 연료 전지의 작동 상태가 변화된다.US 2004/0018404 A1 discloses a fuel cell system with a device for measuring the pressure difference between the anode and the cathode and hydrogen in the cathode exhaust gas. If the measured values are outside the predetermined setting range, the abnormal state of the fuel cell is estimated, and the operating state of the fuel cell is changed to prevent further damage to the fuel cell.

JP 2006 269 337 A에는 자동차 내에서 주행 중에 캐소드와 애노드 간의 압력 차이 및 캐소드 배기 가스 중의 수소 농도가 제어됨으로써 검사되는 연료 전지 시스템이 공지되어 있다. 캐소드 배기 가스 중의 수소 농도가 한계치를 초과하면, 제어 장치에 의해, 캐소드 배기 가스 중의 수도 농도가 다시 한계치 미만이 될 때까지, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 변동된다.In JP 2006 269 337 A, a fuel cell system is known which is inspected by controlling the pressure difference between the cathode and the anode and the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas while driving in a vehicle. When the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas exceeds the limit, the pressure difference between the anode and the cathode fluctuates by the control device until the water concentration in the cathode exhaust gas again becomes below the limit.

공지된 방법의 단점은, 공장 진단의 범주에서 그리고 자동차의 온-보드 진단의 범주에서 고분자 전해질 막의 결함 검출이 불가능하다는 것이다. 또한, 고분자 전해질 막 연료 전지 스택에서 막 결함의 검출은 공지된 방법에 의해 불가능하다.The disadvantage of the known method is that it is impossible to detect defects in the polymer electrolyte membrane in the category of factory diagnostics and in the category of on-board diagnostics of automobiles. Further, detection of membrane defects in the polymer electrolyte membrane fuel cell stack is not possible by known methods.

본 발명의 과제는 추가의 센서 없이 공장 진단의 범주에서 그리고 자동차의 온-보드 진단의 범주에서 막 결함의 검출을 가능하게 하는, 고분자 전해질 막의 결함 검출을 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting a defect in a polymer electrolyte membrane, which enables detection of membrane defects in the category of factory diagnosis and in the category of on-board diagnostics of automobiles without additional sensors. Is to provide.

상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.The above object is achieved by the method according to claim 1. Preferred embodiments of the invention are presented in the dependent claims.

수소 안내 애노드 시스템과 공기 안내 캐소드 시스템을 서로 분리하는 고분자 전해질 막의 결함을 검출하기 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법에 있어서, 본 발명에 따라 연료 전지의 일정한 작동 상태 동안 애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동이 실시되고, 상기 압력 차이의 변동 동안 수소 부분 압력 또는 수소량의 검출 및/또는 압력 차이의 변동 동안 질소 부분 압력 또는 질소량의 검출이 실시된다.A method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting defects in a polymer electrolyte membrane separating a hydrogen-guided anode system and an air-guided cathode system from each other, the method comprising: between the anode system and the cathode system during a certain operating state of the fuel cell according to the present invention Variation in pressure difference is carried out, and detection of hydrogen partial pressure or amount of hydrogen during variation of the pressure difference and/or detection of nitrogen partial pressure or amount of nitrogen during variation of pressure difference is performed.

애노드 시스템이라는 표현은 적어도 고분자 전해질 막-연료 전지의 애노드를 포함한다. 또한, 애노드 시스템이라는 표현은 애노드 시스템에서 소소 부분 압력 또는 수소량을 검출하기 위한 적합한 센서를 포함할 수 있다. 캐소드 시스템이라는 표현은 적어도 고분자 전해질 막-연료 전지의 캐소드를 포함한다. 또한, 캐소드 시스템 내의 수소 부분 압력 또는 수소량을 검출하기 위한 적합한 센서가 포함될 수 있다.The expression anode system includes at least the anode of a polymer electrolyte membrane-fuel cell. In addition, the expression anode system may include a suitable sensor for detecting a small fractional pressure or hydrogen content in the anode system. The expression cathode system includes at least the cathode of a polymer electrolyte membrane-fuel cell. In addition, suitable sensors for detecting the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen in the cathode system may be included.

본 발명의 한 관점에 따라, 압력 차이의 변동 동안 애노드 시스템 내의 수소 부분 압력, 수소량 및/또는 수소 기울기의 검출이 실시될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로 압력 차이의 변동 동안 캐소드 시스템 내의 수소 부분 압력 또는 수소량 및/또는 수소 기울기의 검출이 실시될 수 있다. 또한, 대안으로서 또는 추가로 압력 차이의 변동 동안 애노드 시스템 내의 질소 부분 압력 또는 질소량 또는 질소 기울기의 검출이 실시될 수 있다.According to one aspect of the invention, detection of hydrogen partial pressure, amount of hydrogen and/or hydrogen gradient in the anode system during fluctuations in pressure difference can be carried out. Alternatively or additionally, detection of the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen and/or hydrogen gradient in the cathode system during fluctuations in the pressure difference can be carried out. In addition, alternatively or additionally, detection of the nitrogen partial pressure or nitrogen amount or nitrogen gradient in the anode system during fluctuations in the pressure difference can be carried out.

연료 전지는 이를 위해 수소 부분 압력 또는 수소량의 측정을 위한 및/또는 질소 부분 압력 또는 질소량의 측정을 위한 상응하는 센서를 포함한다. 또한, 측정값들로부터 재료 기울기를 결정하고 및/또는 미리 정해질 수 있는 한계치에 대한 측정값 및/또는 재료 기울기의 모니터링을 실시하는 평가 유닛이 제공될 수 있다. 상기 평가 유닛은 연료 전지 시스템에 통상적으로 제공되는 제어 장치의 구성 부분일 수 있다.The fuel cell for this purpose comprises a corresponding sensor for the measurement of the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen and/or for the measurement of the nitrogen partial pressure or amount of nitrogen. In addition, an evaluation unit may be provided that determines the material slope from the measurements and/or performs monitoring of the measurement and/or material slope to a predetermined threshold. The evaluation unit may be a component part of a control device typically provided in a fuel cell system.

온전한 고분자 전해질 막-연료 전지(PEM-연료 전지)에서 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 변동되면, 직접 또는 간접적으로 결정 가능한 일련의 시스템 크기들, 예컨대 애노드 시스템 내의 수소량 또는 수소 부분 압력 또는 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력 및 캐소드의 배기 가스 중의 수소량에 대한 영향은 무시될 수 있다.When the pressure difference between the anode and the cathode in the intact polymer electrolyte membrane-fuel cell (PEM-fuel cell) fluctuates, a series of system sizes that can be determined directly or indirectly, such as the amount of hydrogen in the anode system or the hydrogen partial pressure or within the anode system The effect of nitrogen or nitrogen partial pressure and the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode can be neglected.

이에 반해, 막 결함시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 변동하면, 상기 시스템 크기에 대한 큰 영향이 관찰된다.On the other hand, if the pressure difference between the anode and the cathode fluctuates in the case of a membrane defect, a large influence on the system size is observed.

애노드 압력의 일측 변동에 의해, 예컨대 애노드 압력의 조절시 설정 압력의 변동에 의해, 또는 예컨대 캐소 압력이 예컨대 캐소드의 배출부 내에 배치된 스로틀 밸브에 의해 조절되면 캐소드 압력의 일측 변동에 의해, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이를 변동시키면, 상기 시스템 크기들, 예컨대 애노드 시스템 내의 수소량 또는 수소 부분 압력, 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력 및 캐소드의 배기 가스 중의 수소량 또는 그 기울기들로부터 막 결함이 검출될 수 있다. 구체적으로, 시스템 크기의 이용 가능성에 따라 후술되는 조치들 또는 그 조합이 가능하다.With one side fluctuation of the anode pressure, for example by fluctuation of the set pressure upon adjustment of the anode pressure, or by one side fluctuation of the cathode pressure, for example if the cathode pressure is regulated, for example, by a throttle valve disposed in the outlet of the cathode, By varying the pressure difference between the cathodes, membrane defects can be detected from the system sizes, such as the amount of hydrogen or partial hydrogen in the anode system, the amount of nitrogen or partial nitrogen in the anode system and the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode or its slopes. Can be. Specifically, measures described below or a combination thereof are possible according to the availability of the system size.

애노드와 캐소드 간의 압력 차이의 증가는 막 상태와 관계없이 애노드 시스템 내의 수소 부분 압력 또는 수소량을 증가시킨다. 상기 증가는 애노드 시스템 내의 압력 및 수소 센서에 의해 또는 이용 가능한 시스템 정보로부터 간접적으로 그리고 상기 시스템 정보의 상응하는 평가에 의해 검출될 수 있다. 또한, 막 결함시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이의 증가는 캐소드의 배기 가스 중의 수소량을 증가시키고, 상기 수소량은 캐소드 시스템에서 캐소드 다음에 접속된 수소 센서, 즉 캐소드의 배기 가스 중의 수소량을 모니터링하기 위해 배치된 수소 센서에 의해 검출될 수 있다. 또한, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이의 증가는 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력의 감소를 야기하고, 상기 질소량 또는 질소 소 부분 압력은 애노드 시스템 내의 압력 및 수소 센서에 의해 검출될 수 있다.An increase in the pressure difference between the anode and the cathode increases the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen in the anode system regardless of the membrane state. The increase can be detected by pressure and hydrogen sensors in the anode system or indirectly from available system information and by a corresponding evaluation of the system information. In addition, an increase in the pressure difference between the anode and the cathode in the case of a membrane defect increases the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode, and the amount of hydrogen is monitored by a hydrogen sensor connected after the cathode in the cathode system, that is, the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode It can be detected by a hydrogen sensor arranged to. In addition, an increase in the pressure difference between the anode and the cathode causes a decrease in the nitrogen amount or nitrogen partial pressure in the anode system, and the nitrogen amount or nitrogen partial pressure can be detected by the pressure and hydrogen sensor in the anode system.

또한, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이의 역 변동으로부터 PEM-연료 전지의 고분자 전해질 막의 결함이 추정될 수 있다. 막 결함시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 캐소드 측의 초과 압력까지 강하하면, 애노드 시스템 내의 소수 부분 압력 또는 수소량이 강하하고, 상기 수소 부분 압력 또는 수소량은 애노드 시스템 내의 압력 및 애노드 시스템 내의 수소 센서에 의해 검출될 수 있다. 또한, 막 결함시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 캐소드 측의 초과 압력까지 강하하면, 캐소드의 배기 가스 중의 수소량이 제로까지 감소하고, 상기 수소량의 감소는 캐소드 시스템 내에 배치된 수소 센서에 의해 검출될 수 있고, 상기 수소 센서에 의해 캐소드의 배기 가스 중의 수소량이 측정된다. 또한, 막 결함시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이가 캐소드 측의 초과 압력까지 강하하면, 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력이 증가한다. 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력의 증가는 애노드 시스템 내의 압력 측정 및 애노드 시스템 내의 수소 센서에 의해 검출될 수 있다.In addition, defects in the polymer electrolyte membrane of the PEM-fuel cell can be estimated from the inverse fluctuation of the pressure difference between the anode and the cathode. When the pressure difference between the anode and the cathode falls to an excess pressure on the cathode side at the time of a membrane defect, the fractional partial pressure or amount of hydrogen in the anode system drops, and the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen decreases in the anode system and the hydrogen sensor in the anode system It can be detected by. In addition, when the pressure difference between the anode and the cathode drops to an excess pressure on the cathode side in the case of a membrane defect, the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode decreases to zero, and the decrease in the amount of hydrogen is detected by a hydrogen sensor disposed in the cathode system. The hydrogen amount in the exhaust gas of the cathode is measured by the hydrogen sensor. In addition, when the pressure difference between the anode and the cathode drops to an excess pressure on the cathode side in the case of a membrane defect, the nitrogen amount or nitrogen partial pressure in the anode system increases. The increase in nitrogen amount or nitrogen partial pressure in the anode system can be detected by pressure measurement in the anode system and hydrogen sensor in the anode system.

부분 압력 및 재료량의 상기 변화는 각각의 시스템 영역 내의 압력 및 수소 센서에 의해 결정될 수 있거나 또는 간접적으로 이용 가능한 시스템 정보로부터 상응하는 평가 방법에 의해 결정될 수 있다.The change in partial pressure and material amount can be determined by the pressure and hydrogen sensors in each system area, or by corresponding evaluation methods from indirectly available system information.

본 발명에 따른 방법에서, 바람직하게는 애노드 시스템 및/또는 캐소드 시스템 내의 수소 부분 압력 또는 수소량 및/또는 수소 기울기의 절대치의 평가가 이루어진다. 특히, 한계치 모니터링이 실시된다. 대안으로서 또는 추가로, 애노드 시스템 내의 질소 부분 압력 또는 질소량 및/또는 질소 기울기의 절대치의 평가가 이루어질 수 있고, 특히 한계치 모니터링이 실시될 수 있다.In the method according to the invention, an evaluation of the absolute value of the hydrogen partial pressure or the amount of hydrogen and/or the hydrogen gradient in the anode and/or cathode system is preferably made. In particular, limit monitoring is carried out. As an alternative or additionally, an evaluation of the nitrogen partial pressure or the amount of nitrogen in the anode system and/or the absolute value of the nitrogen gradient can be made, in particular limit monitoring can be carried out.

애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동은 애노드 시스템 내의 수소 압력의 변동에 의해 야기될 수 있다. 대안으로서, 애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동은 캐소드 시스템 내의 공기 압력의 변동에 의해 야기될 수 있거나 또는 애노드 시스템 내의 수소 압력의 변동과 캐소드 시스템 내의 공기 압력의 변동의 조합에 의해 야기될 수 있다.Variations in the pressure difference between the anode system and the cathode system can be caused by variations in the hydrogen pressure in the anode system. As an alternative, fluctuations in the pressure difference between the anode system and the cathode system can be caused by fluctuations in the air pressure in the cathode system or can be caused by a combination of fluctuations in hydrogen pressure in the anode system and fluctuations in air pressure in the cathode system. have.

기본적으로 하기 2개의 상이한 조치가 가능하다. 한편으로는 애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동이 애노드 시스템으로부터 캐소드 시스템으로 압력 차이의 상승에 의해 야기될 수 있다. 대안으로서, 애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동은 캐소드 시스템 측의 초과 압력까지 애노드 시스템으로부터 캐소드 시스템으로 압력 차이의 강하에 의해서도 야기될 수 있다.Basically, two different measures are possible. On the one hand, fluctuations in the pressure difference between the anode system and the cathode system can be caused by an increase in the pressure difference from the anode system to the cathode system. As an alternative, fluctuations in the pressure difference between the anode system and the cathode system can also be caused by a drop in pressure difference from the anode system to the cathode system up to the excess pressure on the cathode system side.

본 발명의 핵심은 막 결함시 애노드 시스템과 캐소드 시스템 간의 압력 차이의 변동이 직접 애노드 시스템과 캐소드 시스템 내의 수소량 및 질소량의 변화를 야기한다는 것이다.The essence of the present invention is that fluctuations in the pressure difference between the anode system and the cathode system in the event of a membrane defect directly cause changes in the amount of hydrogen and nitrogen in the anode and cathode systems.

공장 진단을 위해, 진단 테스터를 통해 상응하는 작동 상태, 예컨대 연료 전지 시스템의 최소 부하로 테스트 작동이 시작될 수 있다. 그리고 나서, 압력 차이가 변동되고, 이용 가능한 상기 측정값, 예컨대 애노드 시스템 내의 수소 부분 압력 또는 수소량 및/또는 캐소드의 배기 가스 중의 수소량 및/또는 애노드 시스템 내의 질소량 또는 질소 부분 압력이 기록된다. 기록된 측정값과 미리 정해진 한계치의 비교에 의해, 상기 한계의 초과시 막 결함의 검출이 간단히 가능하다.For factory diagnostics, a test operation can be initiated via a diagnostic tester with a corresponding operating state, such as a minimum load of the fuel cell system. The pressure difference is then varied and the available measurements are recorded, such as the hydrogen partial pressure or amount of hydrogen in the anode system and/or the amount of hydrogen in the exhaust gas of the cathode and/or nitrogen or nitrogen partial pressure in the anode system. By comparing the recorded measurement value with a predetermined limit value, detection of a film defect when the limit is exceeded is simply possible.

따라서, 시스템 작동 중에 일정한 부하 점에서, 예컨대 자동차 정지시 무부하 상태에서 또는 시스템의 후속 동작에서, 상응하는 트리거링에 의해 압력 차이의 변동을 시작하고 자동차의 온-보드 진단의 범주에서 PEM-연료 전지 또는 PEM-연료 전지 스택의 검사 결과를 얻는 것이 가능하다.Thus, a PEM-fuel cell in the category of on-board diagnostics of a vehicle or initiates fluctuations in the pressure difference by corresponding triggering at a constant load point during system operation, such as in no-load condition when the vehicle is stopped or in subsequent operation of the system. It is possible to obtain the inspection results of the PEM-fuel cell stack.

자동차의 온-보드 진단의 범주에서의 적용은 특히 바람직한 적용이다. 그러나, 일반적으로 PEM-연료 전지를 검사하기 위한 본 발명에 따른 방법은 다른 이동 적용 및 고정 적용에도 적용될 수 있고, 자동차에 제한되지 않는다. 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사를 위한 본 발명에 따른 방법에서는 특히 바람직하게 개별 연료 전지뿐만 아니라 연료 전지 스택이 검사될 수 있는데, 그 이유는 연료 전지 스택에서도 개별 연료 전지의 막 결함을 확실히 검출하기 위해 연료 전지 스택의 개별 PEM-연료 전지에 상응하는 센서만이 제공되면 되기 때문이다.Application in the category of automotive on-board diagnostics is a particularly desirable application. However, in general, the method according to the invention for inspecting PEM-fuel cells can be applied to other mobile and stationary applications and is not limited to automobiles. In the method according to the invention for the inspection of a polymer electrolyte membrane-fuel cell, it is particularly preferred that the fuel cell stack as well as the individual fuel cells can be inspected, since the membrane defects of the individual fuel cells are reliably detected even in the fuel cell stack. This is because only sensors corresponding to individual PEM-fuel cells in the fuel cell stack need to be provided.

본 발명에 의해, 추가의 센서 없이 공장 진단의 범주에서 그리고 자동차의 온-보드 진단의 범주에서 막 결함의 검출을 가능하게 하는, 고분자 전해질 막의 결함 검출을 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법이 제공된다.According to the present invention, a method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting a defect in a polymer electrolyte membrane, which enables detection of membrane defects in the category of factory diagnosis and in the category of on-board diagnostics of automobiles without additional sensors, Is provided.

본 발명의 실시예가 도면에 도시되며 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 막 결함의 존재시 PEM-연료 전지 내의 압력 차이가 변동할 때 상이한 시스템 파라미터의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프.
An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and described in detail below.
1 is a graph showing the change over time of different system parameters when the pressure difference in a PEM-fuel cell fluctuates in the presence of a membrane defect.

도 1에는 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 변동시 및 PEM-연료 전지의 막 결함의 존재시 상이한 시스템 파라미터의 시간에 따른 변화가 도시된다. 횡축에는 시간 t이 도시된다. 종축에는 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 양적 변화가 도시된다. 또한, 종축에는 애노드 시스템 내의 질소 부분 압력(2), 애노드 시스템 내의 수소량(3) 및 캐소드 배기 가스 내의 수소량(4)의 양적 변동이 도시된다.1 shows the change over time of different system parameters in the event of fluctuations in the pressure difference 1 between the anode and the cathode and in the presence of membrane defects in the PEM-fuel cell. Time t is shown on the abscissa. The vertical axis shows the quantitative change of the pressure difference 1 between the anode and the cathode. In addition, the vertical axis shows the quantitative variation of the nitrogen partial pressure 2 in the anode system, the amount of hydrogen 3 in the anode system and the amount of hydrogen 4 in the cathode exhaust gas.

본 발명에 따른 방법의 실시 동안 시스템 파라미터가 도시된다. 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)는 원래 작동 상태로부터 시작해서 시점(t1)부터 단계적으로 강하하는 것이 나타난다. 도시된 시스템 파라미터의 변화를 기초로, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 강하로 인해 그리고 PEM-연료 전지에서 막 결함의 존재로 인해 다른 시스템 파라미터들이 어떻게 변화되는지가 나타난다. 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 강하로 인해, 애노드 시스템 내의 질소 부분 압력(2)이 상승한다. 또한, 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 단계적인 강하 동안 애노드 시스템 내의 수소량(3)은 급격히 줄어드는 것이 관찰된다. 또한, 캐소드 배기 가스 내의 수소량(3)은 제로까지 강하하는데, 그 이유는 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 강하가 캐소드 측에서의 초과 압력까지 실시되기 때문이다. 캐소드 측에서의 초과 압력은 제로 값까지 캐소드 배기 가스 중의 수소량(3)의 강하를 야기한다.System parameters are shown during the implementation of the method according to the invention. It appears that the pressure difference 1 between the anode and the cathode descends step by step from the time t1 starting from the original operating state. Based on the changes in the system parameters shown, it is shown how other system parameters change due to the drop in the pressure difference 1 between the anode and the cathode and due to the presence of membrane defects in the PEM-fuel cell. Due to the drop in the pressure difference 1 between the anode and the cathode, the nitrogen partial pressure 2 in the anode system rises. It is also observed that during the stepwise drop in the pressure difference 1 between the anode and the cathode, the amount of hydrogen 3 in the anode system decreases rapidly. In addition, the amount of hydrogen 3 in the cathode exhaust gas drops to zero, because the drop in the pressure difference 1 between the anode and the cathode is carried out to the excess pressure at the cathode side. The excess pressure at the cathode side causes a drop in the amount of hydrogen 3 in the cathode exhaust gas to a zero value.

애노드 측에서 질소 부분 압력(2) 및 애노드 시스템 내의 수소량(3) 및 캐소드 배기 가스 중의 수소량(4)의 변화의 관찰 및 평가에 의해, PEM-연료 전지의 막 결함이 확실히 검출될 수 있다. 이는 한편으로는 하나 또는 다수의 상기 시스템 파라미터의 한계치 모니터링에 의해 또는 기울기의 검출 및 평가에 의해 이루어질 수 있는데, 그 이유는 특히 애노드 시스템 내의 수소량(3) 및 캐소드 배기 가스 중의 수소량(4)의 변화시 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 변동으로 인한 각각의 양의 급강하가 관찰되기 때문이다.By observing and evaluating changes in the nitrogen partial pressure 2 at the anode side and the amount of hydrogen 3 in the anode system and the amount of hydrogen in the cathode exhaust gas 4, membrane defects in the PEM-fuel cell can be reliably detected. . This can be done on the one hand by monitoring the limits of one or more of the above system parameters or by detecting and evaluating the slope, especially because the amount of hydrogen 3 in the anode system and the amount of hydrogen in the cathode exhaust gas 4 This is because a sudden drop of each amount due to fluctuations in the pressure difference (1) between the anode and the cathode is observed.

따라서, 막 결함은 한계치 모니터링에 의해 그리고 기울기 모니터링에 의해 검출될 수 있다. 한계치 모니터링과 기울기 모니터링의 조합도 가능하다. 또한, 다수의 시스템 파라미터의 모니터링에 의해 타당성 검사가 실시될 수 있다.Thus, membrane defects can be detected by threshold monitoring and by tilt monitoring. Combination of limit monitoring and slope monitoring is also possible. In addition, a feasibility check can be carried out by monitoring a number of system parameters.

시점 t2에서 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)가 다시 원래의 작동 상태로 급격히 되돌아가고, 시스템 파라미터가 어떻게 다시 그 출발 값에 가까워지는지가 나타난다. 애노드 시스템 내의 질소 부분 압력(2)은 압력 차이의 변동 전에 취했던 원래 값으로 다시 서서히 되돌아간다. 마찬가지로, 애노드 시스템 내의 측정된 수소량(3) 및 캐소드 배기 가스 중의 수소량(4)이 애노드와 캐소드 간의 압력 차이(1)의 변동 전의 값으로 다시 되돌아간다.At time t2, the pressure difference 1 between the anode and the cathode rapidly returns to the original operating state again, and it is shown how the system parameter approaches the starting value again. The nitrogen partial pressure 2 in the anode system gradually returns back to the original value taken before the fluctuation of the pressure difference. Likewise, the measured amount of hydrogen 3 in the anode system and the amount of hydrogen 4 in the cathode exhaust gas return back to the value before the fluctuation of the pressure difference 1 between the anode and the cathode.

1 압력 차이
2 질소 부분 압력
3, 4 수소량
1 pressure difference
2 Nitrogen partial pressure
3, 4 hydrogen levels

Claims (10)

수소 안내 애노드 시스템과 공기 안내 캐소드 시스템을 서로 분리하는 고분자 전해질 막의 결함을 검출하기 위한 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법에 있어서,
상기 연료 전지의 일정한 작동 상태 동안 상기 애노드 시스템과 상기 캐소드 시스템 간의 압력 차이(1)의 변동이 실시되고, 상기 압력 차이(1)의 변동 동안 상기 애노드 시스템 및 상기 캐소드 시스템에서 수소 부분 압력 또는 수소량의 검출 및 상기 압력 차이의 변동 동안 상기 애노드 시스템에서 질소 부분 압력(2) 또는 질소량의 검출이 실시되고,
상기 애노드 시스템 및 상기 캐소드 시스템 간의 압력 차이(1)의 변동은 상기 애노드 시스템으로부터 상기 캐소드 시스템으로 상기 압력 차이(1)의 하강에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.
A method for inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell for detecting defects in a polymer electrolyte membrane separating a hydrogen-guided anode system and an air-guided cathode system from each other,
During the constant operating state of the fuel cell, fluctuations in the pressure difference 1 between the anode system and the cathode system are carried out, and during the fluctuation in the pressure difference 1, hydrogen partial pressure or hydrogen amount in the anode system and the cathode system During the detection and fluctuation of the pressure difference, the nitrogen partial pressure 2 or the amount of nitrogen is detected in the anode system,
The variation of the pressure difference (1) between the anode system and the cathode system is caused by the drop of the pressure difference (1) from the anode system to the cathode system.
제 1 항에 있어서, 상기 애노드 시스템 내의 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량, 또는 수소 기울기, 또는 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량 및 수소 기울기의 절대치의 평가, 또는 상기 캐소드 시스템 내의 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량, 또는 수소 기울기, 또는 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량 및 수소 기울기의 절대치의 평가, 또는 상기 애노드 시스템 및 상기 캐소드 시스템 내의 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량, 또는 수소 기울기, 또는 상기 수소 부분 압력이나 상기 수소량 및 수소 기울기의 절대치의 평가가 실시되고, 특히 한계치 모니터링이 실시되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.The method according to claim 1, wherein the hydrogen partial pressure or the hydrogen amount in the anode system, or the hydrogen gradient, or the hydrogen partial pressure or the hydrogen amount and the absolute value of the hydrogen gradient, or the hydrogen partial pressure in the cathode system, Evaluation of the hydrogen amount, or the hydrogen gradient, or the hydrogen partial pressure or the absolute value of the hydrogen amount and the hydrogen gradient, or the hydrogen partial pressure or the hydrogen amount in the anode system and the cathode system, or the hydrogen gradient, or the hydrogen A method of inspecting a polymer electrolyte membrane-fuel cell, characterized in that the partial pressure, the amount of hydrogen, and the absolute value of the hydrogen slope are evaluated, and in particular, threshold monitoring is performed. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 시스템 내의 상기 질소 부분 압력(2)이나 상기 질소량, 또는 질소 기울기, 또는 상기 질소 부분 압력이나 상기 질소량 및 질소 기울기의 절대치의 평가가 실시되고, 특히 한계치 모니터링이 실시되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.The method according to claim 1, wherein the nitrogen partial pressure (2) or the nitrogen amount in the anode system, or the nitrogen gradient, or the absolute value of the nitrogen partial pressure or the nitrogen amount and the nitrogen gradient is carried out, and in particular, threshold monitoring is performed. A polymer electrolyte membrane-inspection method of a fuel cell, characterized in that. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 시스템과 상기 캐소드 시스템 간의 압력 차이(1)의 변동은 상기 애노드 시스템 내의 수소 압력의 변동에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.Method according to claim 1, characterized in that the fluctuation of the pressure difference (1) between the anode system and the cathode system is caused by fluctuations in the hydrogen pressure in the anode system. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 시스템과 상기 캐소드 시스템 간의 압력 차이(1)의 변동은 상기 캐소드 시스템 내의 공기 압력의 변동에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.Method according to claim 1, characterized in that the fluctuation of the pressure difference (1) between the anode system and the cathode system is caused by fluctuations in air pressure in the cathode system. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 차이(1)는 상기 애노드 시스템으로부터 상기 캐소드 시스템으로 상기 캐소드 시스템 측의 초과 압력까지의 하강으로 야기되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 막-연료 전지의 검사 방법.Method according to claim 1, characterized in that the pressure difference (1) is caused by a drop from the anode system to the cathode system to an excess pressure on the cathode system side. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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