KR102494169B1 - Evaluating apparatus for fuel cell and evaluating method for fuel cell using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 성능 평가 장치 및 이를 이용한 연료전지 성능 평가 방법에 관한 것으로, 막전극 접합체와 막전극 접합체의 양측에 배치되는 기체확산부가 구비되는 단위셀부와, 단위셀부와 연결되고, 기체확산부를 통해 물이 투과되도록 단위셀부의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 시험부 및 시험부에서의 물의 유동을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a performance evaluation device for a fuel cell and a fuel cell performance evaluation method using the same, and relates to a membrane electrode assembly and a unit cell having a gas diffusion unit disposed on both sides of the membrane electrode assembly, connected to the unit cell unit, and a gas diffusion unit. It is characterized in that it includes a test unit for supplying gas and water to both sides of the unit cell unit so that water is transmitted through it, and a measurement unit for measuring the flow of water in the test unit.
Description
본 발명은 연료전지용 성능 평가 장치 및 이를 이용한 연료전지 성능 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기체확산층의 물 투과 성능을 평가하는 연료전지용 성능 평가 장치 및 이를 이용한 연료전지 성능 평가 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell performance evaluation device and a fuel cell performance evaluation method using the same, and more particularly, to a fuel cell performance evaluation device for evaluating water permeability of a gas diffusion layer and a fuel cell performance evaluation method using the same.
일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.In general, a fuel cell is a power reaction means that continuously produces electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative solution to global environmental problems.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.Depending on the type of electrolyte used, fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxide fuel cells (SOFCs). It can be classified into polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), alkaline fuel cell (AFC) and direct methanol fuel cell (DMFC), and works with the type of fuel used. Depending on temperature, output range, etc., it can be applied to various application fields such as mobile power, transportation, and distributed power generation.
연료 전지의 구동 과정에서 수소 이온이 전해질막을 통과하기 위해서는 전해질막이 일정량의 물을 포함하고 있어야 한다. 이러한 전해질막의 습도는 수소 가스와 산화제를 넓게 확산시켜 촉매층의 화학 반응을 용이하게 하고, 전기화학반응에 의해 생성된 물을 투과시킬 수 있는 기체확산층에 의해 이루어질 수 있다. 따라서 기체확산층의 물 투과 성능은 연료 전지의 성능에 영향을 미치는 중요한 요소로, 기체확산층의 물 투과 성능을 정확하게 파악하여 적절한 기체확산층을 선택하는 것이 중요하다.In order for hydrogen ions to pass through the electrolyte membrane during the operation of the fuel cell, the electrolyte membrane must contain a certain amount of water. The humidity of the electrolyte membrane can be achieved by a gas diffusion layer capable of widely diffusing hydrogen gas and an oxidizing agent to facilitate chemical reactions in the catalyst layer and permeating water generated by the electrochemical reaction. Therefore, the water permeability of the gas diffusion layer is an important factor influencing the performance of the fuel cell, and it is important to accurately determine the water permeability of the gas diffusion layer and select an appropriate gas diffusion layer.
그러나 종래의 기체확산층의 물 투과 성능을 평가하는 장치 또는 방법은 평가과정이 번거롭고 어려울 뿐만 아니라, 광가속기 등 고가의 장비를 요하게 되는 문제점이 있어 이를 개선할 필요성이 요청된다.However, the conventional apparatus or method for evaluating the water permeability of the gas diffusion layer has problems in that the evaluation process is cumbersome and difficult, and expensive equipment such as an optical accelerator is required, so there is a need to improve this.
한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0864689호(2008.10.15 등록, 발명의 명칭: 연료전지 성능 측정장치 및 이를 이용한 연료전지 성능측정방법)에 개시되어 있다.On the other hand, the background art of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration Publication No. 10-0864689 (registered on October 15, 2008, title of the invention: Fuel cell performance measuring device and fuel cell performance measuring method using the same).
본 발명은 단위셀 내부의 물 투과를 가시화할 수 있고, 단위셀의 물 투과 성능을 정량적으로 측정할 수 있는 연료전지용 성능 평가 장치 및 이를 이용한 연료전지 성능 평가 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell performance evaluation device capable of visualizing water permeation inside a unit cell and quantitatively measuring water permeation performance of a unit cell, and a fuel cell performance evaluation method using the same.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는: 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체의 양측에 배치되는 기체확산부가 구비되는 단위셀부; 상기 단위셀부와 연결되고, 상기 기체확산부를 통해 물이 투과되도록 상기 단위셀부의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 시험부; 및 상기 시험부에서의 물의 유동을 측정하는 측정부;를 포함한다.In order to solve the above problems, a performance evaluation apparatus for a fuel cell according to the present invention includes: a membrane electrode assembly and a unit cell unit provided with a gas diffusion unit disposed on both sides of the membrane electrode assembly; a test unit connected to the unit cell unit and supplying gas and water to both sides of the unit cell unit so that water permeates through the gas diffusion unit; and a measurement unit for measuring the flow of water in the test unit.
또한, 상기 시험부는 상기 단위셀부의 양측의 습도차로 인한 확산 작용에 의해 물을 투과시킨다.In addition, the test part permeates water by a diffusion action due to a difference in humidity between both sides of the unit cell part.
또한, 상기 시험부는, 상기 단위셀부의 일측과 마주보게 배치되고, 기체의 유동 경로를 마련하는 제1유로가 구비되는 제1시험부재; 및 상기 단위셀부의 타측과 마주보게 배치되고, 물의 유동 경로를 마련하는 제2유로가 구비되는 제2시험부재;를 포함한다.In addition, the test unit may include a first test member disposed facing one side of the unit cell unit and provided with a first flow path for providing a gas flow path; and a second test member disposed to face the other side of the unit cell unit and provided with a second flow path for providing a water flow path.
또한, 상기 기체확산부를 통해 상기 제2시험부재로부터 상기 제1시험부재로 투과된 물은 상기 제1유로 내부의 기체에 의해 상기 제1유로를 따라 유동된다.In addition, the water permeated from the second test member to the first test member through the gas diffusion part flows along the first flow path by the gas inside the first flow path.
또한, 상기 제1시험부재에는 상기 제1유로의 유동 방향을 따라 연장되는 제1눈금부가 구비되고, 상기 제2시험부재에는 상기 제2유로의 유동 방향을 따라 연장되는 제2눈금부가 구비된다.In addition, the first test member is provided with a first scale portion extending along the flow direction of the first flow path, and the second test member is provided with a second scale portion extending along the flow direction of the second flow path.
또한, 상기 제1시험부재와 제2시험부재는 투명 재질로 구비된다.In addition, the first test member and the second test member are provided with a transparent material.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평자 장치를 이용한 연료전지 성능 평가 방법은: 단위셀부와 시험부를 조립하는 조립단계; 상기 시험부를 통해 상기 단위셀부의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 공급단계; 기체확산부를 통해 제2시험부재로부터 제1시험부재로 물을 투과시키는 투과단계; 및 상기 시험부 내부의 물의 유동을 통해 상기 기체확산부의 물의 투과 정도를 측정하는 측정단계;를 포함한다.In addition, the fuel cell performance evaluation method using the fuel cell performance evaluation device according to the present invention includes: an assembling step of assembling a unit cell unit and a test unit; A supply step of supplying gas and water to both sides of the unit cell unit through the test unit; Permeation step of permeating water from the second test member to the first test member through the gas diffusion unit; and a measuring step of measuring the water permeability of the gas diffusion unit through the flow of water inside the test unit.
또한, 상기 투과단계는, 상기 제2시험부재의 물의 배출 경로를 차단하는 차단단계; 및 상기 제1시험부재와 상기 제2시험부재의 습도차에 의해 물을 기체확산부로 투과시키는 확산단계;를 포함한다.In addition, the permeation step may include a blocking step of blocking the discharge path of the water of the second test member; and a diffusion step of permeating water through a gas diffusion unit due to a difference in humidity between the first test member and the second test member.
본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는 시험부로의 기체와 물의 공급만으로 단위셀부의 물 투과 성능을 평가할 수 있음에 따라 광가속기 등의 고가의 장비 사용으로 인한 비용을 절감할 수 있다.The fuel cell performance evaluation apparatus according to the present invention can evaluate the water permeability of the unit cell part only by supplying gas and water to the test part, thereby reducing costs due to the use of expensive equipment such as an optical accelerator.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는 제1시험부재와 제2시험부재가 투명한 재질로 구비됨에 따라 단위셀부를 투과하는 물의 유동을 가시화시킬 수 있어 물 유동의 측정이 용이하다.In addition, since the first test member and the second test member are made of a transparent material, the performance evaluation device for a fuel cell according to the present invention can visualize the flow of water penetrating the unit cell unit, making it easy to measure the water flow.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는 제1유로의 기체의 흐름을 이용해 단위셀부를 투과한 물에 유동을 발생시킬 수 있어 물의 유동을 보다 효과적으로 가시화시킬 수 있다.In addition, the performance evaluation device for a fuel cell according to the present invention can generate a flow of water passing through the unit cell unit using the flow of gas in the first flow path, so that the flow of water can be more effectively visualized.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는 측정부에 의해 물의 유동을 정밀하게 측정할 수 있음에 따라 단위셀부의 투과 성능에 대한 보다 정확한 정보를 얻을 수 있다.In addition, since the performance evaluation device for a fuel cell according to the present invention can accurately measure the flow of water by the measuring unit, more accurate information on permeation performance of the unit cell unit can be obtained.
본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 방법은 간단한 조작으로 단위셀부의 물 투과 성능을 평가할 수 있음에 따라 신속하고 효율적인 시험을 수행할 수 있다.The performance evaluation method for a fuel cell according to the present invention can evaluate the water permeability of a unit cell part with a simple operation, and thus can perform a quick and efficient test.
본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 방법은 차단단계에 의해 제2유로의 물이 모두 단위셀부를 투과하도록 할 수 있어 신뢰도 있는 실험결과를 얻을 수 있다.In the performance evaluation method for a fuel cell according to the present invention, reliable experimental results can be obtained because all the water in the second flow path can penetrate the unit cell unit by the blocking step.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 설치 상태를 개략적으로 나타내는 설치상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 저면사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지용 성능 평가 방법의 작동과정을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 방법의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과단계의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.1 is an installation state diagram schematically illustrating an installation state of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically showing the configuration of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a bottom perspective view schematically showing the configuration of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart schematically illustrating an operation process of a method for evaluating performance of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart schematically illustrating a sequence of a performance evaluation method for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart schematically showing the sequence of the permeation step according to an embodiment of the present invention.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 실시예를 설명하도록 한다.Hereinafter, an embodiment of a performance evaluation device for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, in this specification, when a part is said to be “connected (or connected)” to another part, this is not only the case where it is “directly connected (or connected)”, but also “with another member in between” It also includes cases where it is indirectly connected (or connected). In this specification, when it is said that a certain part "includes (or includes)" a certain component, this does not exclude other components unless otherwise stated, but "includes (or includes)" other components. It means you can.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.Also, like reference numerals may refer to like elements throughout this specification. Even if the same reference numerals or similar reference numerals are not mentioned or described in a particular drawing, the numerals may be described based on another drawing. In addition, even if there are parts not marked with reference numerals in specific drawings, the parts can be described based on other drawings. In addition, the number, shape, size, and relative difference of the detailed components included in the drawings of the present application are set for convenience of understanding, and may be implemented in various forms without limiting the embodiments.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 설치 상태를 개략적으로 나타내는 설치상태도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 저면사시도이다.1 is an installation state diagram schematically illustrating an installation state of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 3 is a bottom perspective view schematically showing the configuration of a performance evaluation device for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 장치는 단위셀부(100), 시험부(200), 공급부(300), 측정부(400)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 3 , a fuel cell performance evaluation device according to an embodiment of the present invention includes a
단위셀부(100)는 연료전지의 단위셀의 형태를 갖도록 마련되고, 후술하는 시험부(200)에 의한 성능 평가의 대상물로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀부(100)는 막전극 접합체(110), 가스확산부(120), 가스켓부(130)를 포함한다.The
막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(110)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 양측에 도포된 촉매층을 포함한다.The Membrane Electrode Assembly (MEA) 110 includes a polymer electrolyte membrane capable of transporting hydrogen cations (protons) and a catalyst layer applied to both sides of the polymer electrolyte membrane.
고분자 전해질막은 술포네이티드 폴리 에테르에테르키톤, 술포네이티드 폴리키톤, 술포네이티드 폴리(페닐렌 옥사이드), 술포네이티드 폴리(페닐렌 술파이드), 술포네이티드 폴리술폰, 술포네이티드 폴리카보네이트, 술포네이티드 폴리스티렌, 술포네이티드 폴리이미드, 술포네이티드 폴리퀴녹살린, 술포네이티드 (포스포네이티드) 폴리포스파젠 및 술포네이티드 폴리벤즈이미다졸 중에서 선택되는 1종 이상으로 재질을 포함할 수 있다.The polymer electrolyte membrane includes sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyketone, sulfonated poly(phenylene oxide), sulfonated poly(phenylene sulfide), sulfonated polysulfone, sulfonated polycarbonate, The material may contain at least one selected from sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated polyquinoxaline, sulfonated (phosphonated) polyphosphazene, and sulfonated polybenzimidazole. there is.
고분자 전해질막의 고분자의 함량은 적용하고자 하는 연료전지용 전해질막에 요구되는 적정한 IEC (ion exchange capacity) 값에 따라 조절될 수 있다. 연료전지용 분리막 제조를 위한 고분자 합성의 경우, IEC (ion exchange capacity) meq./g = mmol/g의 값을 계산하여 고분자의 함량을 결정할 수 있다. 예를 들어, 0.5 ≤≤ IEC ≤≤ 3 의 범위 내가 되도록 고분자 함량을 선택할 수 있다.The content of the polymer in the polymer electrolyte membrane may be adjusted according to an appropriate ion exchange capacity (IEC) value required for an electrolyte membrane for a fuel cell to be applied. In the case of polymer synthesis for manufacturing a separator for a fuel cell, the content of the polymer may be determined by calculating the value of ion exchange capacity (IEC) meq./g = mmol/g. For example, the polymer content may be selected to be within the range of 0.5 ≤ IEC ≤ 3.
촉매층은 연료 또는 산화제의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있다. 촉매층의 두께는 각각 3㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. 이때, 고분자 전해질막을 기준으로 양측에 배치된 촉매층의 두께는 서로 동일하거나, 각각 상이할 수 있다. 촉매층에 포함된 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalyst layer is a place where the oxidation reaction of fuel or oxidant takes place, and a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy is preferably used. can Each of the catalyst layers may have a thickness of 3 μm or more and 30 μm or less. In this case, the catalyst layers disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane may have the same thickness or different thicknesses. Catalysts included in the catalyst layer may be used by themselves or supported on a carbon-based carrier.
가스확산부(120)는 한 쌍으로 구비되고, 막전극 접합체(110)의 양측에 각각 배치된다. 가스확산부(120)는 시험부(200)를 통해 공급되는 물을 투과시킬 수 있도록 다공질의 형태로 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산부(120)는 기체확산층(Gas diffusion layer, GDL)과, 미세기공층(Microporous layer, MPL)을 포함한다.The
기체확산층은 기체, 물이 투과될 수 있는 다공질의 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산층으로는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper) 등이 사용될 수 있다.The gas diffusion layer is composed of porous carbon fibers and polytetrafluoroethylene-based hydrophobic materials through which gas and water can permeate. Carbon fiber cloth, carbon fiber felt, carbon fiber paper, and the like may be used as the gas diffusion layer according to an embodiment of the present invention.
미세기공층은 막전극 접합체(110)와 기체확산층 사이에 구비되어 기체확산부(120)의 기체, 물 등의 물질 확산을 보조한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세기공은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 화이버, 플러렌(fullrene), 카본나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노 혼(carbon nanohorn) 또는 카본 나노링(carbon nano-ring)을 포함할 수 있다. 미세기공층을 구성하는 도전성 분말은 입자 크기가 너무 작으면 압력 강화가 심하여 물질 확산이 미흡할 수 있고, 입자 크기가 너무 커지면 물질의 균일한 확산이 어려울 수 있다. 따라서, 물질의 확산 효과를 고려하여 일반적으로 10 nm 내지 50 nm 범위의 평균 입경을 갖는 도전성 분말을 사용할 수 있다.The microporous layer is provided between the
가스켓부(130)는 후술하는 시험부(200)와 막전극 접합체(110) 사이에 구비되어 단위셀부(100)와 시험부(200)를 밀폐시키며, 단위셀부(100)와 시험부(200)간에 가해지는 충격을 흡수한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓부(130)는 막전극 접합체(110)의 테두리를 따라 형성된다. 가스켓부(130)는 단위셀부(100)와 시험부(200)의 기밀을 효과적으로 유지시킬 수 있도록 고무, 실리콘 등의 탄성 재질을 포함할 수 있다.The
시험부(200)는 단위셀부(100)와 연결되고, 기체확산부(120)를 통해 물이 투과되도록 단위셀부(100)의 양측으로 각각 기체와 물을 공급한다. 보다 구체적으로, 시험부(200)는 단위셀부(100)의 양측에 습도차가 형성되도록 단위셀부(100) 한 쪽으로만 물을 공급하고, 기체확산부(120)에 습도차로 인해 확산 작용을 유도함으로써 물을 투과시킴으로써 기체확산부(120)의 물 투과 성능을 시험한다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 시험부(200)는 제1시험부재(210), 제2시험부재(220)를 포함한다.The
제1시험부재(210)는 단위셀부(100)의 일측, 보다 구체적으로 한 쌍의 가스확산층(120) 중 어느 하나의 가스확산층(120)과 마주보게 배치된다. 제1시험부재(210)는 내부의 기체 또는 물의 유동을 가시화할 수 있도록 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1시험부재(210)는 육면체의 형태를 갖도록 형성되고, 단위셀부(100)의 일측(도 2 기준 상측)에 배치된다. 제1시험부재(210)는 나사 결합 등에 단위셀부(100)의 일측에 밀착될 수 있고, 이와 달리 프레스 등과 같은 별도의 가압수단에 의해 단위셀부(100)의 일측에 밀착되는 것도 가능하다. 제1시험부재(210)는 내부를 가시화할 수 있도록 아크릴, 유리 등과 같은 투명한 재질을 포함할 수 있다.The
제1시험부재(210)의 내부에는 기체의 유동 경로를 마련하는 제1유로(211)가 구비된다. 제1유로(211)는 단위셀부(100)와 마주보는 측이 개방된다. 이에 따라 제1유로(211)는 기체확산부(120)를 통해 단위셀부(100)를 투과한 물이 내부로 유입될 수 있고, 내부의 기체의 흐름을 이용하여 유입된 물을 유동시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유로(211)는 제1시험부재(210)의 하측면(도 2기준)으로부터 제1시험부재(210)의 내부로 오목하게 함몰 형성된다. 제1유로(211)는 연료전지의 분리판에 마련되는 채널 형상의 유로와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 제1유로(211)의 면적은 기체확산부(120)의 면적에 대응되거나, 기체확산부(120)의 면적보다 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다.The inside of the
제1시험부재(210)에는 기체 유입구(212), 물 유입구(213), 기체 배출구(214), 물 배출구(215)가 구비된다. 기체 유입구(212)와 기체 배출구(214)는 제1시험부재(210)를 관통하는 홀의 형상으로 형성되고, 일측이 제1유로(211)와 연통된다. 물 유입구(213)와 물 배출구(215)는 제1시험부재(210)를 관통하는 홀의 형상으로 형성되고, 후술하는 제2유로(221)와 연통된다. 기체 유입구(212), 물 유입구(213), 기체 배출구(214), 물 배출구(215)의 구체적인 배치는 도 2에 도시된 배치에 한정되는 것은 아니고, 다양한 배치로 설계변경이 가능하다.The
제1시험부재(210)에는 제1유로(211) 내부의 기체와 물의 유동 정보를 제공하는 제1눈금부(216)가 구비될 수 있다. 이 경우, 유동 정보는 기체와 물의 속도, 이동거리, 위치 등으로 예시될 수 있다. 이에 따라 제1눈금부(216)는 기체확산부(120)의 투과 성능을 수치화함으로써 측정부(400)로 하여금 보다 정확한 측정이 가능하도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1눈금부(216)는 제1유로(211)의 기체 유동방향과 수직하게 배치되는 복수개의 선이 제1유로(211)의 기체 유동방향으로 나란하게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 제1눈금부(216)는 제1시험부재(210)의 표면에 인쇄되는 형태로 형성될 수 있으며, 이와 달리 음각 형태로 형성되는 것도 가능하다.The
제2시험부재(220)는 단위셀부(100)의 타측, 보다 구체적으로 한 쌍의 가스확산층(120) 중 나머지 하나의 가스확산층(120)과 마주보게 배치된다. 제2시험부재(220)는 내부의 기체 또는 물의 유동을 가시화할 수 있도록 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2시험부재(220)는 육면체의 형태를 갖도록 형성되고, 단위셀부(100)의 타측(도 2 기준 하측)에 배치된다. 제2시험부재(220)는 나사 결합 등에 단위셀부(100)의 타측에 밀착될 수 있고, 이와 달리 프레스 등과 같은 별도의 가압수단에 의해 단위셀부(100)의 타측에 밀착되는 것도 가능하다. 제2시험부재(220)는 내부를 가시화할 수 있도록 아크릴, 유리 등과 같은 투명한 재질을 포함할 수 있다.The
제2시험부재(220)의 내부에는 물의 유동 경로를 마련하는 제2유로(221)가 구비된다. 제2유로(221)는 제1시험부재(210)에 구비되는 물 유입구(213)과 연통되고, 단위셀부(100)의 타측과 마주보는 측이 개방된다. 이에 따라 제2유로(221)는 물 유입구(213)로부터 전달받은 물을 기체확산부(120)로 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2유로(221)는 제2시험부재(220)와 별도로 마련되고, 제2시험부재(220)의 상측면(도 2기준)을 통해 제2시험부재(220)의 내부로 삽입될 수 있다. 이 경우, 제2유로(221)는 연료전지의 분리판에 마련되는 3D 파인메쉬(Fine mesh) 유로에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 제2유로(221)의 면적은 기체확산부(120)의 면적에 대응되거나, 기체확산부(120)의 면적보다 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다.The inside of the
제2시험부재(220)에는 제2유로(221) 내부의 물의 유동 정보를 제공하는 제2눈금부(222)가 구비될 수 있다. 이 경우, 유동 정보는 기체와 물의 속도, 이동거리, 위치 등으로 예시될 수 있다. 이에 따라 제2눈금부(222)는 기체확산부(120)의 투과 성능을 수치화함으로써 측정부(400)로 하여금 보다 정확한 측정이 가능하도록 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2눈금부(222)는 제2유로(221)의 물 유동방향과 수직하게 배치되는 복수개의 선이 제2유로(221)의 물 유동방향으로 나란하게 연장되는 형태로 형성될 수 있다. 제2눈금부(222)는 제2시험부재(220)의 표면에 인쇄되는 형태로 형성될 수 있으며, 이와 달리 음각 형태로 형성되는 것도 가능하다.The
공급부(300)는 시험부(200)에 기체와 물을 공급하고, 시험부(200)로 공급된 기체와 물을 배출할 수 있도록 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공급부(300)는 공급배관(310), 배출배관(320)을 포함한다.The
공급배관(310)은 제1유로부(211)와 제2유로부(221)로 각각 기체와 물을 공급한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공급배관(310)은 기체 유입구(212)와 연통되는 기체 공급관(311)과, 물 유입구(213)와 연통되는 물 공급관(312)을 포함할 수 있다. 기체 공급관(311)과 물 공급관(312)의 공급 작동은 각각 터빈모듈과 펌프모듈에 의해 조절될 수 있다.The
배출배관(320)은 제1유로부(211)와 제2유로부(221)로부터 배출되는 기체와 물을 전달받는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배출배관(320)은 기체 배출구(214)와 연통되는 기체 배출관(321)과, 물 배출구(215)와 연통되는 물 배출관(322)를 포함할 수 있다. 기체 배출관(321)과 물 배출관(322)에는 밸브가 구비되어 기체와 물의 배출 상태를 조절할 수 있다.The
측정부(400)는 시험부(200)에서의 물의 유동을 측정할 수 있도록 구비된다. 보다 구체적으로, 측정부(400)는 제1눈금부(216)와 제2눈금부(222)가 제공하는 물의 유동 정보를 연속적으로 촬영하고, 촬영된 정보를 통해 기체확산부(120)의 투과 정도를 측정한다. 이에 따라 측정부(400)는 사용자에게 단위셀(100)의 투과 성능에 대한 보다 정확한 판단 기준을 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(400)는 초당 1000회 이상의 프레임을 촬영하는 초고속 카메라 등을 포함할 수 있다.The
이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 성능 평가 방법의 실시예를 설명하도록 한다.Hereinafter, an embodiment of a performance evaluation method for a fuel cell according to the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지용 성능 평가 방법의 작동과정을 개략적으로 나타내는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 방법의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart schematically illustrating an operation process of a performance evaluation method for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a flowchart schematically illustrating a sequence of a performance evaluation method for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. .
도 4, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 성능 평가 방법은 조립단계(S100), 공급단계(S200), 투과단계(S300), 측정단계(S400)를 포함한다.4 and 5 , the performance evaluation method for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an assembly step (S100), a supply step (S200), a permeation step (S300), and a measurement step (S400).
조립단계(S100)는 단위셀부(100)와 시험부(200)를 조립하는 단계이다. The assembling step (S100) is a step of assembling the
본 발명의 일 실시예에 따른 조립단계(S100)의 과정을 구체적으로 살펴보면, 우선 막전극 접합체(110)를 기준으로 양측에 각각 한 쌍의 기체확산부(120)를 배치시킨다. Looking at the process of the assembling step (S100) according to an embodiment of the present invention in detail, first, a pair of
이후 제1시험부재(210)와 제2시험부재(220)를 각각 한 쌍의 기체확산부(120)와 마주보게 배치시킨 뒤, 막전극 접합체(110)에 밀착시킨다. 이 경우, 제1시험부재(210)와 제2시험부재(220)는 막전극 접합체(110)와 나사 결합에 의해 밀착될 수 있으며, 이와 달리 별도의 가압수단에 의해 막전극 접합체(110)와 밀착되는 것도 가능하다. Thereafter, the
이후, 제1시험부재(210)와 제2시험부재(220)는 가스켓부(130)에 의해 막전극 접합체(110)와의 기밀이 유지될 수 있다.Thereafter, airtightness between the
공급단계(S200)는 시험부(200)를 통해 단위셀부(100)의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 단계이다. The supply step (S200) is a step of supplying gas and water to both sides of the
본 발명의 일 실시예에 따른 공급단계(S200)의 과정을 구체적으로 살펴보면, 우선 터빈모듈과 펌프모듈의 작동에 의해 기체 공급관(311)과 물 공급관(312)으로 각각 기체와 물이 공급된다.Looking at the process of the supply step (S200) according to an embodiment of the present invention in detail, first, gas and water are supplied to the
이후, 기체는 기체 유입구(212)를 통해 제1유로(211)로 유입되고, 물은 물 유입구(213)를 통해 제2유로(221)로 유입된다.Thereafter, gas flows into the
투과단계(S300)는 기체확산부(120)를 통해 제2시험부재(220)로부터 제1시험부재(210)로 물을 투과시키는 단계이다. 보다 구체적으로, 투과단계(S300)는 공급단계(S200)를 통해 단위셀부(100)의 양측에 형성된 습도차를 이용하여 제2유로(221)로 공급된 물을 확산 작용에 의해 제1유로(211)로 투과시키는 단계이다. The permeation step (S300) is a step of permeating water from the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과단계의 순서를 개략적으로 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart schematically showing the sequence of the permeation step according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투과단계(S300)는 차단단계(S310), 확산단계(S320)를 포함한다.Referring to FIG. 6 , the permeation step (S300) according to an embodiment of the present invention includes a blocking step (S310) and a spreading step (S320).
차단단계(S310)는 제2시험부재(220)에 구비되는 제2유로(221)의 물 배출 경로를 차단하는 단계이다. The blocking step (S310) is a step of blocking the water discharge path of the
본 발명의 일 실시예에 따른 차단단계(S310)의 과정을 보다 구체적으로 살펴보면, 공급단계(S200)에 의해 제1유로(211)와 제2유로(221)의 내부를 각각 기체와 물로 가득 채워진 상태로 유지시킨다. Looking at the process of the blocking step (S310) according to an embodiment of the present invention in more detail, the inside of the
이후, 물 배출관(322)에 구비되는 밸브를 작동시켜 제2유로(221) 내부의 물이 물 배출구(215)를 통해 배출되는 것을 차단한다. 이에 따라, 제2유로(221) 내부의 물을 모두 기체확산부(120)로 투과시킬 수 있다.Thereafter, the valve provided in the
한편, 제1유로(211)의 경우, 내부의 기체의 흐름에 의해 기체확산부(120)를 투과한 물이 제1유로(211)를 따라 유동될 수 있도록 배출 경로를 개방할 수 있다.Meanwhile, in the case of the
확산단계(S320)는 제1시험부재(210)와 제2시험부재(220)의 습도차에 의한 확산 작용으로 물을 기체확산부(120)로 투과시키는 단계이다. The diffusion step (S320) is a step in which water is transmitted through the
본 발명의 일 실시예에 따른 확산단계(S320)를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1시험부재(210)의 제1유로(211)에는 기체만이 존재하고, 제2시험부재(220)의 제2유로(221)에는 물만이 존재함에 따라 단위셀부(100)의 양측에는 습도차가 발생한다.Looking at the diffusion step (S320) according to an embodiment of the present invention in more detail, only gas exists in the
이러한 습도차에 의해, 제2유로(221) 내부의 물은 제1유로(211)로 향하는 방향으로 확산되며 기체확산부(120)를 투과한다.Due to this humidity difference, water inside the
측정단계(S400)는 시험부(200) 내부의 물의 유동을 통해 기체확산부(120)의 물의 투과 성능을 측정하는 단계이다.The measuring step (S400) is a step of measuring the water permeability of the
본 발명의 일 실시예에 따른 측정단계(S400)의 과정을 보다 구체적으로 살펴보면, 제2유로(221)로부터 기체확산부(120)를 투과한 물은 제1유로(211)의 내부로 유입된다.Looking at the process of the measuring step (S400) according to an embodiment of the present invention in more detail, water passing through the
이후, 제1유로(211)의 내부로 유입된 물은 제1유로(211)를 흐르던 기체의 흐름에 의해 제1유로(211)를 따라 유동되고, 제1유로(211)를 따라 유동되는 물은 기체 배출구(214)를 통해 배출된다. Thereafter, the water introduced into the
위와 같은 과정이 반복적으로 이루어짐에 따라, 제2유로(221) 내부의 물은 연속적으로 기체확산부(120)를 투과하게 되고, 제2유로(221) 내부에도 물의 유동이 발생된다.As the above process is repeatedly performed, the water inside the
이러한 과정에서, 측정부(400)는 제1눈금부(216)와, 제2눈금부(221)를 연속하여 촬영한다.In this process, the
이후 측정부(400)는 제1눈금부(216)와, 제2눈금부(221)의 눈금 개수를 통해 촬영 전후로 이동된 물의 유동 거리를 산출하거나, 촬영 시간과 물의 유동 거리를 통해 물의 유동 속도를 산출함으로써 기체확산부(120)의 물의 투과 정도를 측정한다. 이후 사용자는 측정부(400)에 의해 측정된 결과를 바탕으로 기체확산부(120)의 물의 투과 성능을 판단한다. Thereafter, the
본 발명은 도면에 도시되는 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is merely exemplary, and those skilled in the art to which the technology belongs can make various modifications and equivalent other embodiments. will understand
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below.
100 : 단위셀부 110 : 막전극 접합체
120 : 기체확산부 130 : 가스켓부
200 : 시험부 210 : 제1시험부재
211 : 제1유로 212 : 기체 유입구
213 : 기체 배출구 214 : 물 유입구
215 : 물 배출구 216 : 제1눈금부
220 : 제2시험부재 221 : 제2유로
222 : 제2눈금부 300 : 공급부
310 : 공급배관 311 : 기체 공급관
312 : 물 공급관 320 : 배출배관
321 : 기체 배출관 322 : 물 배출관
400 : 측정부 100: unit cell unit 110: membrane electrode assembly
120: gas diffusion unit 130: gasket unit
200: test unit 210: first test member
211: first flow path 212: gas inlet
213: gas outlet 214: water inlet
215: water outlet 216: first scale
220: second test member 221: second flow path
222: second scale unit 300: supply unit
310: supply pipe 311: gas supply pipe
312: water supply pipe 320: discharge pipe
321: gas discharge pipe 322: water discharge pipe
400: measuring unit
Claims (8)
상기 단위셀부와 연결되고, 상기 기체확산부를 통해 물이 투과되도록 상기 단위셀부의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 시험부; 및
상기 시험부에서의 물의 유동을 측정하는 측정부;를 포함하고,
상기 시험부는 상기 단위셀부의 양측의 습도차로 인한 확산 작용에 의해 물을 투과시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 장치.
a unit cell unit provided with a membrane electrode assembly and gas diffusion units disposed on both sides of the membrane electrode assembly;
a test unit connected to the unit cell unit and supplying gas and water to both sides of the unit cell unit so that water permeates through the gas diffusion unit; and
Including; measuring unit for measuring the flow of water in the test unit,
The test unit permeates water by a diffusion action due to a difference in humidity between both sides of the unit cell unit.
상기 시험부는,
상기 단위셀부의 일측과 마주보게 배치되고, 기체의 유동 경로를 마련하는 제1유로가 구비되는 제1시험부재; 및
상기 단위셀부의 타측과 마주보게 배치되고, 물의 유동 경로를 마련하는 제2유로가 구비되는 제2시험부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 장치.
According to claim 1,
The test section,
a first test member disposed to face one side of the unit cell unit and provided with a first flow path for providing a gas flow path; and
A fuel cell performance evaluation device comprising a; second test member disposed to face the other side of the unit cell unit and provided with a second flow path for providing a water flow path.
상기 기체확산부를 통해 상기 제2시험부재로부터 상기 제1시험부재로 투과된 물은 상기 제1유로 내부의 기체에 의해 상기 제1유로를 따라 유동되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 장치.
According to claim 3,
The performance evaluation device for a fuel cell, characterized in that the water permeated from the second test member to the first test member through the gas diffusion unit flows along the first flow path by the gas inside the first flow path.
상기 제1시험부재에는 상기 제1유로의 유동 방향을 따라 연장되는 제1눈금부가 구비되고,
상기 제2시험부재에는 상기 제2유로의 유동 방향을 따라 연장되는 제2눈금부가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 장치.
According to claim 3,
The first test member is provided with a first scale extending along the flow direction of the first flow path,
The performance evaluation device for a fuel cell, characterized in that the second test member is provided with a second scale part extending along the flow direction of the second flow path.
상기 제1시험부재와 제2시험부재는 투명 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 장치.
According to claim 3,
The first test member and the second test member are performance evaluation apparatus for a fuel cell, characterized in that provided with a transparent material.
상기 시험부를 통해 상기 단위셀부의 양측으로 각각 기체와 물을 공급하는 공급단계;
기체확산부를 통해 제2시험부재로부터 제1시험부재로 물을 투과시키는 투과단계; 및
상기 시험부 내부의 물의 유동을 통해 상기 기체확산부의 물의 투과 정도를 측정하는 측정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 방법.
Assembling step of assembling the unit cell unit and the test unit;
A supply step of supplying gas and water to both sides of the unit cell unit through the test unit;
Permeation step of permeating water from the second test member to the first test member through the gas diffusion unit; and
and a measuring step of measuring the water permeability of the gas diffusion part through the flow of water inside the test part.
상기 투과단계는,
상기 제2시험부재의 물의 배출 경로를 차단하는 차단단계; 및
상기 제1시험부재와 상기 제2시험부재의 습도차에 의해 물을 기체확산부로 투과시키는 확산단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 성능 평가 방법.According to claim 7,
In the permeation step,
A blocking step of blocking the water discharge path of the second test member; and
and a diffusion step of permeating water through a gas diffusion unit based on a difference in humidity between the first test member and the second test member.
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