KR102673722B1 - Fuel cell cooling performance measurement test apparatus and method - Google Patents
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Abstract
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치는, 좌측단에 배치되는 제1 엔드플레이트, 엔드플레이트의 우측면에 적층되는 제1 발열판, 발열판의 우측면에 적층되는 제1 분리판, 제1 분리막의 우측면에 적층되는 제2 발열판, 제2 발열판의 우측면에 적층되는 제2 분리판, 제2 분리막의 우측면에 적층되는 제3 발열판, 제3 발열판의 우측면에 적층되는 제2 엔드플레이트로 이루어지는 연료전지 스택, 제1,2,3 발열판 각각에 전원을 공급하는 전원공급장치, 연료전지 스택 주변에 설치되고 일정 크기의 날개를 회전시켜 공기를 순환시키는 냉각팬, 연료전지 스택에 설치되는 온도센서 및 전원공급장치와 냉각팬과 온도센서 각각의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 연료전지 시스템의 구성요소 일부를 대체하여 연료전지 시스템과 유사한 발열량을 갖는 간이 연료전지 시스템을 구축하여 공랭식 냉각 성능 시험을 수행 가능하게 함으로써, 인프라 구축 비용 절감 및 안정성 확보 효과를 얻을 수 있는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 방법을 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.A fuel cell cooling performance measurement test device according to a preferred embodiment of the present invention includes a first end plate disposed on the left end, a first heating plate laminated on the right side of the end plate, a first separator plate laminated on the right side of the heating plate, A second heating plate laminated on the right side of the first separator, a second separator plate laminated on the right side of the second separator, a third heating plate laminated on the right side of the second separator, and a second end plate laminated on the right side of the third heating plate. A fuel cell stack, a power supply device that supplies power to each of the first, second, and third heating plates, a cooling fan installed around the fuel cell stack and circulating air by rotating wings of a certain size, and a temperature installed in the fuel cell stack. It is characterized by including a control unit that controls the operation of each sensor, power supply, cooling fan, and temperature sensor. According to the present invention having the above configuration, by replacing some of the components of the fuel cell system and constructing a simple fuel cell system with a heating value similar to that of the fuel cell system, it is possible to perform an air cooling performance test, thereby reducing infrastructure construction costs. This has the effect of providing a fuel cell cooling performance measurement test device and method that can achieve the effect of ensuring stability.
Description
본 발명은 연료전지 냉각을 시험하기 위한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 주 발열 구성을 비슷한 발열판으로 대체하고 냉각 성능을 시험함으로써, 연료전지 냉각성능 측정 시험 관련 비용을 절감할 수 있게 하는 구조를 포함하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 이를 활용한 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for testing fuel cell cooling. More specifically, the present invention relates to a device for testing fuel cell cooling performance, and more specifically, by replacing the main heating element of the fuel cell with a similar heating plate and testing the cooling performance, thereby reducing the costs associated with the fuel cell cooling performance measurement test. This relates to a fuel cell cooling performance measurement test device including a structure that measures fuel cell cooling performance and a fuel cell cooling performance measurement test method using the same.
일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 통상 전해질을 사이에 두고 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.In general, a fuel cell is a device that directly converts the energy contained in fuel into electrical energy. It usually arranges a pair of electrodes consisting of an anode and a cathode with an electrolyte in between, and ionizes the fuel. It is a system that obtains both electricity and heat through the electrochemical reaction of gas.
특히, 고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력 밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.In particular, polymer electrolyte fuel cells have the advantages of high current density, low operating temperature, and low corrosion and electrolyte loss, so they began to be developed as a power source for military or spacecraft. However, they are now modularized due to their high power density and simple devices. Taking advantage of this possibility, research to apply it as a power source for automobiles is being actively conducted recently.
차세대의 에너지 변환장치로서 주목을 받고 있는 연료전지 중에서 이온 전도성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 분리막 연료전지(Polymer Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 온도에서 출력밀도가 크고, 출력을 기민하게 변경할 수 있으므로, 신속한 시동이 요구되는 자동차의 동력 공급원으로 사용하기에 적합하다.Among fuel cells that are attracting attention as next-generation energy conversion devices, polymer membrane fuel cells, which use an ion-conductive polymer membrane as an electrolyte, have high power density at relatively low temperatures and can change output quickly. , It is suitable for use as a power source for automobiles that require rapid starting.
또한, 고분자 분리막 연료전지에 사용되는 전해질도 고체 타입이어서 취급이 용이하고 안전도가 높다는 장점이 있다.In addition, the electrolyte used in the polymer membrane fuel cell is also a solid type, which has the advantage of being easy to handle and having high safety.
연료전지의 효율이 대략 50% 정도로 출력만큼의 에너지가 열로 방출되어 연료전지의 사용 중에 고열이 발생되는데, 연료전지의 수명과 성능을 유지하고 가장 안정된 출력상태를 얻기 위해서는, 고분자 전해질 연료전지의 경우 그 온도를 대략 25℃(상온)에서 80℃ 이내의 온도범위에서 유지해야 한다.The efficiency of the fuel cell is approximately 50%, so energy equal to the output is released as heat, and high heat is generated during use of the fuel cell. In order to maintain the life and performance of the fuel cell and obtain the most stable output state, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, The temperature should be maintained within the temperature range of approximately 25℃ (room temperature) to 80℃.
상술한 바와 같이 연료전지가 일정한 온도범위 내로 유지되어야 하기 때문에 발열량 및 온도를 측정하여 냉각 장치의 성능을 평가해야 할 필요가 생기게 된다.As described above, because the fuel cell must be maintained within a certain temperature range, it becomes necessary to evaluate the performance of the cooling device by measuring heat generation and temperature.
이때, 냉각 장치의 성능 평가를 목적으로 연료전지를 실제 설계의 구성 그대로 구현하여 성능 평가 시험을 진행하는 것은 구현에 소요되는 시간 및 비용적 측면에서 불필요하거나 과도한 지출이 야기될 수 있다는 문제가 있다.At this time, for the purpose of evaluating the performance of the cooling device, implementing the fuel cell as it is in the actual design and conducting a performance evaluation test has the problem that it may result in unnecessary or excessive expenditure in terms of time and cost required for implementation.
본 발명은 상기한 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 한 가지 목적은, 연료전지 시스템의 구성요소 일부를 대체하여 연료전지 시스템과 유사한 발열량을 갖는 간이 연료전지 시스템을 구축하여 공랭식 냉각 성능 시험을 수행 가능하게 함으로써, 인프라 구축 비용을 절감 및 안정성 확보 효과를 얻을 수 있는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 이를 활용한 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법을 제공하는 것이다. The present invention was invented to improve the above-described problems, and one purpose of the present invention is to replace some of the components of the fuel cell system to construct a simple fuel cell system with a heating value similar to that of the fuel cell system, thereby improving the air-cooled cooling performance. By making it possible to perform tests, we provide a fuel cell cooling performance measurement test device and a fuel cell cooling performance measurement test method using the same that can reduce infrastructure construction costs and ensure stability.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 과제를 달성하기 위하여 안출된, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치는, 좌측단에 배치되는 제1 엔드플레이트, 엔드플레이트의 우측면에 적층되는 제1 발열판, 발열판의 우측면에 적층되는 제1 분리판, 제1 분리막의 우측면에 적층되는 제2 발열판, 제2 발열판의 우측면에 적층되는 제2 분리판, 제2 분리막의 우측면에 적층되는 제3 발열판, 제3 발열판의 우측면에 적층되는 제2 엔드플레이트로 이루어지는 연료전지 스택, 제1,2,3 발열판 각각에 전원을 공급하는 전원공급장치, 연료전지 스택 주변에 설치되고 일정 크기의 날개를 회전시켜 공기를 순환시키는 냉각팬, 연료전지 스택에 설치되는 온도센서 및 전원공급장치와 냉각팬과 온도센서 각각의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. A fuel cell cooling performance measurement test device according to a preferred embodiment of the present invention, devised to achieve the above problem, includes a first end plate disposed on the left end, a first heating plate stacked on the right side of the end plate, and a heating plate of the heating plate. A first separator plate stacked on the right side, a second heating plate stacked on the right side of the first separator, a second separator plate stacked on the right side of the second separator, a third heating plate stacked on the right side of the second separator, the third heating plate A fuel cell stack consisting of a second end plate stacked on the right side, a power supply device that supplies power to each of the first, second, and third heating plates, and cooling that is installed around the fuel cell stack and circulates air by rotating wings of a certain size. It is characterized by including a fan, a temperature sensor installed in the fuel cell stack, a power supply device, and a control unit that controls the operation of each of the cooling fan and temperature sensor.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법은, 본 발명에 의한 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치를 이용하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법으로서, 제1,2,3 발열판 부분이 각각 막전극접합체로 구성되는 실제 연료전지 시스템의 다공성을 실험적 또는 전산유동해석을 통해 구하는 다공성산정단계, 실제 연료전지 시스템의 발열량을 실험적 또는 설계값을 이용하여 추정하는 발열량추정단계, 연료전지 시스템의 부품을 3D 프린팅을 통하여 제작하는 부품제작단계, 막전극접합체를 대체하여 제1,2,3 발열판을 각각 삽입하여 조립함으로써 간이 연료전지 시스템을 구현하는 발열판조립단계, 간이 연료전지 시스템 전단에 냉각팬을 장착하는 냉각팬장착단계, 실제 연료전지 시스템의 발열량에 해당하는 발열이 이루어지도록 제1,2,3 발열판에 각각 전원을 인가하는 전원인가단계, 연료전지 스택의 온도를 일정 시간 간격으로 측정하는 온도모니터링단계, 측정된 온도가 미리 설정된 냉각 시작 온도에 이르면 냉각팬을 작동시키는 냉각팬작동단계 및 일정 시간 간격으로 측정된 복수의 온도값을 비교하여 냉각성능을 산출하는 냉각성능산출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the fuel cell cooling performance measurement test method according to a preferred embodiment of the present invention is a fuel cell cooling performance measurement test method using the fuel cell cooling performance measurement test device according to the present invention, and includes the first, second, and third heating plate parts. A porosity calculation step in which the porosity of the actual fuel cell system composed of the membrane electrode assembly is obtained experimentally or through computational flow analysis, a heat generation estimation step in which the heat generation amount of the actual fuel cell system is estimated experimentally or using design values, and a fuel cell system A parts manufacturing step in which parts are manufactured through 3D printing, a heating plate assembly step in which a simple fuel cell system is implemented by inserting and assembling the first, second, and third heating plates in place of the membrane electrode assembly, and cooling at the front end of the simple fuel cell system. The cooling fan installation step of installing the fan, the power application step of applying power to the first, second, and third heating plates to generate heat corresponding to the heat generation amount of the actual fuel cell system, and measuring the temperature of the fuel cell stack at regular time intervals. It includes a temperature monitoring step, a cooling fan operation step that operates the cooling fan when the measured temperature reaches the preset cooling start temperature, and a cooling performance calculation step that calculates cooling performance by comparing a plurality of temperature values measured at regular time intervals. It is characterized by:
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 시스템의 구성요소 일부를 대체하여 연료전지 시스템과 유사한 발열량을 갖는 간이 연료전지 시스템을 구축하여 공랭식 냉각 성능 시험을 수행 가능하게 함으로써, 인프라 구축 비용을 절감 및 안정성 확보 효과를 얻을 수 있는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 이를 활용한 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법을 제공할 수 있게 되는 효과가 있다. According to an embodiment of the present invention, by replacing some of the components of the fuel cell system to build a simple fuel cell system with a similar heating value as the fuel cell system, it is possible to perform air-cooled cooling performance tests, thereby reducing infrastructure construction costs and This has the effect of providing a fuel cell cooling performance measurement test device that can ensure stability and a fuel cell cooling performance measurement test method using the same.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 연료전지의 주요 부품 적층을 이해하기 쉽게 분해도로 표시한 개념적 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법의 순서도이다.Figure 1 is a conceptual diagram showing the stacking of major components of a fuel cell in an exploded view for easy understanding.
Figure 2 is a diagram conceptually showing the configuration of a fuel cell cooling performance measurement test device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart of a test method for measuring cooling performance of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.In describing the embodiments, description of technical content that is well known in the technical field to which the present invention belongs and that is not directly related to the present invention will be omitted. This is to convey the gist of the present invention more clearly without obscuring it by omitting unnecessary explanation.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically shown in the accompanying drawings. Additionally, the size of each component does not entirely reflect its actual size. In each drawing, identical or corresponding components are assigned the same reference numbers.
도 1은 연료전지의 주요 부품 적층을 이해하기 쉽게 분해도로 표시한 개념적 도면이다. Figure 1 is a conceptual diagram showing the stacking of major components of a fuel cell in an exploded view for easy understanding.
도 1을 참조하면, 연료전지는 크게 막전극접합체(MEA)(10), 전해질막(6), 촉매층(5), 가스확산층(4), 가스켓(3), 분리판(2), 집전판(1)으로 구성된다.Referring to Figure 1, the fuel cell largely consists of a membrane electrode assembly (MEA) (10), an electrolyte membrane (6), a catalyst layer (5), a gas diffusion layer (4), a gasket (3), a separator plate (2), and a current collector plate. It consists of (1).
연료전지는 안쪽부터 전해질막(6)-촉매층(5)-가스확산층(4)-(가스켓(3))-분리판(2) 순으로 구성되어 있으며 이렇게 만든 한 단위를 연료전지 단위 셀이라고 한다. 단위 셀은 약 0.7V의 전압을 생성하며 출력을 높이기 위해 직렬로 쌓아(스택) 사용하며, 이를 ‘연료전지스택’이라고 부른다.The fuel cell is composed from the inside in the following order: electrolyte membrane (6) - catalyst layer (5) - gas diffusion layer (4) - (gasket (3)) - separator plate (2). A unit made in this way is called a fuel cell unit cell. . Unit cells generate a voltage of approximately 0.7V and are stacked in series to increase output. This is called a ‘fuel cell stack’.
도 1의 연료전지 예는 현재 가장 널리 쓰이는 연료전지 유형인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer/Proton Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 예로 든 것이다. 이외 연료전지 유형으로서, 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산 연료전지(PAFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등이 있으며, 각각에 대한 설명은 생략한다.The fuel cell example in Figure 1 is an example of a polymer/proton electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is currently the most widely used type of fuel cell. Other fuel cell types include solid oxide fuel cells (SOFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), and direct methanol fuel cells (DMFC). The explanation is omitted.
막전극접합체(10)(MEA: Membrane-Electrode Assembly)는 음극과 양극을 전해질막(6)에 부착한 것으로 산소와 수소의 전기화학 반응이 일어나는 연료전지의 핵심 부품으로서, 전해질막(6), 촉매층(5), 가스확산층(4)으로 이루어진다. 막전극접합체(10)의 접착 과정에서 가스확산층(4)의 구조를 유지하고 전극과 전해질의 접촉을 좋게 하는 것이 중요하다.The membrane-electrode assembly (MEA) (MEA) is a core component of a fuel cell in which an electrochemical reaction of oxygen and hydrogen occurs by attaching a cathode and an anode to an electrolyte membrane (6). It consists of a catalyst layer (5) and a gas diffusion layer (4). During the adhesion process of the membrane electrode assembly 10, it is important to maintain the structure of the gas diffusion layer 4 and improve the contact between the electrode and the electrolyte.
전해질막(6)(Electrolytic membrane)은 이온을 전달하고 반응기체(산소, 수소)를 분리하여 접촉을 막는 역할을 하는 부분으로서, 높은 이온 전도성이 필요하고 이온 외의 전자 등의 통과는 막아야 하며 화학적으로 안정성이 우수한 소재가 필요하다.The electrolytic membrane (6) is a part that transfers ions and separates reaction gases (oxygen, hydrogen) to prevent contact. It requires high ionic conductivity, must prevent the passage of electrons other than ions, and must be chemically A material with excellent stability is required.
촉매층(5)(Catalyst layer)은 수소의 산화반응, 산소의 환원반응을 촉진하는 역할을 하는 부분이다. 음극과 양극에서 수소와 산소의 반응속도가 다른 문제를 해결하기 위한 방안으로 촉매량을 조절하며, 일산화탄소 등에 의해 손상이 가지 않는 소재를 개발할 필요가 있다. 또한, 가격이 비싼 백금 촉매를 사용할 경우 백금 사용량은 줄이면서 효과는 늘리기 위해 나노사이즈의 백금 입자를 뿌리는 기술로 비용을 절감할 수 있다.The catalyst layer 5 is a part that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. As a way to solve the problem of the different reaction rates between hydrogen and oxygen at the cathode and anode, it is necessary to control the amount of catalyst and develop materials that are not damaged by carbon monoxide, etc. Additionally, when using an expensive platinum catalyst, costs can be reduced by using nano-sized platinum particles to increase effectiveness while reducing the amount of platinum used.
가스확산층(4)(Gas diffusion layer)은 반응기체를 촉매층에 전달하고 물을 제거하는 역할을 하는 부분이다. 높은 기체 확산성, 배수성, 강성을 요구하며 두께를 얇게 하는 등의 노력을 통하여 가격을 낮추기 위한 노력이 진행되고 있다.The gas diffusion layer (4) is a part that delivers the reaction gas to the catalyst layer and removes water. Efforts are being made to lower the price by requiring high gas diffusion, drainage, and rigidity, and making efforts to thin the thickness.
가스켓(3)(Gasket)은 막전극접합체(MEA) 주변을 감싸 가스가 새지 않도록 막는 역할을 하며 주로 고무 폴리머로 만들어 진다. 내열성과 탄성이 좋고 압축변형에 저항성이 높은 소재가 필요하다.The gasket (3) surrounds the membrane electrode assembly (MEA) to prevent gas from leaking, and is mainly made of rubber polymer. A material with good heat resistance and elasticity and high resistance to compression deformation is required.
분리판(2)(Separator/Bipolar plate)은 연료전지스택에서 단위 셀을 분리하는 역할을 하며, 전기전도체 역할을 하기도 하고 생성된 물을 외부로 배출하는 역할도 한다. 연료전지 무게의 약 60%를 차지한다. 요구되는 특성은 높은 전기전도도, 열전도율, 기계적 강도를 가져야 하고 부식에 강하고 가벼운 소재가 필요하다.The separator/bipolar plate (2) serves to separate unit cells in the fuel cell stack, serves as an electrical conductor, and discharges generated water to the outside. It accounts for approximately 60% of the weight of the fuel cell. The required properties must have high electrical conductivity, thermal conductivity, and mechanical strength, and a material that is resistant to corrosion and is lightweight is required.
집전판(1)(Current Collector Plate)은 연료전지에서 만들어낸 전류를 흘려주는 역할을 하며, 형상에 따라 저항값이 달라지기 때문에 디자인 최적화가 필요한 부분이다.The current collector plate (1) plays the role of flowing the current generated by the fuel cell, and its resistance value varies depending on its shape, so design optimization is required.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다. Figure 2 is a diagram conceptually showing the configuration of a fuel cell cooling performance measurement test device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치는, 연료전지의 단위 셀 구성 중 막전극접합체를 대체하여 삽입되는 발열판(20), 발열판(20)으로 전원을 공급하는 전원공급장치(40), 발열판(20) 주변에 설치되고 일정 크기의 날개를 회전시켜 공기를 순환시키는 냉각팬(50), 발열판(20) 또는 단위 셀에 인접하도록 설치되는 온도센서 및 전원공급장치(40)와 냉각팬(50)과 온도센서의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. Referring to FIG. 2, the fuel cell cooling performance measurement test device according to a preferred embodiment of the present invention includes a
여기에서, 발열판(20)을 분리판(30) 외측에 삽입하는 구성도 가능하다. Here, a configuration in which the
또한, 발열판(20)의 제작 시 발열판(20)의 다공성(porosity)을 조정함으로써, 냉각팬(50)에 의한 공기유량을 조정하여 발열판(20)을 이용하지 않고 구현되는 실제 연료전지 시스템에서의 공기유량과 비슷한 공기유량이 되도록 조절할 수 있다.In addition, by adjusting the porosity of the
이때, 발열판(20)의 제조에는 3D 프린팅 방법을 이용할 수 있다. 발열판(20)의 제조가 대량으로 이루어지는 것이 아니고 경우에 따라 시험에 필요한 정도의 소량만 제조되고, 다공성을 조정해야 할 필요도 생기기 때문에 결과물의 특성을 쉽게 조절할 수 있는 3D 프린팅 방법으로 발열판(20)을 제조하는 편이 보다 유리하게 된다.At this time, a 3D printing method can be used to manufacture the
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법의 순서도이다.Figure 3 is a flowchart of a test method for measuring cooling performance of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법은, 본 발명에 의한 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치를 이용하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법으로서, 제1,2,3 발열판 부분이 각각 막전극접합체로 구성되는 실제 연료전지 시스템의 다공성을 실험적 또는 전산유동해석을 통해 구하는 다공성산정단계(S10), 실제 연료전지 시스템의 발열량을 실험적 또는 설계값을 이용하여 추정하는 발열량추정단계(S20), 연료전지 시스템의 부품을 3D 프린팅을 통하여 제작하는 부품제작단계(S30), 막전극접합체를 대체하여 제1,2,3 발열판을 삽입하여 조립함으로써 간이 연료전지 시스템을 구현하는 발열판조립단계(S40), 간이 연료전지 시스템 전단에 냉각팬을 장착하는 냉각팬장착단계(S50), 실제 연료전지 시스템의 발열량에 해당하는 발열이 이루어지도록 제1,2,3 발열판에 각각 전원을 인가하는 전원인가단계(S60), 연료전지 스택의 온도를 일정 시간 간격으로 측정하는 온도모니터링단계(S70), 측정된 온도가 미리 설정된 냉각 시작 온도에 이르면 냉각팬을 작동시키는 냉각팬작동단계(S80) 및 일정 시간 간격으로 측정된 여러 온도값을 비교하여 냉각성능을 산출하는 냉각성능산출단계(S90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 3, the fuel cell cooling performance measurement test method according to a preferred embodiment of the present invention is a fuel cell cooling performance measurement test method using the fuel cell cooling performance measurement test device according to the present invention, including the first, 2,3 Porosity calculation step (S10) in which the porosity of the actual fuel cell system, in which each heating plate part is composed of a membrane electrode assembly, is obtained experimentally or through computational flow analysis, and the heat generation amount of the actual fuel cell system is estimated using experimental or design values. A simple fuel cell system is created by inserting and assembling the first, second, and third heating plates in place of the membrane electrode assembly, the calorific value estimation step (S20), the parts manufacturing step (S30) in which parts of the fuel cell system are manufactured through 3D printing. Implementing a heating plate assembly step (S40), a cooling fan installation step (S50) of installing a cooling fan at the front of the simple fuel cell system, and heating plates 1, 2, and 3 respectively to generate heat corresponding to the heat generation amount of the actual fuel cell system. A power application step (S60) for applying power, a temperature monitoring step (S70) for measuring the temperature of the fuel cell stack at regular time intervals, and a cooling fan operation step for operating the cooling fan when the measured temperature reaches the preset cooling start temperature. (S80) and a cooling performance calculation step (S90) in which cooling performance is calculated by comparing several temperature values measured at regular time intervals.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법은, 발열판을 연료전지의 단위 셀 구성 중 한 쌍의 분리판의 외측에 각각 삽입하여 수행될 수도 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the test method for measuring cooling performance of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention may be performed by inserting a heating plate into each of the outer sides of a pair of separator plates in the unit cell configuration of the fuel cell.
또한, 냉각성능산출단계(S90) 이후, 필요하다면 발열판 또는 냉각팬에 인가되는 전원의 전압/전류를 조정한 후 전압/전류가 조정된 전원을 인가하는 전원제어단계를 추가하여 실시할 수도 있다.In addition, after the cooling performance calculation step (S90), if necessary, a power control step may be added to adjust the voltage/current of the power applied to the heating plate or cooling fan and then apply the power with the adjusted voltage/current.
도면 1 내지 3을 참조하여 설명한, 이상과 같은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 방법에 의하면, 실제 연료전지 시스템을 이용하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치/방법에 비하여 적은 비용과 시간으로 간이 연료전지 시스템을 구축하여 공랭식 냉각 성능 시험을 수행할 수 있게 된다. According to the fuel cell cooling performance measurement test device and method according to a preferred embodiment of the present invention described with reference to Figures 1 to 3, the fuel cell cooling performance measurement test device/method using an actual fuel cell system Compared to this, it is possible to conduct air-cooled cooling performance tests by building a simple fuel cell system at less cost and time.
또한, 본 발명에 의한 간이 연료전지 시스템에는 실제 수소 공급이 이루어지지 않기 때문에 냉각성능 시험용 인프라 구축에 소요되는 비용이 절감되는 동시에 안정성도 확보할 수 있게 된다.In addition, since the simple fuel cell system according to the present invention does not actually supply hydrogen, the cost of building infrastructure for testing cooling performance is reduced and stability can be ensured.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, in this specification and drawings, preferred embodiments of the present invention are disclosed, and although specific terms are used, they are used only in a general sense to easily explain the technical content of the present invention and aid understanding of the present invention. It is not intended to limit the scope of the invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.
1 : 집전판
2 : 분리판
3 : 가스켓
4 : 가스확산층
5 : 촉매층
6 : 전해질막
10 : 막전극접합체
20 : 발열판
30 : 분리판
40 : 전원공급장치
50 : 냉각팬 1: Current collector
2: Separator plate
3: Gasket
4: Gas diffusion layer
5: catalyst layer
6: Electrolyte membrane
10: Membrane electrode assembly
20: heating plate
30: Separator plate
40: power supply device
50: cooling fan
Claims (2)
상기 엔드플레이트의 우측면에 적층되는 제1 발열판;
상기 발열판의 우측면에 적층되는 제1 분리판;
상기 제1 분리판의 우측면에 적층되는 제2 발열판;
상기 제2 발열판의 우측면에 적층되는 제2 분리판;
상기 제2 분리판의 우측면에 적층되는 제3 발열판;
상기 제3 발열판의 우측면에 적층되는 제2 엔드플레이트;로 이루어지는 연료전지 스택;
상기 제1,2,3 발열판 각각에 전원을 공급하는 전원공급장치;
상기 연료전지 스택 주변에 설치되고 일정 크기의 날개를 회전시켜 공기를 순환시키는 냉각팬;
상기 연료전지 스택에 설치되는 온도센서; 및
상기 전원공급장치와 상기 냉각팬과 상기 온도센서 각각의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치.
A first end plate disposed at the left end;
A first heating plate laminated on the right side of the end plate;
A first separator plate stacked on the right side of the heating plate;
a second heating plate stacked on the right side of the first separator plate;
a second separator plate stacked on the right side of the second heating plate;
a third heating plate laminated on the right side of the second separator plate;
a fuel cell stack consisting of a second end plate stacked on the right side of the third heating plate;
A power supply device that supplies power to each of the first, second, and third heating plates;
A cooling fan installed around the fuel cell stack and circulating air by rotating blades of a certain size;
A temperature sensor installed in the fuel cell stack; and
A fuel cell cooling performance measurement test device comprising a control unit that controls the operation of each of the power supply, the cooling fan, and the temperature sensor.
상기 제1,2,3 발열판 부분이 각각 막전극접합체로 구성되는 실제 연료전지 시스템의 다공성을 실험적 또는 전산유동해석을 통해 구하는 다공성산정단계;
상기 실제 연료전지 시스템의 발열량을 실험적 또는 설계값을 이용하여 추정하는 발열량추정단계;
연료전지 시스템의 부품을 3D 프린팅을 통하여 제작하는 부품제작단계;
상기 막전극접합체를 대체하여 상기 제1,2,3 발열판을 각각 삽입하여 조립함으로써 간이 연료전지 시스템을 구현하는 발열판조립단계;
상기 간이 연료전지 시스템 전단에 냉각팬을 장착하는 냉각팬장착단계;
상기 실제 연료전지 시스템의 발열량에 해당하는 발열이 이루어지도록 상기 제1,2,3 발열판에 각각 전원을 인가하는 전원인가단계;
상기 연료전지 스택의 온도를 일정 시간 간격으로 측정하는 온도모니터링단계;
측정된 온도가 미리 설정된 냉각 시작 온도에 이르면 상기 냉각팬을 작동시키는 냉각팬작동단계; 및
일정 시간 간격으로 측정된 복수의 온도값을 비교하여 냉각성능을 산출하는 냉각성능산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각성능 측정 시험 방법.
In the fuel cell cooling performance measurement test method using the fuel cell cooling performance measurement test device according to claim 1,
A porosity calculation step of determining the porosity of an actual fuel cell system in which the first, second, and third heating plate parts are each composed of a membrane electrode assembly through experimental or computational flow analysis;
A calorific value estimation step of estimating the calorific value of the actual fuel cell system using experimental or design values;
A parts manufacturing step in which parts of the fuel cell system are manufactured through 3D printing;
A heating plate assembly step of implementing a simple fuel cell system by inserting and assembling the first, second, and third heating plates, respectively, in place of the membrane electrode assembly;
A cooling fan installation step of installing a cooling fan at the front of the simple fuel cell system;
A power application step of applying power to the first, second, and third heating plates, respectively, to generate heat corresponding to the heat generation amount of the actual fuel cell system;
A temperature monitoring step of measuring the temperature of the fuel cell stack at regular time intervals;
A cooling fan operation step of operating the cooling fan when the measured temperature reaches a preset cooling start temperature; and
A cooling performance calculation step of calculating cooling performance by comparing a plurality of temperature values measured at regular time intervals. A test method for measuring fuel cell cooling performance, comprising:
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| KR1020220044671A KR102673722B1 (en) | 2022-04-11 | Fuel cell cooling performance measurement test apparatus and method |
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| KR100645594B1 (en) | 2006-07-12 | 2006-11-15 | 한국에너지기술연구원 | A cell or stack for testing performance of fuel cells and a method of testing the same |
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