KR20100130785A - Method for evaluating the performance of fuel cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A performance evaluating method of a fuel cell is provided to obtain a return value reliable for a determinant of the performance of the fuel cell, and to improve the performance of the fuel cell. CONSTITUTION: A performance evaluating method of a fuel cell comprises the following steps: activating the fuel cell; determining the gathering time for results capable of obtaining the power density for the activated fuel cell, stabilized at a constant voltage; and evaluating the performance of the fuel cell by the temperature. The activation process of the fuel cell includes a step of operating the fuel cell while repeating the increase and the decrease of the temperature.

Description

연료전지의 성능 평가 방법{Method for evaluating the performance of fuel cell}Method for evaluating the performance of fuel cell

연료전지의 성능 평가 방법이 개시되고, 더욱 구체적으로는 연료전지의 성능평가에 대한 일정한 기준을 제시함으로써, 신뢰할 수 있는 결과값을 실험계획법을 이용하여 단기간 내에 최적화된 연료전지를 이끌어 낼 수 있는 연료전지의 성능 평가 방법이 개시된다.Disclosed is a method for evaluating the performance of a fuel cell, and more specifically, by providing a certain criterion for the performance evaluation of a fuel cell, a fuel that can derive an optimized fuel cell in a short time by using an experimental design method with reliable results. Disclosed is a method for evaluating performance of a battery.

최근 과학기술의 발달과 더불어 고용량의 전원에 대한 필요성은 더욱 증대되고 있지만, 기존의 이차전지는 이러한 필요성을 충족시키지 못하고 있으며, 단시간 사용 후 다시 충전해야 하는 번거로움과 수명이 짧다는 단점을 갖고 있다. 이에 대한 해결책으로서, 환경 친화적이며 에너지 밀도가 높고 장수명을 갖는 연료전지가 차세대 전원으로 주목을 받고 있다.Recently, with the development of science and technology, the need for a high capacity power supply is increasing. However, the existing secondary battery does not satisfy this need, and has the disadvantage of having a short time and a long life of recharging. . As a solution to this, environmentally friendly, high energy density and long life fuel cells are attracting attention as the next generation power source.

이러한 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지 (MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있 으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 연료직접 공급형의 대표적인 예는 직접 메탄올연료전지 (DMFC : direct methanol fuel cell)이며, 직접 메탄올 연료전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소 이온전도성 고분자 전해질막을 사용한다. 따라서 DMFC도 PEMFC에 속한다. PEMFC는 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있으며, 더욱이 PEMFC를 사용하면, 발전 시스템의 구성이 간단해진다.Such fuel cells are polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC) depending on the type of electrolyte used. cell), solid oxide fuel cell (SOFC), etc., depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the material of the components are different. A typical example of a direct fuel supply type is a direct methanol fuel cell (DMFC), and a direct methanol fuel cell generally uses an aqueous methanol solution as a fuel and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte. DMFC also belongs to PEMFC. PEMFCs can achieve high power density, even at small and light weights. Moreover, the use of PEMFCs simplifies the construction of power generation systems.

연료전지의 기본 구조는 통상적으로, 애노드 (연료 전극), 캐소드 (산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함한다. 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다. 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성되고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로 (부하)로 전달된다. 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다. 이와 같은 연료전지의 성능을 개선시키기 위해서는 성능결정 인자들을 좀 더 세분화해야 할 필요성이 있다. 좀 더 세분화해서 막전극접합체의 경우 사용되는 소재의 종류(촉매, 막, 바인더, 가스확산층 등) 및 각 소재의 물성(밀도, 활성금속의 활성면적, 막두께, 가스투과도 등)에 따라 성능과 직접적인 연관성을 갖게 되며, 막전극접합체 제조 방법에 따라서도 그 성능은 다양한 값을 가지게 된다. 또한, 연료전지성능은 소재의 종류, 물성, 접합방법뿐만 아니라 구성된 연료전지의 운전조건(연료, 온도, 습도 등)에 따라서도 큰 변화를 갖게 된다. 이는 연료전지내의 반응이 복합적인 요인에 기인하기 때문에 고려해야 될 인자가 너무 많다는 것을 나타내는 반증이기도 하다. 하지만 현재까지도 각 소재 및 접합방법, 운전조건 변화 등에 대한 개별적인 연구 활동에만 그치고 있는 수준이며, 오랜 기간동안 전 세계에서 연구된 수많은 누적 결과들에 대한 해석은 일정한 기준점을 갖고 있지 않은 관계로 서로간의 결과를 상호 신뢰하는 데에 어려움이 있으며, 이에 따라 동일한 실험방향에 대해 중복적인 실험들이 시행되고 있는 실정이다. 이는 복합적인 성능결정인자를 가진 상황에서, 각 분야의 연구들이 자신들의 연구결과를 복합적인 통합 환경 상태에서의 신뢰할 수 있는 평가결과를 얻지 못하고 있다는 것이라 할 수 있다. The basic structure of a fuel cell typically includes an anode (fuel electrode), a cathode (oxidant electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode is provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode is provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant. In the anode, the fuel is oxidized to produce hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions are transferred to the cathode through the electrolyte membrane, and the electrons are transferred to the external circuit (load) through the conductor (or current collector). In the cathode, water is generated by combining hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons transferred from an external circuit through a conductor (or current collector), and oxygen. At this time, the movement of electrons via the anode, the external circuit and the cathode is power. In order to improve the performance of such a fuel cell, it is necessary to further refine performance determining factors. The membrane electrode assembly can be further subdivided according to the type of material (catalyst, membrane, binder, gas diffusion layer, etc.) and the physical properties (density, active area of active metal, film thickness, gas permeability, etc.) of each material. There is a direct correlation, and depending on the method of manufacturing the membrane electrode assembly, the performance has various values. In addition, the performance of the fuel cell may vary greatly depending on the type of material, the physical properties, the bonding method, and the operating conditions (fuel, temperature, humidity, etc.) of the configured fuel cell. This is an indication that there are too many factors to consider because the reaction in a fuel cell is due to a combination of factors. However, to this day, only individual research activities on each material, joining method, and operating conditions are changed, and the interpretation of numerous cumulative results studied over the world for a long time does not have a certain reference point, so the results of each other There is a difficulty in mutual trust, and thus, duplicate experiments are being conducted for the same experimental direction. This suggests that in the context of complex performance determinants, studies in each field do not obtain reliable evaluations of their findings in a complex integrated environment.

본 발명의 일 측면은 연료전지의 성능의 결정인자에 대한 신뢰할 수 있는 결과값을 얻을 수 있고, 이러한 결과값을 바탕으로 최적 조건의 연료전지의 설계 및 연료전지의 성능 향상을 짧은 시간 내에 제공할 수 있게 하는 연료전지의 성능 평가 방법을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to obtain a reliable result for the determinants of the performance of the fuel cell, and based on these results can provide the design of the fuel cell of the optimum conditions and the performance improvement of the fuel cell in a short time. It is to provide a method for evaluating the performance of a fuel cell.

본 발명의 일 측면에 따라,According to one aspect of the invention,

연료전지를 활성화하는 단계;Activating the fuel cell;

상기 활성화된 연료전지가 일정 전압에서 안정화된 전력밀도를 얻을 수 있는 결과 취합 시간을 결정하는 단계; 및Determining a result collection time for the activated fuel cell to obtain a stabilized power density at a predetermined voltage; And

상기 결정된 결과취합시간에 따라 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계를 포함하는 연료전지의 성능 평가 방법이 제공된다.According to the determined result collection time is provided a method for evaluating the performance of the fuel cell comprising the step of evaluating the performance of the activated fuel cell for each temperature.

상기 연료전지를 활성화하는 단계는 상온에서 30℃ 내지 100℃의 온도로 승온과 감온을 반복하면서 연료전지를 운전하는 단계를 포함할 수 있다.The activating of the fuel cell may include driving the fuel cell while repeating the temperature increase and the decrease in temperature at a temperature of 30 ° C. to 100 ° C. at room temperature.

상기 결과취합시간을 결정하는 단계는, Determining the result collection time,

목표 온도, 목표 전압 및 전압 변화량 측정 시간을 정하는 단계; Determining a target temperature, a target voltage, and a voltage variation measurement time;

상기 활성화된 연료전지의 상기 목표 전압에서의 전류값을 기준 전류값으로 정하는 단계; Setting a current value at the target voltage of the activated fuel cell as a reference current value;

상기 기준 전류값에서의 전압의 변화량을 상기 전압 변화량 측정 시간에 따 라 측정하는 단계; 및Measuring a change amount of the voltage at the reference current value according to the voltage change amount measurement time; And

상기 측정된 전압의 변화량이 0.01 내지 1.0 mV/s가 되는 시간을 결과취합시간으로 정하는 단계를 포함할 수 있다. It may include the step of setting the time the amount of change in the measured voltage is 0.01 to 1.0 mV / s as a result collection time.

상기 결과취합시간을 결정하는 단계 이후 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 전에, 상기 결과취합시간을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include verifying the result collection time, after the determining of the result collection time and before evaluating the performance of the activated fuel cell for each temperature.

상기 결과취합시간을 검증하는 단계가, 전압을 변화시키면서 각 전압에서 전류의 변화를 상기 결과취합시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전류의 변화량이 1% 이하인지 여부를 평가하는 단계일 수 있다.The step of verifying the result collection time may be a step of measuring a change in current at each voltage while changing the voltage during the result collection time, and evaluating whether the measured change amount of the current is 1% or less.

상기 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계는, 측정 온도를 정하는 단계; 및 상기 연료전지의 운전 온도가 측정 온도에 도달하고 결과취합시간이 경과한 이후에 전압에 따른 전력밀도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.Evaluating the performance of the fuel cell for each temperature may include determining a measurement temperature; And measuring the power density according to the voltage after the operation temperature of the fuel cell reaches the measurement temperature and the result collection time has elapsed.

상기 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 이후에, 연료 전지의 내구성 평가 단계를 더 포함할 수 있다.After evaluating the temperature-specific performance of the fuel cell, the method may further include evaluating the durability of the fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 성능 평가 방법은 상이한 구성요소로 이루어진 연료전지의 성능을 평가하여 그 결과를 상호 비교할 수 있는 표준을 제시하고, 이러한 표준화된 성능 평가 방법은 개인, 기업, 국가간 연구결과의 호환성 및 생산의 효율화를 제공하며, 이를 바탕으로 연료전지 상업화의 시간을 단축시킬 수 있게 할 수 있다.The method for evaluating the performance of a fuel cell according to an embodiment of the present invention provides a standard for evaluating the performance of a fuel cell composed of different components and comparing the results with each other. It provides compatibility of research results between countries and efficiency of production, which can shorten the time for commercialization of fuel cells.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 성능 평가 방법은 연료전지를 활성화하는 단계; 상기 활성화된 연료전지가 일정 전압에서 안정화된 전력밀도를 얻을 수 있는 결과 취합 시간을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 결과취합시간에 따라 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계를 포함한다. Method for evaluating the performance of a fuel cell according to an embodiment of the present invention comprises the steps of activating the fuel cell; Determining a result collection time for the activated fuel cell to obtain a stabilized power density at a predetermined voltage; And evaluating temperature-specific performance of the activated fuel cell according to the determined result collection time.

본 발명에 있어 활성화 단계는 성능 결정인자로 작용할 수 있는 부품소재의 최적 성능을 보기 위해 성능 저하요소를 최소화하는 분위기에서 전지를 활성화하는 단계이다. 상기 성능 저하요소로는 전해질막의 건조, 환원극으로의 메탄올 크로스 오버 (methanol cross-over)등을 예로 들 수 있다. 전극 막 접합체(MEA)를 제조하는 공정에서 전해질막은 고온-프레스(Hot-press)에 의해 일정 수준 건조되므로, 최적 성능을 보이기 위해서는 전해질막이 충분히 젖어 있는 상태를 유지할 필요가 있다. 또한, 전극 막 접합체내의 전극층에서 촉매와 바인더의 미세구조 내에서도 연료 및 수소전하가 이동할 수 있는 통로가 원활히 형성되어야 한다. In the present invention, the activation step is a step of activating the battery in an atmosphere that minimizes the deterioration factor in order to see the optimum performance of the component material that can act as a performance determinant. Examples of the performance deterioration factor include drying the electrolyte membrane and methanol cross-over to the cathode. In the process of manufacturing the electrode membrane assembly (MEA), since the electrolyte membrane is dried to a certain level by hot-press, it is necessary to keep the electrolyte membrane sufficiently wet for optimum performance. In addition, in the electrode layer in the electrode membrane assembly, a passage through which fuel and hydrogen charges can move is smoothly formed within the microstructure of the catalyst and the binder.

이를 위해 상기 연료전지를 활성화하는 단계는 일정 범위의 온도 구간에서 승온과 감온을 반복하면서 연료전지를 운전하는 단계를 포함한다. To this end, the step of activating the fuel cell includes the step of operating the fuel cell while repeating the temperature increase and temperature decrease in a temperature range of a certain range.

상기 연료전지에 대해서 승온과 감온을 반복하는 온도 구간은, 예를 들면, 30 내지 100℃, 30 내지 80℃, 30 내지 70℃이다. 상기 온도 구간의 하한치가 30℃ 미만이면 활성화의 효율성이 저하되고, 상한치가 100℃ 초과이면 연료로 사용되는 용액의 증발로 연료효율성이 저하 될 수 있다.The temperature section in which the temperature increase and the temperature reduction are repeated for the fuel cell is, for example, 30 to 100 ° C, 30 to 80 ° C, and 30 to 70 ° C. If the lower limit of the temperature range is less than 30 ℃ activation efficiency is lowered, if the upper limit is more than 100 ℃ fuel efficiency may be lowered by the evaporation of the solution used as fuel.

상기 승온과 감온을 반복하는 횟수는 예를 들면, 3 내지 10회, 3 내지 8회, 3 내지 5회이고, 상기 횟수가 3회 미만이면 활성화도가 떨어지게 되어 연료전지의 성능을 판단하기 힘들다. The number of times the temperature increase and the temperature reduction are repeated, for example, 3 to 10 times, 3 to 8 times, 3 to 5 times. If the number is less than 3 times, the activation becomes poor and it is difficult to determine the performance of the fuel cell.

그 결과, 연료에 의한 전하의 통로를 형성시키고, 이때 전해질막의 건조를 방지하기 위해서 공기극의 연료 주입량을 소량, 예를 들면 50cc이하 수준으로 낮출 수 있게 된다. As a result, it is possible to form a passage for charge by fuel, and at this time, the amount of fuel injected into the cathode can be lowered to a small amount, for example, 50cc or less, in order to prevent drying of the electrolyte membrane.

구체적으로는, 예를 들면, 0.3 내지 0.55V의 전압을 유지할 수 있는 공기극의 연료를 주입함으로써, 촉매층 내의 자연 화학반응을 유도할 수 있다. Specifically, for example, by injecting a fuel of an air electrode capable of maintaining a voltage of 0.3 to 0.55 V, a natural chemical reaction in the catalyst layer can be induced.

상기 공기극 연료 주입시 유지되는 전압이 0.3V 미만이면 메탄올 연료가 공기에 비해 상대적으로 공급량이 많은 결과로 메탄올 크로스오버의 단점을 가져올수 있으며, 0.5V 초과이면 전해질막을 건조시킬 가능성이 있다. If the voltage maintained during the cathode fuel injection is less than 0.3V, methanol fuel may have a relatively large amount of supply compared to air, resulting in a disadvantage of methanol crossover. If the voltage is more than 0.5V, the electrolyte membrane may be dried.

공기극의 주입량이 조절된 상태에서 전지의 승온과 감온을 반복함에 따라 전극내의 전하이동 통로가 원활히 형성되게 되고, 전해질막 또한 건조되지 않는 조건을 유지할 수 있어 최적의 성능을 보일 수 있는 분위기가 조성된다. As the temperature and the temperature of the battery are repeated while the amount of the cathode is controlled, the charge transfer passage in the electrode is smoothly formed, and the electrolyte membrane can also be maintained in a condition that does not dry, thereby creating an atmosphere that can exhibit optimal performance. .

상기 연료 전지를 활성화하는 단계의 구체적인 일 실시예는 하기와 같다.One specific embodiment of the step of activating the fuel cell is as follows.

즉, 연료 전지의 온도를 상온에서 80℃까지 공기의 공급을 줄인 상태에서 승온과 감온을 5회 반복하게 된다. 상기 승온과 감온의 반복 과정은, 80℃에 도달한 후, 30분간 유지하고, 상온으로 자연 감온 시킨 후 상온에서 연료공급을 중단하고 연료의 출구를 막고, 20분간 동작을 멈추고 다시 동일한 과정으로 승온과 감온을 반복한다. 이때, 온도변화시에는 공기의 주입량은 10cc/분이고, 메탄올의 주입량은 1cc/분이고, 온도유지시에는 공기의 주입량은 50cc/분이고, 메탄올의 주입량은 1cc/분으로 조절될 수 있다.That is, the temperature increase and the temperature reduction are repeated five times in a state in which the air supply is reduced from room temperature to 80 ° C. The repeated process of the temperature increase and temperature decrease, after reaching 80 ° C., is maintained for 30 minutes, the temperature is naturally reduced to room temperature, the fuel supply is stopped at room temperature, the fuel outlet is blocked, the operation is stopped for 20 minutes, and the temperature is increased again in the same process. Repeat the temperature and temperature. In this case, when the temperature is changed, the injection amount of air is 10 cc / min, the injection amount of methanol is 1 cc / min, when the temperature is maintained, the injection amount of air is 50 cc / min, the injection amount of methanol can be adjusted to 1 cc / min.

상기 결과취합시간을 결정하는 단계는, 목표 온도, 목표 전압 및 전압 변화량 측정 시간을 정하는 단계; 상기 목표 전압에서 상기 활성화된 연료전지의 전류값을 기준 전류값으로 정하는 단계; 상기 기준 전류값에서의 전압의 변화량을 상기 전압 변화량 측정 시간에 따라 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전압의 변화량이 1.0 mV/s가 되는 시간을 결과취합시간으로 정하는 단계를 포함한다.The determining of the result collection time may include determining a target temperature, a target voltage, and a voltage variation measurement time; Setting a current value of the activated fuel cell as a reference current value at the target voltage; Measuring an amount of change in voltage at the reference current value according to the voltage change amount measuring time; And setting the time for which the amount of change in the measured voltage becomes 1.0 mV / s as the result collection time.

연료전지의 일정 전압에서 안정화된 전력밀도를 얻을 수 있는 결과취합시간을 결정하는 단계는, 상이한 구성 또는 운전 조건의 연료전지로부터 얻어지는 평가 결과를 개인, 기업, 국가간에 상호 이용할 수 있는 호환성을 부여할 수 있게 한다. 이로써, 연료전지 개발에 필요한 불필요한 시간 및 소재의 소모를 줄여 경제적 효과를 가져 올 수 있다는 점에서 그 중요성이 크다. Determining the result collection time for obtaining a stabilized power density at a constant voltage of the fuel cell may provide compatibility between individuals, companies, and countries that can use evaluation results obtained from fuel cells having different configurations or operating conditions. To be able. As a result, the importance is important in that it can bring economic effects by reducing the unnecessary time and material consumption required for fuel cell development.

즉, 연료전지의 평가에서 전류 및 전압 값의 취합시간에 따라 측정하려는 전류 및 전압 값은 서로 차이를 나타내게 된다. 예를 들어, 사용을 원하는 전지의 기준전압이 0.4V라고 할 때, 고정된 온도에서의 0.4V를 기준으로 한 전류량을 측정해보면, 그 시간의 경과에 따라 전류량의 변화를 볼 수 있다. 이는 연료의 공급량 및 전극 막 접합체 내의 화학반응 속도 등에 따라 제조되는 전극 막 접합체마다 다른 값을 가질 수 있는 성질이라 할 수 있다. 일정 전압에서 전류량을 측정함에 있어서 안정화된 시점의 결과 값을 선택하지 못한다면, 상호간에 선택된 결과 값의 공유는 무의미해질 수 있다. That is, in the evaluation of the fuel cell, the current and voltage values to be measured differ according to the collection time of the current and voltage values. For example, when a reference voltage of a battery desired to be used is 0.4V, if the current amount based on 0.4V at a fixed temperature is measured, the current amount can change over time. This can be said to be a property that can have a different value for each electrode membrane assembly manufactured according to the amount of fuel supplied and the chemical reaction rate in the electrode membrane assembly. In the case of measuring the amount of current at a certain voltage, if the resultant value at the stabilization point cannot be selected, sharing of the selected resultant value with each other may be meaningless.

이와 같은 관점으로, 활성화단계를 거치고 나서 사용을 목적으로 하는 온도 내에서의 결과취합시간의 결정단계를 거치게 된다. From this point of view, the activation step is followed by the determination of the result collection time in the temperature for use.

상기 목표 온도는 예를 들면 30 내지 100℃, 40 내지 80℃, 50 내지 70℃ 내에서 정할 수 있는데, 상기 목표 온도가 30℃ 미만이면 전지의 반응에 따른 내부열의 발생으로 정확한 결과값을 정하기가 힘들어지고, 100℃ 초과이면 연료의 손실에 대한 성능저하가 발생 할 수 있다. For example, the target temperature may be set within 30 to 100 ° C, 40 to 80 ° C, and 50 to 70 ° C. When the target temperature is less than 30 ° C, it is difficult to determine an accurate result by generating internal heat according to the reaction of the battery. It becomes difficult, and if it is over 100 ° C, there may be a deterioration in fuel loss.

상기 목표 전압은 예를 들면 0.3 내지 0.5V 내에서 정할 수 있는데, 상기 목표 전압이 이 범위를 벗어나면 원하는 연료전지의 안정된 전력을 얻기 어렵다. For example, the target voltage may be set within 0.3 to 0.5V. If the target voltage is out of this range, it is difficult to obtain stable power of a desired fuel cell.

또한, 전압 변화량 측정 시간은 임의로 정할 수 있는데, 예를 들면 1초 미만에서 정할 수 있다. 상기 전압 변화량 측정 시간이 1초를 초과하면 결과 취합 시간에 오차가 커질 수 있다. In addition, the voltage change measurement time can be arbitrarily determined, for example, it can be determined in less than 1 second. If the voltage variation measurement time exceeds 1 second, an error may increase in the result collection time.

상기 측정된 전압의 변화량이 예를 들어, 1.0 mV/s 이하가 되는 시간을 결과취합시간으로 정하게 된다. The time for which the amount of change in the measured voltage becomes, for example, 1.0 mV / s or less is defined as the result collection time.

만일, 최초로 정한 전압 변화량 측정 시간에서 측정된 전압의 변화량이 1.0 mV/s 초과인 경우에는 전압 변화량이 커서 안정된 결과로 보기 어렵다. If the measured voltage change amount is greater than 1.0 mV / s, the voltage change amount is large and it is difficult to see a stable result.

상기 결과취합시간을 결정하는 단계 이후 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 전에, 상기 결과취합시간을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include verifying the result collection time, after the determining of the result collection time and before evaluating the performance of the activated fuel cell for each temperature.

상기 결과취합시간을 검증하는 단계는, 전압을 변화시키면서 각 전압에서 전류의 변화를 상기 결과취합시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전류의 변화량이 예를 들면, 1% 이하인지 여부를 평가하는 단계이다. 상기 측정된 전류의 변화량이 1% 초과인 경우에는 다시 안정화 단계를 거치게 된다. The step of verifying the result collection time may include measuring a change in current at each voltage while changing the voltage during the result collection time, and evaluating whether or not the measured current change amount is, for example, 1% or less. . When the measured amount of change in the current is more than 1%, the stabilization step is performed again.

도 1을 참조하여 결과취합시간을 결정하는 단계를 살펴보겠다. 이때 도 1에 도시된 사항은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 도 1의 실시예로 한정되는 것은 아니다. Referring to Figure 1 will be described the step of determining the result collection time. In this case, the matters shown in FIG. 1 are merely to help a clear understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the embodiment of FIG. 1.

먼저, 연료전지의 사용 목표 온도를 60℃, 목표 전압을 0.4V로 정하고, 활성화된 연료전지의 온도가 60℃로 안정화된 시점에서, 상기 연료전지의 전압 변화량을 측정한다. 이때, 0.4V 시점의 전류량을 기준점으로 잡은 후 기준점으로 선정된 전류값을 고정하고, 전압 변화량을 측정할 수 있는 시간, 예를 들면 0.5초 내지 1초로 하여 상기 전압의 변화량을 측정한다. (도 1의 좌측 그래프 참조) First, the target temperature for use of the fuel cell is set to 60 ° C and the target voltage is 0.4V, and the voltage change amount of the fuel cell is measured when the temperature of the activated fuel cell is stabilized to 60 ° C. At this time, the current amount selected as the reference point is fixed after taking the current amount at 0.4V as a reference point, and the change amount of the voltage is measured as a time for measuring the voltage change amount, for example, 0.5 seconds to 1 second. (See the graph on the left in Figure 1)

이후, 0.4V기준에서의 전류값을 기준으로 300초간 전압값의 변화를 측정하여 측정된 전압값의 시간당 전압변화값이 1mV/s 값이 되는 시간을 결과취합시간으로 결정한다.(도 1의 가운데 그래프 참조) Subsequently, the change in the voltage value for 300 seconds is measured based on the current value at 0.4 V, and the time for which the time-varying voltage change value of the measured voltage value becomes 1 mV / s is determined as the result collection time. See center graph)

상기 결정된 결과취합시간에 따라서, 높은 전압에서 낮은 전압 방향(정방향)으로 전류-전압곡선 결과를 얻을 수 있고, 또한, 낮은 전압에서 높은 전압 방향(역방향)으로 결정된 결과취합시간에 따라서 전류-전압곡선 결과를 얻을 수 있다.According to the determined result collection time, a current-voltage curve result can be obtained in a low voltage direction (forward direction) at a high voltage, and a current-voltage curve according to a result collection time determined in a high voltage direction (reverse direction) at a low voltage You can get the result.

이때 정방향에서 얻어진 특정 전압에서의 전류값이 역방향에서 얻어진 동일한 특정 전압에서의 전류값과 차이가 없는지를 확인함으로써, 결과취합시간이 타당한지를 검증할 수 있게 된다. At this time, by confirming that the current value at the specific voltage obtained in the forward direction is not different from the current value at the same specific voltage obtained in the reverse direction, it is possible to verify whether the result collection time is valid.

도 1의 우측 그래프는 전압을 0.8V에서 0.2V의 방향으로 단계적으로 낮추면 서 결정된 결과취합시간에 따라서 전류값을 측정하고, 이후 다시 전압을 0.2V에서 0.8V의 방향으로 단계적으로 높이면서 결정된 결과취합시간에 따라서 전류값을 측정하는 과정을 도시한 것이다. The graph on the right side of Fig. 1 measures the current value according to the result collection time determined by gradually decreasing the voltage in the direction of 0.8V to 0.2V, and then increases the voltage in the direction of 0.2V to 0.8V again. It shows the process of measuring the current value according to the collection time.

최종적으로 결정된 결과취합시간은 전류가 고정된 상태에서 전압의 변화가 없어지는 시간을 의미하고, 그 결과취합시간 이후부터는 연료전지는 안정된 전력(전압 X 전류)값을 나타낸다고 할 수 있다. The finally determined result collection time means the time when the change of voltage disappears while the current is fixed, and after the result, the fuel cell shows a stable power value (voltage X current).

이후, 결과취합시간의 검증이 이루어지고 나면, 온도 변화에 따른 연료전지의 성능을 평가하게 된다. After the verification of the result collection time, the performance of the fuel cell according to the temperature change is evaluated.

상기 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계는, 측정 온도를 정하는 단계; 및 상기 연료전지의 운전 온도가 측정 온도에 도달하고 결과취합시간이 경과한 이후에 전압에 따른 전력밀도를 측정하는 단계를 포함한다.Evaluating the performance of the fuel cell for each temperature may include determining a measurement temperature; And measuring the power density according to the voltage after the operation temperature of the fuel cell reaches the measurement temperature and the result collection time has elapsed.

온도변화에 따른 전력밀도의 측정은 앞서 활성화 단계의 연료 주입과 동일한 방법으로, 전지의 온도를 승온 및 감온하는 사이의 미측정 구간은 0.3V 내지 0.5V사이의 전압이 형성되도록 공기량을 조절하며 측정 전에 연료 당량비에 따른 연료를 주입하여 측정을 시작하게 된다. 즉, 연료전극으로의 과도한 공기 주입으로 전해질막의 건조에 의한 성능 저하를 방지하는 차원에서 최소의 공기 유량만을 공급하는 것이다.The measurement of the power density according to the temperature change is performed in the same manner as the fuel injection of the activation step, and the unmeasured interval between the temperature increase and the temperature decrease of the air is controlled by adjusting the amount of air so that a voltage between 0.3V and 0.5V is formed. Before the measurement is started by injecting fuel according to the fuel equivalent ratio. That is, only the minimum air flow rate is supplied in order to prevent performance degradation due to drying of the electrolyte membrane due to excessive air injection into the fuel electrode.

각 온도단계를 측정하기 위해서는 측정온도에 도달한 후 일정시간 안정화된 시간이 지난 뒤에 측정을 시행해야 하며, 연료는 온도의 승온과 감온시에는 공기의 공급을 줄인 상태로 공급하고, 측정하는 온도에서 기준으로 설정한 연료를 공급하 며 결과취합시간으로 결과 값을 취합하게 된다. In order to measure each temperature step, the measurement should be carried out after stabilizing time for a certain time after reaching the measurement temperature, and the fuel is supplied with reduced air supply at the temperature raising and lowering of the temperature. The fuel set as the standard is supplied and the result value is collected by the result collection time.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지의 성능 평가 방법은 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 이후에, 연료전지의 내구성 평가 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the method for evaluating the performance of the fuel cell may further include evaluating the durability of the fuel cell after the step of evaluating the performance of each fuel cell for each temperature.

내구성 평가는 연료전지가 상용화되기 위하여 요구되는 운전 시간, 예를 들면 29분 30초간 운전하여 전류값을 측정하고, 이후 30초간 운전을 정지하는 과정을 반복하는 것으로 이루어지며, 이때 측정된 전류값이 초기 측정값 대비 10%이상 떨어지게 되면 내구성 평가를 종료하게 된다. Endurance evaluation consists of repeating the process of measuring the current value by operating the fuel cell for operation time required, for example, 29 minutes and 30 seconds, and then stopping the operation for 30 seconds. Ending the durability assessment when it is more than 10% of the initial measured value.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 성능 평가 방법을 이용하여, 연료전지의 다양한 운전조건 등의 변화에 따른 결과값을 얻어서 분석하고, 이렇게 분석된 결과값을 실험계획법에 적용시키면, 최적 조건의 연료전지를 효율적으로 제공할 수 있게 된다.By using the method for evaluating the performance of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, obtaining and analyzing result values according to changes in various operating conditions of the fuel cell, and applying the analyzed results to the experimental design method, It is possible to efficiently provide fuel cells with optimal conditions.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 결과 취합 시간을 결정하는 단계를 도시화한 것이다.Figure 1 illustrates the step of determining the result collection time according to an embodiment of the present invention.

Claims (7)

연료전지를 활성화하는 단계;Activating the fuel cell; 상기 활성화된 연료전지가 일정 전압에서 안정화된 전력밀도를 얻을 수 있는 결과 취합 시간을 결정하는 단계; 및Determining a result collection time for the activated fuel cell to obtain a stabilized power density at a predetermined voltage; And 상기 결정된 결과취합시간에 따라 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계를 포함하는 연료전지의 성능 평가 방법.And evaluating performance of the activated fuel cell for each temperature according to the determined result collection time. 제1항에서,In claim 1, 상기 연료전지를 활성화하는 단계가 상온에서 30℃ 내지 100℃의 온도로 승온과 감온을 반복하면서 연료전지를 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.The step of activating the fuel cell is a method of evaluating the performance of a fuel cell comprising the step of operating the fuel cell while repeating the temperature increase and temperature reduction at a temperature of 30 ℃ to 100 ℃ at room temperature. 제1항에서, In claim 1, 상기 결과 취합 시간을 결정하는 단계가, Determining the result collection time, 목표 온도 및 목표 전압을 정하는 단계; Determining a target temperature and a target voltage; 상기 활성화된 연료전지의 상기 목표 전압에서의 전류값을 기준 전류값으로 정하는 단계; Setting a current value at the target voltage of the activated fuel cell as a reference current value; 상기 기준 전류값에서의 전압의 변화량을 측정하는 단계; 및Measuring an amount of change in voltage at the reference current value; And 상기 측정된 전압의 변화량이 1.0 mV/s 이하가 되는 시간을 결과취합시간으 로 정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.And setting the time for which the amount of change in the measured voltage becomes 1.0 mV / s or less as a result collection time. 제1항에서, In claim 1, 상기 결과취합시간을 결정하는 단계 이후 상기 활성화된 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 전에, 상기 결과취합시간을 검증하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.And after the determining of the result collection time, before the evaluating performance of the activated fuel cell for each temperature, verifying the result collection time. 제4항에서, In claim 4, 상기 결과 취합 시간을 검증하는 단계가, 전압을 변화시키면서 각 전압에서 전류의 변화를 상기 결과취합시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전류의 변화량이 1% 이하인지 여부를 평가하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.The step of verifying the result collection time may include measuring a change in current at each voltage while changing the voltage during the result collection time, and evaluating whether the measured change amount of the current is 1% or less. Method for evaluating performance of fuel cell. 제1항에서, In claim 1, 상기 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계가, 측정 온도를 정하는 단계; 및 상기 연료전지의 운전 온도가 측정 온도에 도달하고 결과취합시간이 경과한 이후에 전압에 따른 전력밀도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.Evaluating performance of each fuel cell for each temperature may include determining a measurement temperature; And measuring the power density according to the voltage after the operation temperature of the fuel cell reaches the measurement temperature and the result collection time has elapsed. 제1항에서, In claim 1, 상기 연료전지의 온도별 성능을 평가하는 단계 이후에, 연료 전지의 내구성 평가 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 평가 방법.After the step of evaluating the temperature-specific performance of the fuel cell, the performance evaluation method of the fuel cell, characterized in that further comprising the step of evaluating the durability of the fuel cell.
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