KR20120056030A - Method for evaluating fuel battery unit cell - Google Patents

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윤종진
임세준
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell evaluation method is provided to measure the discrete potential of each electrode of a cell without changing the structure of a measurement cell and compare the measured potential with the potential of a reference cell, thereby detecting the damage to each electrode of the measurement cell. CONSTITUTION: Hydrogen and air inlet/outlet terminals of a measurement cell and a reference cell in a normal state are connected(S1). Cell voltages of the measurement cell and the reference cell for each current density are measured(S2). Anode voltage of the measurement cell is measured by measuring voltage between anodes of the reference cell and the measurement cell for each current density(S3). Cathode voltage is calculated by subtracting the measured anode voltage from the cell voltage of the measurement cell(S4). An electrode damage degree of the measurement cell is determined by respectively comparing the cathode voltages and the anode voltages of the measurement cell and the reference cell(S5).

Description

연료 전지 셀 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING FUEL BATTERY UNIT CELL }TECHNICAL FOR EVALUATING FUEL BATTERY UNIT CELL}

본 발명은 연료 전지 셀 평가 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 측정 셀의 구조 변경 없이 셀의 각 전극의 개별 전위를 측정하고 이를 기준 셀과 비교함으로써, 측정 셀의 각 전극의 손상 여부를 판단할 수 있는 연료 전지 셀 평가 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for evaluating a fuel cell, and more particularly, by measuring an individual potential of each electrode of a cell without changing the structure of the measuring cell and comparing it with a reference cell, it is possible to determine whether each electrode of the measuring cell is damaged. The present invention relates to a fuel cell cell evaluation method.

일반적으로 연료 전지를 평가할 경우, 측정하고자 하는 연료 전지의 각 셀의 애노드 전극과 캐소드 전극의 전위 차이인 셀 전압을 측정하고, 이를 통해 셀의 이상 여부를 평가한다. In general, when evaluating a fuel cell, a cell voltage which is a potential difference between an anode electrode and a cathode electrode of each cell of the fuel cell to be measured is measured, and through this, an abnormality of the cell is evaluated.

그러나 이와 같은 경우 연료 전지의 각 전극의 전위를 측정할 수 없으므로, 각 전극의 손상 여부를 판단할 수 없다. 각 전극의 개별 전위를 측정하기 위해서는 셀의 막 전극 집합체(MEA)의 멤브레인에 백금와이어를 삽입하고, 백금 와이어와 애노드 및 캐소드 전극 사이의 전압을 측정함으로써, 각 전극의 개별 전위를 측정하여야 한다. 그러나 이와 같이 셀의 각 전극의 개별 전위를 측정하기 위한 백금 와이어를 삽입하기 위해서는, 측정이 필요한 셀들의 전극 집합체의 전극 층을 각각 벗겨내야 하는 별도의 공정 과정이 필요하다. However, in such a case, since the potential of each electrode of the fuel cell cannot be measured, it is not possible to determine whether each electrode is damaged. To measure the individual potential of each electrode, the individual potential of each electrode should be measured by inserting a platinum wire into the membrane of the membrane electrode assembly (MEA) of the cell and measuring the voltage between the platinum wire and the anode and cathode electrodes. However, in order to insert the platinum wire for measuring the individual potential of each electrode of the cell as described above, a separate process procedure is required to strip each electrode layer of the electrode assembly of the cells to be measured.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 측정 셀의 구조 변경 없이 셀의 각 전극의 개별 전위를 측정하고 이를 기준 셀과 비교함으로써, 측정 셀의 각 전극의 손상 여부를 판단할 수 있는 연료 전지 셀 평가 방법을 제공하는데 있다.The present invention is to overcome the above-mentioned conventional problems, an object of the present invention by measuring the individual potential of each electrode of the cell without changing the structure of the measuring cell and comparing it with the reference cell, whether each electrode of the measuring cell is damaged or not To provide a fuel cell cell evaluation method that can determine the.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 연료 전지 셀 평가 방법은 측정셀의 평가를 위해 기준이 되는 정상 상태의 기준 셀과 상기 측정셀의 수소 및 공기 입출구 단자를 각각 연결하는 제1단계와 상기 측정셀과 상기 기준셀의 전류밀도별 셀전압을 측정하는 제2단계와, 상기 기준 셀의 애노드 전극과 상기 측정셀의 애노드 전극 사이의 전압을 방전되는 전류 밀도별로 측정하여, 상기 측정셀의 애노드 전압을 측정하는 제3단계와, 상기 측정셀의 셀전압에서 측정된 애노드 전압을 빼서 캐소드 전압을 산출하는 제4단계 및 상기 기준셀의 애노드 전압과 상기 측정셀의 애노드 전압을 비교하고, 상기 기준셀의 캐소드 전압과 상기 측정셀의 캐소드 전압을 비교하여 상기 측정셀의 각전극 손상 정도를 판단하는 제5단계를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, a fuel cell cell evaluation method according to the present invention includes a first step of connecting a reference cell in a steady state, which is a reference for evaluation of a measurement cell, and a hydrogen and air inlet / outlet terminal of the measurement cell, respectively; A second step of measuring a cell voltage for each current density of the measurement cell and the reference cell; and measuring the voltage between the anode electrode of the reference cell and the anode electrode of the measurement cell for each current density discharged, the anode of the measurement cell A third step of measuring a voltage, a fourth step of calculating a cathode voltage by subtracting an anode voltage measured from a cell voltage of the measurement cell, and comparing the anode voltage of the reference cell and the anode voltage of the measurement cell, And comparing the cathode voltage of the cell with the cathode voltage of the measurement cell to determine a degree of damage to each electrode of the measurement cell.

상기 제5단계 이후에는 상기 측정셀의 전극 손상 정도를 데이터로 작성하여 저장하는 제6단계를 더 포함할 수 있다. After the fifth step, the method may further include a sixth step of preparing and storing the electrode damage degree of the measurement cell as data.

상기 제2단계 및 제3단계에서 상기 측정셀과 상기 기준셀은 동일한 체결력을 갖도록 유지된 상태에서 셀전압 및 애노드 전압을 측정할 수 있다. In the second and third steps, the cell voltage and the anode voltage may be measured while the measurement cell and the reference cell are maintained to have the same clamping force.

상기 제3단계에서 상기 기준셀의 애노드 전극에는 애노드 전압을 측정하기 위한 기준 단자가 구비되며, 상기 측정셀의 애노드 전극에는 애노드 전압을 측정하기 위한 워킹 단자가 구비되어 상기 기준 단자와 상기 워킹 단자 사이의 전압 측정을 통해 상기 측정 셀의 애노드 전압을 측정할 수 있다. In the third step, the anode electrode of the reference cell is provided with a reference terminal for measuring an anode voltage, and the anode electrode of the measurement cell is provided with a working terminal for measuring an anode voltage between the reference terminal and the working terminal. By measuring the voltage of the anode voltage of the measuring cell can be measured.

본 발명에 의한 연료 전지 셀 평가 방법은 측정 셀의 구조 변경 없이 셀의 각 전극의 개별 전위를 측정하고 이를 기준 셀과 비교함으로써, 측정 셀의 각 전극의 손상 여부를 판단할 수 있게 된다.In the fuel cell evaluation method according to the present invention, by measuring the individual potential of each electrode of the cell without changing the structure of the measuring cell and comparing it with the reference cell, it is possible to determine whether each electrode of the measuring cell is damaged.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 셀 평가 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1의 측정셀의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 도 1의 측정셀과 기준셀의 연결 관계를 도시한 개략도이다. 1 is a flowchart illustrating a method for evaluating a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the measurement cell of FIG. 1.
3 is a schematic diagram illustrating a connection relationship between a measurement cell and a reference cell of FIG. 1.

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. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS 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 carry out the present invention. Here, parts having similar configurations and operations throughout the specification are denoted by the same reference numerals.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지 셀 평가 방법을 도시한 순서도가 도시되어 있다. 그리고 도 2를 참조하면 도 1의 연료 전지 셀 평가 방법에서 분석하고자 하는 측정셀의 구성을 도시한 개략도가 도시되어 있으며, 도 3을 참조하면 도 1의 연료 전지 셀 평가 방법에서 분석하고자 하는 측정 셀과 기준 셀의 연결 관계를 도시한 개략도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 1의 연료 전지 셀 평가 방법을 도 2의 측정 셀의 구성 및 도 3의 측정 셀과 기준 셀의 연결 관계를 통해 설명하고자한다. Referring to FIG. 1, a flowchart illustrating a fuel cell cell evaluation method according to an embodiment of the present invention is shown. 2 is a schematic view showing the configuration of a measurement cell to be analyzed in the fuel cell cell evaluation method of FIG. 1, and FIG. 3 is a measurement cell to be analyzed in the fuel cell cell evaluation method of FIG. 1. A schematic diagram is shown illustrating the connection relationship between a and a reference cell. Hereinafter, the method of evaluating the fuel cell of FIG. 1 will be described through the configuration of the measurement cell of FIG. 2 and the connection relationship between the measurement cell and the reference cell of FIG. 3.

우선, 연료 전지의 셀 중에서 평가가 필요한 단위 셀인 측정 셀(10)과, 활성화가 완료된 셀로 상기 단위 셀 기준이 되는 정상 상태의 기준 셀(20)을 연결(S1)한다. First, in the fuel cell, the measurement cell 10, which is a unit cell for which evaluation is required, and the reference cell 20 in the steady state, which is the unit cell reference, are connected (S1).

여기서 우선 측정 셀(10)은 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12)으로 이루어지며, 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12) 사이에는 전해질(미도시)이 개재된다. 이러한 측정 셀(10)은 애노드 전극(11), 전해질 및 캐소드 전극(12)을 통해 반응 기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결 압을 유지시키기 위한 가스켓(13,14)을 더 포함한다. Here, the measurement cell 10 is composed of an anode electrode 11 and a cathode electrode 12, and an electrolyte (not shown) is interposed between the anode electrode 11 and the cathode electrode 12. This measuring cell 10 further comprises gaskets 13 and 14 for maintaining the tightness and proper clamping pressure of the reaction gases and cooling water through the anode electrode 11, the electrolyte and the cathode electrode 12.

여기서 가스켓(13, 14)은 애노드 전극(11)에 밀착된 제1가스켓(13)과 캐소드 전극(12)에 밀착된 제2가스켓(14)으로 이루어진다. 그리고 제1가스켓(13)에는 공기를 공급하는 공기 입구(13a)와, 수소가 배출되는 수소 출구(13b)를 구비한다. 또한 제2가스켓(14)에는 수소가 공급되는 수소 입구(14a)와 공기가 배출되는 공기 출구(14b)를 구비한다. 이러한 측정 셀(10)은 애노드 전극(11)으로 인가되는 공기와 캐소드 전극(12)으로 인가되는 수소에 의해서 전기를 발생시킨다. The gaskets 13 and 14 may include a first gasket 13 in close contact with the anode electrode 11 and a second gasket 14 in close contact with the cathode electrode 12. The first gasket 13 includes an air inlet 13a for supplying air and a hydrogen outlet 13b for discharging hydrogen. In addition, the second gasket 14 includes a hydrogen inlet 14a through which hydrogen is supplied and an air outlet 14b through which air is discharged. The measurement cell 10 generates electricity by air applied to the anode electrode 11 and hydrogen applied to the cathode electrode 12.

이러한 측정 셀(10)과 동일한 구조인 기준 셀(20)은 측정 셀(10)의 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12)의 이상 유무를 판단하기 위해, 기준이 되는 셀로 애노드 전극(21) 및 캐소드 전극(22)을 활성화 완료된 셀로 정상 구동하는 셀을 이용한다. 그리고 이러한 기준 셀(20)은 가스켓(23, 24)에 의해 상기 측정 셀(10)과 동일한 체결 압을 갖도록 유지시킨다. The reference cell 20 having the same structure as the measurement cell 10 is a reference cell in order to determine whether the anode 11 and the cathode 12 of the measurement cell 10 are abnormal, and the anode electrode 21 is a reference cell. And a cell which normally drives the cathode electrode 22 to the activated cell. The reference cell 20 is maintained by the gaskets 23 and 24 to have the same clamping pressure as the measuring cell 10.

그리고 측정 셀(10)과 기준 셀(20)의 연결은 측정 셀(10)의 수소 입구(14a)는 기준 셀(20)의 수소 출구(23a)와 연결시키고, 측정 셀(10)의 공기 출구(14b)와 기준 셀의 공기 입구(23b)를 연결시킴으로써, 상기 측정 셀(10)과 기준 셀(20)로 동일한 공기 및 수소가 공급되도록 한다. The measurement cell 10 is connected to the reference cell 20 by connecting the hydrogen inlet 14a of the measurement cell 10 to the hydrogen outlet 23a of the reference cell 20, and the air outlet of the measurement cell 10. By connecting 14b with the air inlet 23b of the reference cell, the same air and hydrogen are supplied to the measurement cell 10 and the reference cell 20.

그리고 이와 같이 측정 셀(10)과 기준 셀(20)에 공기와 수소를 공급할 때 상기 측정 셀(10)과 기준 셀(20)에서 방전에 의해서 생성된 전류의 크기별로 셀 전압을 측정(S2)한다. 즉, 측정 셀(10)과 기준 셀(20)에서 출력되는 전류 밀도별로 셀 전압을 측정한다. When the air and hydrogen are supplied to the measurement cell 10 and the reference cell 20 as described above, the cell voltage is measured according to the magnitude of the current generated by the discharge in the measurement cell 10 and the reference cell 20 (S2). do. That is, the cell voltage is measured for each current density output from the measurement cell 10 and the reference cell 20.

그리고 기준 셀(20)의 애노드 전극(21)에는 기준 셀의 애노드 전압을 측정하기 위한 기준 단자(미도시)가 구비되며, 측정 셀(10)의 애노드 전극(11)에는 측정 셀(10)의 애노드 전압을 측정하기 위한 워킹 단자가 구비되어, 전류 밀도별로 기준 단자와 워킹 단자 사이의 전압을 측정(S3)한다. 이때 기준 셀(20)의 애노드 전극(21)의 전위는 0V로, 전류 밀도별로 기준 단자와 워킹 단자 사이의 전압측정을 통해 측정 셀(10)의 애노드 전극(11)의 개별 전위를 측정할 수 있다. 그리고 측정된 기준 셀(20)의 셀 전압은 기준 셀의 캐소드 전압으로 볼 수 있다. The anode electrode 21 of the reference cell 20 is provided with a reference terminal (not shown) for measuring the anode voltage of the reference cell, and the anode electrode 11 of the measurement cell 10 is provided with the measurement cell 10. The working terminal for measuring the anode voltage is provided, and measures the voltage between the reference terminal and the working terminal for each current density (S3). At this time, the potential of the anode electrode 21 of the reference cell 20 is 0V, and the individual potential of the anode electrode 11 of the measuring cell 10 can be measured by measuring the voltage between the reference terminal and the working terminal for each current density. have. The measured cell voltage of the reference cell 20 may be viewed as a cathode voltage of the reference cell.

그리고 측정 셀(10)의 셀 전압에서 워킹 단자에서 측정된 애노드 전압을 빼서 측정 셀(10)의 캐소드 전압을 산출(S4)한다. 즉, 측정 셀(10)의 애노드 전압을 측정하고 이를 통해 캐소드 전압을 산출할 수 있으므로, 측정 셀(10)의 각 단자의 개별 전위를 알 수 있다. The cathode voltage of the measuring cell 10 is calculated by subtracting the anode voltage measured at the working terminal from the cell voltage of the measuring cell 10 (S4). That is, since the anode voltage of the measurement cell 10 can be measured and the cathode voltage can be calculated through this, the individual potential of each terminal of the measurement cell 10 can be known.

그리고 기준 셀(20)의 애노드 전압 및 캐소드 전압과 측정 셀(10)의 애노드 전압 및 캐소드 전압을 각각 비교하여, 측정 셀(10)의 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12)의 손상 정도를 판단(S5)한다. 그리고 이와 동시에 기준 셀(20)의 셀 전압과 측정 셀(10)의 셀 전압을 비교하여, 셀 전압 변화를 통한 셀 평가를 실행한다. The anode voltage and the cathode voltage of the reference cell 20 and the anode voltage and the cathode voltage of the measurement cell 10 are compared with each other to determine the degree of damage of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 of the measurement cell 10. It determines (S5). At the same time, the cell voltage of the reference cell 20 is compared with the cell voltage of the measurement cell 10, and cell evaluation is performed by changing the cell voltage.

즉, 기준 셀(20)과 측정 셀(10)의 셀전압을 통한 셀 평가 이외에도, 측정 셀(10)의 애노드 전극(11) 및 캐소드 전극(12)의 손상 정도를 각 전극의 개별 전위를 측정하고 이를 기준 셀(20)과 비교함으로써 측정 셀(10)의 각 전극의 손상 정도를 판단할 수 있다. That is, in addition to the cell evaluation through the cell voltages of the reference cell 20 and the measurement cell 10, the degree of damage of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 of the measurement cell 10 is measured for the individual potential of each electrode. By comparing this with the reference cell 20, it is possible to determine the degree of damage of each electrode of the measurement cell 10.

그리고 셀전압과 애노드 전극(11) 및 캐소드 전극(12)의 개별 전위를 통해 측정 셀(10)의 각 전극의 손상 정도를 데이터로 작성(S6)하여, 셀 개발 시 데이터를 통해 셀의 품질을 개선시키거나, 운전 조건을 개선시킬 수 있다. Then, the degree of damage of each electrode of the measuring cell 10 is written as data through the cell voltage and the individual potentials of the anode electrode 11 and the cathode electrode 12 (S6). Can be improved or the operating conditions can be improved.

즉, 이와 같은 연료 전지 셀 평가 방법은 측정 셀의 구조 변경 없이 셀의 각 전극의 개별 전위를 측정하고 이를 기준 셀과 비교함으로써, 측정 셀의 각 전극의 손상 여부를 판단할 수 있다. 그러므로 셀 개발시 이러한 측정 셀의 셀 손상 및 전극 손상 여부에 대한 데이터를 통해 품질 개선이 가능할 수 있다. That is, such a fuel cell cell evaluation method may determine whether each electrode of the measuring cell is damaged by measuring the individual potential of each electrode of the cell without comparing the structure of the measuring cell and comparing it with the reference cell. Therefore, in cell development, quality improvement may be possible through data on cell damage and electrode damage of the measurement cell.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 연료 전지 셀 평가 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment for carrying out the fuel cell cell evaluation method according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, Without departing from the gist of the present invention, one of ordinary skill in the art will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

10; 측정셀 20; 기준 셀
11, 21; 애노드 전극 12, 22; 캐소드 전극10; Measuring cell 20; Reference cell
11, 21; Anode electrodes 12, 22; Cathode electrode

Claims (4)

측정셀의 평가를 위해 기준이 되는 정상 상태의 기준 셀과 상기 측정셀의 수소 및 공기 입출구 단자를 각각 연결하는 제1단계;
상기 측정셀과 상기 기준셀의 전류밀도별 셀전압을 측정하는 제2단계;
상기 기준 셀의 애노드 전극과 상기 측정셀의 애노드 전극 사이의 전압을 방전되는 전류 밀도별로 측정하여, 상기 측정셀의 애노드 전압을 측정하는 제3단계;
상기 측정셀의 셀전압에서 측정된 애노드 전압을 빼서 캐소드 전압을 산출하는 제4단계; 및
상기 기준셀의 애노드 전압과 상기 측정셀의 애노드 전압을 비교하고, 상기 기준셀의 캐소드 전압과 상기 측정셀의 캐소드 전압을 비교하여 상기 측정셀의 각전극 손상 정도를 판단하는 제5단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀 평가 방법.A first step of connecting a reference cell in a steady state as a reference for evaluation of the measurement cell and hydrogen and air inlet and outlet terminals of the measurement cell, respectively;
A second step of measuring a cell voltage for each current density of the measurement cell and the reference cell;
A third step of measuring an anode voltage of the measurement cell by measuring a voltage between the anode electrode of the reference cell and the anode electrode of the measurement cell for each discharge current density;
A fourth step of calculating a cathode voltage by subtracting an anode voltage measured from a cell voltage of the measurement cell; And
Comprising a fifth step of comparing the anode voltage of the reference cell and the anode voltage of the measurement cell, and comparing the cathode voltage of the reference cell and the cathode voltage of the measurement cell to determine the degree of damage of each electrode of the measurement cell A method for evaluating a fuel cell, characterized in that it was made. 청구항 1에 있어서,
상기 제5단계 이후에는
상기 측정셀의 전극 손상 정도를 데이터로 작성하여 저장하는 제6단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀 평가 방법.The method according to claim 1,
After the fifth step
And a sixth step of preparing and storing the electrode damage degree of the measurement cell as data. 청구항 1에 있어서,
상기 제2단계 및 제3단계에서
상기 측정셀과 상기 기준셀은 동일한 체결력을 갖도록 유지된 상태에서 셀전압 및 애노드 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀 평가 방법.The method according to claim 1,
In the second and third steps
And measuring the cell voltage and the anode voltage while the measuring cell and the reference cell are maintained to have the same clamping force. 청구항 1에 있어서,
상기 제3단계에서
상기 기준셀의 애노드 전극에는 애노드 전압을 측정하기 위한 기준 단자가 구비되며, 상기 측정셀의 애노드 전극에는 애노드 전압을 측정하기 위한 워킹 단자가 구비되어 상기 기준 단자와 상기 워킹 단자 사이의 전압 측정을 통해 상기 측정 셀의 애노드 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀 평가 방법.The method according to claim 1,
In the third step
A reference electrode for measuring an anode voltage is provided at an anode electrode of the reference cell, and a working terminal for measuring an anode voltage is provided at an anode electrode of the measurement cell, by measuring a voltage between the reference terminal and the working terminal. And measuring the anode voltage of the measurement cell.
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