KR20180069940A - Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell - Google Patents

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류창석
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강민수
권순우
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Abstract

Disclosed are a method and a system for estimating hydrogen concentration of a fuel cell anode, which comprises the following steps of: deducing the inner current density of a fuel cell through the exchange current density of the fuel cell and voltage and a current in an OCV state; substituting the inner current density into a pre-stored data map to deduce a gain value of crossover; deducing the number of moles of crossovered nitrogen and steam and the number of moles of purged nitrogen and steam through the gain value of crossover and a pre-stored gain value of purge; and deducing the concentration of hydrogen remaining in an anode using the number of moles of the nitrogen and steam, which are crossovered and purged.

Description

연료전지 애노드의 수소농도 추정방법 및 추정시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING HYDROGEN CONCENTRATION FOR ANODE OF FUELCELL}[0001] METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING HYDROGEN CONCENTRATION FOR ANODE OF FUELCELL [0002]

본 발명은 연료전지의 애노드에 현존하는 수소의 농도를 비교적 정확하게 도출함으로써 연료전지의 내구성을 확보하고 효율을 증대시키는데 도움을 주기 위한 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법 및 추정시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for estimating the concentration of hydrogen in a fuel cell anode and an estimation system for assuring durability of the fuel cell and improving efficiency by deriving the concentration of hydrogen existing in the anode of the fuel cell relatively accurately.

고분자 전해질 연료전지 시스템의 성능은 애노드측 연료인 수소의 농도에 직접적인 영향을 받는다. 수소의 농도가 낮은 경우 연료전지 전류 전압 특성 곡선에서 같은 전류에서의 전압이 낮아지며 농도가 일정 수준 이하가 되면 애노드 채널 출구단 수소가 희박해져 농도 손실에 의해 연료전지 전압이 급격히 감소하는 문제가 발생한다. 이때 역전압에 의한 전극판의 손상이 발생하는 문제가 있다. The performance of the polymer electrolyte fuel cell system is directly influenced by the concentration of hydrogen, which is fuel on the anode side. When the concentration of hydrogen is low, the voltage at the same current in the fuel cell current-voltage characteristic curve is lowered. If the concentration is below a certain level, hydrogen at the outlet of the anode channel becomes lean and the fuel cell voltage is rapidly decreased due to concentration loss . At this time, there is a problem that the electrode plate is damaged by the reverse voltage.

이 문제를 회피하기 위해 수소의 농도를 높여 제어를 하면 효율이 떨어질 수도 있기 때문에 적절한 농도를 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 현재의 수소농도를 정확하게 파악하는 것이 필요한데, 센서에 의한 측정은 원가상승 문제와 응축수의 영향 등으로 정확한 수소 농도 측정이 매우 어렵기 때문에 실질적인 기술 적용이 곤란한 문제점이 있었다.In order to avoid this problem, it is important to maintain an appropriate concentration because the efficiency may be lowered by controlling the hydrogen concentration. Therefore, it is necessary to accurately grasp the current hydrogen concentration. However, since it is very difficult to accurately measure the hydrogen concentration due to the cost rise problem and the influence of the condensed water, it is difficult to apply the practical technology.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KR 10-0972938 B1KR 10-0972938 B1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 애노드에 현존하는 수소의 농도를 비교적 정확하게 도출함으로써 연료전지의 내구성을 확보하고 효율을 증대시키는데 도움을 주기 위한 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법 및 추정시스템을 제공하고자 함이다.The present invention has been proposed in order to solve such a problem, and it is an object of the present invention to provide a method for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode, which helps to ensure the durability of the fuel cell and increase the efficiency by deriving the concentration of hydrogen existing in the anode of the fuel cell relatively accurately. Method and an estimation system.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법은, 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계; 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하는 단계; 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계; 및 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of estimating a hydrogen concentration of a fuel cell anode, the method comprising: deriving an exchange current density of the fuel cell, an internal current density of the fuel cell through a voltage and an electric current in an OCV state; Computing a crossover gain value by substituting the internal current density into a pre-stored data map; Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged through the crossover gain value and the pre-stored fuzzy gain value; And deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor each of which is crossovered and purged.

연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 이상전압, OCV 상태의 실측 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출할 수 있다.In deriving the internal current density of the fuel cell, it is possible to derive the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage of the OCV state, and the measured voltage and current of the OCV state.

연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출할 수 있다.In deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density can be derived from the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 크로스오버 게인값, 몰질량, 전해질막 면적, 애노드와 캐소드의 압력차, 셀 개수, 전해질막 두께를 통하여 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of crossover nitrogen and water vapor and the number of moles of purged nitrogen and water vapor, the crossover gain value, the molar mass, the electrolyte membrane area, the pressure difference between the anode and the cathode, It is possible to derive the number of moles of nitrogen and water vapor, respectively.

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor crossovered can be derived by the following equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 기저장된 퍼지 게인값, 몰질량, 애노드 압력을 통하여 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor purged through the stored stored fuzzy gain value, molar mass, and anode pressure can be derived.

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of crossover nitrogen and water vapor and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor purged through each of the following equations can be derived.

Figure pat00003
Figure pat00003

애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 크로스오버되는 몰수과 퍼지되는 몰수의 차이를 적분하고 초기 몰수를 반영함으로써 애노드에 잔존하는 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the number of moles of nitrogen or water vapor remaining in the anode can be derived by integrating the difference between the number of moles to be crossed over and the number of moles to be purged and reflecting the initial number of moles.

애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the number of moles of nitrogen or water vapor can be derived through the following equation.

Figure pat00004
Figure pat00004

애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출할 수 있다.In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the concentration of hydrogen and water vapor can be derived, and the concentration of hydrogen can be derived therefrom.

애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출할 수 있다.In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the concentration of hydrogen and water vapor can be deduced through the following equation and the concentration of hydrogen can be derived therefrom.

Figure pat00005
Figure pat00005

Figure pat00006
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이를 위한 본 발명의 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템은, 연료전지 온도, 애노드 압력, 캐소드 압력을 도출하는 도출부; 데이터맵과 게인값을 포함하는 필요 데이터를 저장하는 저장부; 및 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하고, 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하며, 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하고, 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 제어부;를 포함한다.To this end, a hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode of the present invention includes: a derivation unit for deriving a fuel cell temperature, an anode pressure, and a cathode pressure; A storage unit for storing necessary data including a data map and a gain value; The internal current density of the fuel cell is derived through the voltage and current of the exchange current density of the fuel cell and the OCV state, the crossover gain value is derived by substituting the internal current density into the pre-stored data map, Based on the pre-stored fuzzy gain values, the number of moles of nitrogen and water vapor crossovered and the number of moles of purged nitrogen and water vapor are derived, and the concentration of hydrogen remaining in the anode is deduced through the number of moles of crossover and purged nitrogen and water vapor, respectively And a controller.

본 발명의 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법 및 추정시스템에 따르면, 연료전지의 애노드에 현존하는 수소의 농도를 비교적 정확하게 도출함으로써 연료전지의 내구성을 확보하고 효율을 증대시키는데 도움을 줄 수 있다.According to the method and system for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell anode of the present invention, the concentration of hydrogen present in the anode of the fuel cell can be derived relatively accurately, thereby assuring the durability and increasing the efficiency of the fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법의 순서도.1 is a configuration diagram of a hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart of a method for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법의 순서도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart of a hydrogen concentration estimation method for a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이 본 발명에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템은 연료전지(100)를 계측하는 애노드 압력센서(120), 캐소드 압력센서(140), 온도센서(180), 전압/전류센서(160) 등의 도출부와 제어부(500) 및 메모리(520)로 구성된다.1, the hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode according to the present invention includes an anode pressure sensor 120 for measuring the fuel cell 100, a cathode pressure sensor 140, a temperature sensor 180, a voltage / 160 and the like, a control unit 500, and a memory 520.

이를 활용한 본 발명에 따른 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법은 도 2에 나타난 것과 같이, 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계(S100); 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하는 단계(S120); 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계(S200,S220); 및 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계(S320);를 포함한다.As shown in FIG. 2, the method of estimating the hydrogen concentration of the fuel cell anode according to the present invention includes deriving the internal current density of the fuel cell through the voltage and current in the OCV state (step S100 ); A step (S120) of deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a pre-stored data map; Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover through the crossover gain value and the pre-stored fuzzy gain value and the number of moles of purge nitrogen and water vapor (S200, S220); And deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor each of which is crossovered and purged (S320).

먼저, 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계(S100)에서는 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 이상전압, OCV 상태의 실측 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출할 수 있다. MEA(막-전극 접합체) 열화에 따른 수소의 크로스오버 양을 보정 하기 위해서 MEA 열화도를 나타내는 파라미터인 내부전류밀도를 이용한다. 내부전류밀도는 애노드의 수소가 이온형태로 MEA를 통과하는 것이 아니라 수소 분자 형태로 캐소드로 넘어가서 직접 반응하는 양을 나타내는 파라미터이다. 그리고 교환전류밀도는 0 전류 상태 즉, 내부적으로 화학반응이 평형인 상태에서 내부에서 일어나는 산화/환원 반응의 정도를 나타낸다. 교환전류밀도가 높을수록 연료전지는 활성도가 높은 것임을 말한다.First, in step S100 of deriving the internal current density of the fuel cell, it is possible to derive the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage of the OCV state, and the actual voltage and current of the OCV state. In order to correct the amount of crossover of hydrogen due to deterioration of the MEA (membrane-electrode assembly), an internal current density, which is a parameter indicating the degree of deterioration of the MEA, is used. The internal current density is a parameter that indicates the amount of hydrogen in the anode reacting directly to the cathode in the form of hydrogen molecules rather than passing through the MEA in ionic form. The exchange current density represents the degree of the oxidation / reduction reaction occurring in the internal state when the internal chemical reaction is in an equilibrium state. The higher the exchange current density, the more active the fuel cell.

구체적으로, 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출할 수 있다.Specifically, in deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density can be derived through the following equation.

Figure pat00007
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상기 수식과 같이, 현재 계측한 연료전지의 OCV 전류와 내부전류밀도를 더하고 이를 교환전류밀도로 나눈 후 루트 값을 취하고 상수를 곱하며 이를 이론상의 OCV전압에서 제거하면 실측된 OCV 상태의 전압이 도출되는 수식을 이용하여 내부전류밀도를 구하는 것이다. 내부전류밀도는 핀홀 등을 통해 유출되는 수소의 양을 대변하기 때문에 연료전지의 열화도를 반영한다고 볼 수 있다. 이론적인 OCV는 수소와 산소의 기체상태 화학에너지에 의해 정해지는 값으로서 1.23V를 예로 들 수 있고, OCV 상태의 실측 전류와 전압은 부하(300)가 최소한도로 연결된 상태에서 계측된 전압과 전류를 의미한다.If the OCV current and the internal current density of the currently measured fuel cell are added and the current value is divided by the exchange current density, the route value is taken and the constant is multiplied. When the OCV voltage is subtracted from the theoretical OCV voltage, To obtain the internal current density. The internal current density reflects the deterioration of the fuel cell because it represents the amount of hydrogen flowing out through the pinhole or the like. The theoretical OCV is a value determined by the gaseous chemical energy of hydrogen and oxygen, for example, 1.23 V, and the measured current and voltage in the OCV state are obtained by measuring the measured voltage and current with the load 300 connected at a minimum it means.

한편, 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하는 단계를 수행한다(S120). 즉, 내부전류 밀도가 증가하면 캐소드의 질소와 수증기의 크로스오버가 증가하여 애노드의 수소 농도를 떨어뜨리게 된다. 따라서, 크로스오버 게인값(Gco)을 고정값이 아니라 내부전류밀도와의 상관관계를 실험을 통해 도출하여 차량에서 내부전류밀도를 실시간으로 계산하여 현재 스택 상태를 반영한 크로스오버 게인값을 구해 수소농도 추정의 정밀도를 높인다. 이에 관한 데이터맵은 표 또는 그래프 또는 함수의 형태로 메모리에 미리 저장해 두는 것이다.Meanwhile, a step of deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a pre-stored data map is performed (S120). That is, as the internal current density increases, the crossover of the nitrogen and water vapor of the cathode increases, thereby lowering the hydrogen concentration of the anode. Therefore, by deriving the correlation between the crossover gain value (Gco) and the internal current density instead of the fixed value, the internal current density in the vehicle is calculated in real time, and the crossover gain value reflecting the current stack state is obtained. Thereby increasing the precision of estimation. The data map is stored in memory in the form of a table, a graph or a function.

그리고, 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계를 수행한다(S200,S220). 캐소드에서 크로스오버로 넘어오는 몰수는 압력과 온도 등에 의해서 결정된다. 여기서 MEA를 통과하기 때문에 MEA의 현재 상태를 나타내는 Gain(Gco)을 곱해서 계산이 된다. MEA의 현재 상태를 나타내는 Gain 파라미터에 의해서 최종 크로스오버로 넘어오는 몰수가 계산되기 때문에 정확도가 높아진다. 이에 반해 고정된 파라미터 값을 사용하는 경우에는 일정 시간이 지나 내구도에 변화가 생기면 크로스오버로 넘어오는 몰수 계산에 오차가 생겨 최종적으로 수소 농도가 많이 틀어지는 현상이 발생해서 수소 농도 계산 값을 사용할 수가 없게 되는 문제가 발생한다.Then, a step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of mols of nitrogen and water vapor purged through the crossover gain value and the pre-stored fuzzy gain value is performed (S200, S220). The number of moles passing from the cathode to the crossover is determined by the pressure and temperature. Since it passes through the MEA, it is calculated by multiplying the current state of the MEA by the Gain (Gco). Gain parameters indicating the current state of the MEA will increase the accuracy because the number of moles passing into the final crossover is calculated. On the other hand, when fixed parameter values are used, if the durability changes after a certain period of time, there is an error in the calculation of the number of moles passing over to the crossover, so that the hydrogen concentration is greatly changed finally, Problems arise.

구체적으로, 크로스오버 되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 크로스오버 게인값, 몰질량, 전해질막 면적, 애노드와 캐소드의 압력차, 셀 개수, 전해질막 두께를 통하여 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.Specifically, in the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of purged nitrogen and water vapor, the crossover gain value, the molar mass, the electrolyte membrane area, the pressure difference between the anode and the cathode, the number of cells, It is possible to derive the number of moles of each of nitrogen and water vapor crossover through.

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor crossovered can be derived by the following equation.

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 수식에서는 크로스오버의 양을 결정하는 게인값이 연료전지의 열화도인 내부전류밀도에 따른 값으로 정확히 반영되기 때문에 연료전지의 내구가 변화되더라도 비교적 정확한 수소 농도의 도출이 가능해지는 것이다.In the above equation, the gain value for determining the amount of crossover is accurately reflected to the value according to the internal current density, which is the deterioration degree of the fuel cell, so that it is possible to derive a relatively accurate hydrogen concentration even if the duration of the fuel cell changes.

한편, 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 기저장된 퍼지 게인값, 몰질량, 애노드 압력을 통하여 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.Meanwhile, in the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor purged through the stored stored fuzzy gain value, molar mass, and anode pressure can be derived.

크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.In the step of deriving the number of moles of crossover nitrogen and water vapor and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of nitrogen and water vapor purged through each of the following equations can be derived.

Figure pat00009
Figure pat00009

그리고, 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계를 수행한다. 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 크로스오버되는 몰수과 퍼지되는 몰수의 차이를 적분하고 초기 몰수를 반영함으로써 애노드에 잔존하는 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다. 구체적으로, 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출할 수 있다.Then, the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the crossover and the number of moles of each nitrogen and water vapor purged is performed. In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the number of moles of nitrogen or water vapor remaining in the anode can be derived by integrating the difference between the number of moles to be crossed over and the number of moles to be purged and reflecting the initial number of moles. Specifically, in the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the number of moles of nitrogen or water vapor can be derived through the following equation.

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 수식과 같이, 애노드의 질소 초기값에 크로스오버로 넘어오는 양을 더하고 퍼지로 빠져나가는 양을 빼서 시간에 따른 적분으로 구할 수가 있다. 애노드에 존재하는 수증기양도 마찬가지로 구할 수 있다. As shown in the above equation, the amount of the crossover added to the anode initial value of the anode is added to subtract the amount of the exhaust gas to the purge, and the integral can be obtained over time. The amount of water vapor present in the anode can also be obtained.

한편, 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 질소와 수증기 각각의 농도를 도출(S300)하고 이를 통해 수소의 농도를 도출할 수 있다. 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출(S320)할 수 있다.On the other hand, in the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the concentration of hydrogen and water vapor can be derived (S300), and the concentration of hydrogen can be derived therefrom. In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the concentration of each of nitrogen and water vapor can be derived through the following equation and the concentration of hydrogen can be derived (S320).

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

즉, 애노드의 수소 농도는 애노드에 주로 존재하는 질소와 수증기의 농도의 합으로 상기 수식에서처럼 구할 수 있다. 여기에서 질소와 수증기 농도는 각각의 몰수를 애노드에 존재하는 전체 몰수로 나눠 구할 수가 있다. 전체 애노드에 존재하는 몰 수는 PV=nRT 식을 이용해서 구한다. That is, the hydrogen concentration of the anode can be obtained as the sum of the concentrations of nitrogen and water vapor, which are mainly present in the anode, as shown in the above equation. Here, the concentration of nitrogen and water vapor can be obtained by dividing each mole number by the total number of moles existing in the anode. The number of moles present in the total anode is determined using the formula PV = nRT.

도출된 애노드 수소량을 통해 수소량이 부족할 경우 연료전지의 내구저하 방지를 위해 수소 공급량을 늘리는 제어(혹은 공기공급량 축소)를 할 것이고, 수소량이 과다할 경우 효율이 저하되는바, 그에 따라 공급 수소량을 줄이는 제어(혹은 공기공급량 증대)를 수행하게 되는 것이다(S400).When the amount of hydrogen is insufficient due to the amount of the anode hydrogen derived, the hydrogen supply amount is increased (or the air supply amount is reduced) in order to prevent the endurance of the fuel cell, and when the hydrogen amount is excessive, the efficiency is lowered. The control for reducing the hydrogen amount (or increasing the air supply amount) is performed (S400).

이러한 도출 방법을 위한 본 발명의 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템은, 연료전지 온도, 애노드 압력, 캐소드 압력을 도출하는 도출부; 데이터맵과 게인값을 포함하는 필요 데이터를 저장하는 저장부(520); 및 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하고, 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하며, 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하고, 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 제어부(500);를 포함한다.The system for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode of the present invention for such a derivation method includes a derivation unit for deriving a fuel cell temperature, an anode pressure, and a cathode pressure; A storage unit 520 for storing necessary data including a data map and a gain value; The internal current density of the fuel cell is derived through the voltage and current of the exchange current density of the fuel cell and the OCV state, the crossover gain value is derived by substituting the internal current density into the pre-stored data map, Based on the pre-stored fuzzy gain values, the number of moles of nitrogen and water vapor crossovered and the number of moles of purged nitrogen and water vapor are derived, and the concentration of hydrogen remaining in the anode is deduced through the number of moles of crossover and purged nitrogen and water vapor, respectively And a control unit (500).

본 발명의 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법 및 추정시스템에 따르면, 연료전지의 애노드에 현존하는 수소의 농도를 비교적 정확하게 도출함으로써 연료전지의 내구성을 확보하고 효율을 증대시키는데 도움을 줄 수 있다.According to the method and system for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell anode of the present invention, the concentration of hydrogen present in the anode of the fuel cell can be derived relatively accurately, thereby assuring the durability and increasing the efficiency of the fuel cell.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

100 : 연료전지 300 : 부하
500 : 제어부100: fuel cell 300: load
500:

Claims (12)

연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계;
내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하는 단계;
크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계; 및
크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계;를 포함하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.Deriving an internal current density of the fuel cell through an exchange current density of the fuel cell and a voltage and an electric current of the OCV state;
Computing a crossover gain value by substituting the internal current density into a pre-stored data map;
Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged through the crossover gain value and the pre-stored fuzzy gain value; And
And deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor each of which is crossovered and purged. 청구항 1에 있어서,
연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 이상전압, OCV 상태의 실측 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the internal current density of the fuel cell derives the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage of the OCV state, and the actual voltage and current of the OCV state. Hydrogen concentration estimation method. 청구항 1에 있어서,
연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
Figure pat00013
The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the internal current density of the fuel cell derives the internal current density through the following equation.
Figure pat00013
 청구항 1에 있어서,
크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 크로스오버 게인값, 몰질량, 전해질막 면적, 애노드와 캐소드의 압력차, 셀 개수, 전해질막 두께를 통하여 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.The method according to claim 1,
In the step of deriving the number of moles of crossover nitrogen and water vapor and the number of moles of purged nitrogen and water vapor, the crossover gain value, the molar mass, the electrolyte membrane area, the pressure difference between the anode and the cathode, Wherein the number of moles of nitrogen and water vapor in the fuel cell anode is derived. 청구항 1에 있어서,
크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
Figure pat00014
The method according to claim 1,
In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged, the number of moles of each of nitrogen and water vapor crossover is derived by the following equation .
Figure pat00014
 청구항 1에 있어서,
크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 기저장된 퍼지 게인값, 몰질량, 애노드 압력을 통하여 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor purged derives the number of moles of nitrogen and water vapor purged through the pre-stored fuzzy gain value, the molar mass, and the anode pressure, A method for estimating the hydrogen concentration of a battery anode. 청구항 1에 있어서,
크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 퍼지되는 질소와 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
Figure pat00015
The method according to claim 1,
Wherein the number of moles of nitrogen and water vapor crossover and the number of moles of purged nitrogen and water vapor are derived, and the number of moles of purged nitrogen and water vapor is derived through the following equation.
Figure pat00015
 청구항 1에 있어서,
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 크로스오버되는 몰수과 퍼지되는 몰수의 차이를 적분하고 초기 몰수를 반영함으로써 애노드에 잔존하는 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.The method according to claim 1,
In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the number of moles of nitrogen or water vapor remaining in the anode is derived by integrating the difference between the number of moles to be crossed over and the number of moles to be purged, Hydrogen concentration estimation method. 청구항 1에 있어서,
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
Figure pat00016
The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode derives the number of moles of nitrogen or water vapor through the following equation.
Figure pat00016
 청구항 1에 있어서,
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode derives the concentration of each of nitrogen and water vapor and derives the concentration of hydrogen through it. 청구항 1에 있어서,
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
Figure pat00017

Figure pat00018
The method according to claim 1,
Wherein the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode derives the concentration of each of nitrogen and water vapor through the following equation to derive the concentration of hydrogen through the following equation.
Figure pat00017

Figure pat00018
 연료전지 온도, 애노드 압력, 캐소드 압력을 도출하는 도출부;
데이터맵과 게인값을 포함하는 필요 데이터를 저장하는 저장부; 및
연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출하고, 내부전류밀도를 기저장된 데이터맵에 대입하여 크로스오버 게인값을 도출하며, 크로스오버 게인값과 기저장된 퍼지 게인값을 통해 크로스오버되는 질소와 수증기의 몰수 및 퍼지되는 질소와 수증기의 몰수를 도출하고, 크로스오버 및 퍼지되는 각각의 질소와 수증기의 몰수를 통해 애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 제어부;를 포함하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정시스템.A derivation unit for deriving a fuel cell temperature, an anode pressure, and a cathode pressure;
A storage unit for storing necessary data including a data map and a gain value; And
The internal current density of the fuel cell is derived from the current density of the fuel cell, the voltage and current of the OCV state, and the internal current density is substituted into the pre-stored data map to derive the crossover gain value. Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor crossover through the stored fuzzy gain value and the number of moles of nitrogen and water vapor purged and deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the mole number of each nitrogen and water vapor being crossovered and purged A hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode, comprising: a control unit;
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100972938B1 (en) 2006-12-13 2010-07-28 주식회사 엘지화학 Method and Apparatus for controlling fuel supplying quantity in fuel cell system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230072817A (en) 2021-11-18 2023-05-25 현대자동차주식회사 Method for distributing power in fuel cell system

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