KR20230138824A - Fuel Cell Durability Evaluation Method - Google Patents

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KR20230138824A
KR20230138824A KR1020220036932A KR20220036932A KR20230138824A KR 20230138824 A KR20230138824 A KR 20230138824A KR 1020220036932 A KR1020220036932 A KR 1020220036932A KR 20220036932 A KR20220036932 A KR 20220036932A KR 20230138824 A KR20230138824 A KR 20230138824A
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김기환
박권필
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한국자동차연구원
순천대학교 산학협력단
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 의하면, 공랭식 고분자 연료전지 스택의 내구성을 평가하는 방법으로서, (a) 정전류를 구동하거나 부하를 변동시키면서, 상기 연료전지 스택의 임피던스가 일정하게 유지되는 것을 확인하는 준비단계; (b) 내구성 평가 준비가 된 상기 연료전지 스택의 내구성을 평가를 위한 정보 획득 단계로서, (b1) 애노드를 통해 연료전지 스택에 수소가 공급되기 시작하며, 연료전지 스택에 개방전압이 발생하는 SU(start-up) 단계; (b2) 연료전지 스택에서 기 설정된 정전류 값이 발생하도록 연료전지 스택을 구동하는 정전류 구동단계; 및 (b3) 상기 애노드를 통한 수소유입이 중단되는 SD(shut-down) 단계를 포함하는 내구성 평가를 위한 정보 획득단계; (c) 상기 (b) 단계에서 내구성 평가를 위한 정보 획득이 완료된 연료전지 스택을 해체하고 단위전지별 성능을 평가하는 단위전지별 분석단계; 및 (d) 상기 (b) 단계에서 획득된 정보를 이용하여 연료전지 스택의 내구성을 평가하고 수명을 연산하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method of evaluating the durability of an air-cooled polymer fuel cell stack includes (a) a preparation step of confirming that the impedance of the fuel cell stack is maintained constant while driving a constant current or changing the load; ; (b) As an information acquisition step for evaluating the durability of the fuel cell stack ready for durability evaluation, (b1) hydrogen begins to be supplied to the fuel cell stack through the anode, and an open circuit voltage is generated in the fuel cell stack. (start-up) stage; (b2) a constant current driving step of driving the fuel cell stack so that a preset constant current value is generated in the fuel cell stack; and (b3) an information acquisition step for durability evaluation, including a SD (shut-down) step in which hydrogen inflow through the anode is stopped; (c) a unit cell analysis step of dismantling the fuel cell stack for which information for durability evaluation has been completed in step (b) and evaluating the performance of each unit cell; and (d) evaluating the durability of the fuel cell stack and calculating its lifespan using the information obtained in step (b).

Description

연료전지 내구성 평가방법{Fuel Cell Durability Evaluation Method}Fuel Cell Durability Evaluation Method}

본 개시는 연료전지 내구성 평가방법에 관한 것으로, 구체적으로는 공랭식 고분자 연료전지 스택(stack)에 특화된 내구성 평가방법에 관한 것이다.This disclosure relates to a fuel cell durability evaluation method, and specifically to a durability evaluation method specialized for air-cooled polymer fuel cell stacks.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section simply provides background information for the present disclosure and does not constitute prior art.

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 전지이다. 연료전지는 효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 배출 물질이 친환경 물질이라는 장점이 있어 현재 많은 분야에서 대체 에너지로서 각광받고 있는 상황이다.A fuel cell is a battery that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxidizer. Fuel cells are currently attracting attention as an alternative energy source in many fields due to their high efficiency, ability to use a variety of fuels, and eco-friendly emissions.

연료전지는 사용되는 연료의 종류에 따라, 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEMFC), 직접메탄올형(DMFC), 고체산화물형(SOFC) 등의 종류가 있다. 이 중에서도 고분자전해질형(PEMFC; proton exchange membrane fuel cells) 전지가 비교적 저온에서 고체 고분자를 사용하면서도 출력전압이 높아 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC는 크게 이송용, 차량용, 가정용 및 건물용인 정치용으로 사용될 수 있다.Depending on the type of fuel used, fuel cells include phosphoric acid type (PAFC), alkaline type (AFC), polymer electrolyte type (PEMFC), direct methanol type (DMFC), and solid oxide type (SOFC). Among these, polymer electrolyte type (PEMFC; proton exchange membrane fuel cells) batteries use solid polymers at relatively low temperatures and have a high output voltage, so research is being actively conducted for commercialization. PEMFC can be largely used for transportation, vehicles, household and building applications.

이송용 PEMFC의 경우, 전력이 1 kW 내외의 소형 스택(stack)을 사용하는 것이 일반적이기에, 수냉(water cooling)이 아닌 공냉(air cooling)방법을 이용하여 PEMFC가 냉각된다.In the case of PEMFC for transport, it is common to use a small stack with a power of about 1 kW, so the PEMFC is cooled using air cooling rather than water cooling.

한편, 공랭식 PEMFC는 개방된 캐소드(cathode) 구조를 가진다. 구체적으로, 캐소드가 대기에 개방되어 있고, 캐소드 측에 부착된 팬(fan)이 공기를 공급한다. 다만, 공랭식 PEMFC스택을 강하게 체결할 수 없어, 외기로부터의 완벽한 실링(sealing)이 어렵다. 이에, 애노드(anode) 내부로 공기가 쉽게 유입되고, 애노드에 수소 및 공기 계면이 형성되어 캐소드 전위가 상승함으로써 전극과 전해질막의 열화가 진행될 수 있다.Meanwhile, air-cooled PEMFC has an open cathode structure. Specifically, the cathode is open to the atmosphere, and a fan attached to the cathode side supplies air. However, the air-cooled PEMFC stack cannot be strongly fastened, making perfect sealing from the outside air difficult. Accordingly, air easily flows into the anode, and a hydrogen-air interface is formed at the anode, which increases the cathode potential, which may lead to deterioration of the electrode and electrolyte membrane.

이로 인해, 공랭식 PEMFC의 경우 정확한 내구성 평가의 중요성이 대두되고 있으나, 그럼에도 공랭식 PEMFC에 관한 연구가 미비하며, 특히 공랭식 PEMFC의 내구성 평가에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. For this reason, the importance of accurate durability evaluation is emerging in the case of air-cooled PEMFC. However, research on air-cooled PEMFC is insufficient, and in particular, there is almost no research on durability evaluation of air-cooled PEMFC.

(특허문헌 1) KR 10-1033888 B1(Patent Document 1) KR 10-1033888 B1

(특허문헌 2) KR 10-2020-0074541 A(Patent Document 2) KR 10-2020-0074541 A

(특허문헌 3) KR 10-2021-0008198 A(Patent Document 3) KR 10-2021-0008198 A

이에, 본 개시는 공랭식 연료전지 스택의 내구성을 객관적으로 평가할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.Accordingly, the purpose of the present disclosure is to provide a method for objectively evaluating the durability of an air-cooled fuel cell stack.

또한, 본 개시는 평가 시간을 단축함으로써, 공랭식 연료전지 스택의 내구성을 빠르게 평가할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.Additionally, the present disclosure aims to provide a method for quickly evaluating the durability of an air-cooled fuel cell stack by shortening the evaluation time.

또한, 본 개시는 공랭식 연료전지 스택의 각 부위별 열화 정도를 평가할 수 있는 방법을 제공하는 데 목적이 있다.Additionally, the present disclosure aims to provide a method for evaluating the degree of deterioration of each part of an air-cooled fuel cell stack.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 공랭식 고분자 연료전지 스택의 내구성을 평가하는 방법으로서, (a) 정전류를 구동하거나 부하를 변동시키면서, 상기 연료전지 스택의 임피던스가 일정하게 유지되는 것을 확인하는 준비단계; (b) 내구성 평가 준비가 된 상기 연료전지 스택의 내구성을 평가를 위한 정보 획득 단계로서, (b1) 애노드를 통해 연료전지 스택에 수소가 공급되기 시작하며, 연료전지 스택에 개방전압이 발생하는 SU(start-up) 단계; (b2) 연료전지 스택에서 기 설정된 정전류 값이 발생하도록 연료전지 스택을 구동하는 정전류 구동단계; 및 (b3) 상기 애노드를 통한 수소유입이 중단되는 SD(shut-down) 단계를 포함하는 내구성 평가를 위한 정보 획득단계; (c) 상기 (b) 단계에서 내구성 평가를 위한 정보 획득이 완료된 연료전지 스택을 해체하고 단위전지별 성능을 평가하는 단위전지별 분석단계; 및 (d) 상기 (b) 단계에서 획득된 정보를 이용하여 연료전지 스택의 내구성을 평가하고 수명을 연산하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method of evaluating the durability of an air-cooled polymer fuel cell stack includes (a) a preparation step of confirming that the impedance of the fuel cell stack is maintained constant while driving a constant current or changing the load; ; (b) As an information acquisition step for evaluating the durability of the fuel cell stack ready for durability evaluation, (b1) hydrogen begins to be supplied to the fuel cell stack through the anode, and an open circuit voltage is generated in the fuel cell stack. (start-up) stage; (b2) a constant current driving step of driving the fuel cell stack so that a preset constant current value is generated in the fuel cell stack; and (b3) an information acquisition step for durability evaluation, including a SD (shut-down) step in which hydrogen inflow through the anode is stopped; (c) a unit cell analysis step of dismantling the fuel cell stack for which information for durability evaluation has been completed in step (b) and evaluating the performance of each unit cell; and (d) evaluating the durability of the fuel cell stack and calculating its lifespan using the information obtained in step (b).

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (b1) 단계는, 10초 내지 50초 동안 수행되고, 상기 (b2) 단계에서 상기 기 설정된 정전류는 100 mA/cm2 내지 600 mA/cm2 이며, 상기 (b2) 단계는 180초 내지 420초 동안 수행되고, 상기 (b3) 단계는 연료전지 스택의 단위전지 당 출력전압이 0.1 V 내지 0.2 V 일 때까지 상기 애노드로의 수소 유입을 중단하는 단계를 포함한다.Also, preferably, step (b1) of the present disclosure is performed for 10 to 50 seconds, and the preset constant current in step (b2) is 100 mA/cm 2 to 600 mA/cm 2 , Step (b2) is performed for 180 to 420 seconds, and step (b3) includes stopping the inflow of hydrogen into the anode until the output voltage per unit cell of the fuel cell stack is 0.1 V to 0.2 V. do.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (b) 단계는, (b4) 상기 (b1) 내지 (b3) 단계를 한 사이클로 하여 각 사이클을 다수 회 반복하되 n 번의 사이클마다 연료전지 스택의 I(전류)-V(출력전압) 및 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 연료전지 스택의 성능 감소 속도를 연산하는 성능 감소 속도 연산단계 - n은 자연수 -; (b5) 상기 성능 감소 속도가 증가하는 것으로 판단되면, 각 사이클을 다수 회 반복하되 m 번의 사이클마다 연료전지 스택의 I-V 및 임피던스를 측정하는 단계 - m은 n 이하의 자연수 -; 및 (b6) 상기 (b5) 단계에서 마지막에 측정된 출력전압이 상기 (b4) 단계에서 최초에 측정된 출력전압에 비해 기 설정된 일정 비율 이하인 경우 내구성 평가를 위한 정보 획득 단계를 종료하는 단계를 더 포함한다.In addition, preferably, step (b) of the present disclosure includes (b4) steps (b1) to (b3) as one cycle, and each cycle is repeated multiple times, and the I (current) of the fuel cell stack is adjusted every n cycles. ) - Performance reduction rate calculation step of measuring V (output voltage) and impedance and using this to calculate the performance reduction rate of the fuel cell stack - n is a natural number -; (b5) If it is determined that the rate of performance decline is increasing, repeating each cycle multiple times and measuring the I-V and impedance of the fuel cell stack for each m cycle, where m is a natural number less than or equal to n; and (b6) terminating the information acquisition step for durability evaluation when the output voltage last measured in step (b5) is less than a preset certain ratio compared to the output voltage initially measured in step (b4). Includes.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (b4) 단계에서, n은 100이고, 상기 (b5) 단계에서, m은 30 내지 50이고, 상기 (b6) 단계에서, 상기 기 설정된 일정 비율은, 30 % 내지 50 % 이다.Also, preferably, in step (b4) of the present disclosure, n is 100, in step (b5), m is 30 to 50, and in step (b6), the preset constant ratio is 30. % to 50%.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (c) 단계는, (c1) 연료전지 스택을 2개 내지 3개의 단위전지로 등분하는 단계; (c2) 상기 (b1) 내지 (b3) 단계를 반복하면서, 등분된 상기 연료전지 스택의 단위전지별 I-V, 임피던스, CV(cyclic voltammetry) 및 LSV(linear sweep voltammetry)를 측정하는 단계; (c3) 측정된 상기 단위전지별 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 기 설정된 방법을 이용하여 각 단위전지의 성능을 평가하는 단계; (c4) 등분된 상기 연료전지 스택의 단위전지들의 단면을 이용하여 전극의 두께 및 막의 두께를 확인하는 단계; 및 (c5) 확인된 상기 단위전지별 전극의 두께 및 막의 두께를 비교함으로써, 각 단위전지별 열화정도를 평가하는 단계를 포함한다.Also, preferably, step (c) of the present disclosure includes: (c1) dividing the fuel cell stack into 2 to 3 unit cells; (c2) repeating steps (b1) to (b3) and measuring I-V, impedance, cyclic voltammetry (CV), and linear sweep voltammetry (LSV) for each unit cell of the divided fuel cell stack; (c3) evaluating the performance of each unit cell using the measured I-V, impedance, CV, and LSV for each unit cell using a preset method; (c4) confirming the thickness of the electrode and the thickness of the film using the cross-sections of the unit cells of the fuel cell stack divided into equal parts; and (c5) evaluating the degree of deterioration for each unit cell by comparing the thickness of the electrode and the thickness of the film for each confirmed unit cell.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (c1) 단계에서, 연료전지 스택을 수소 유입측 단위전지 및 수소 유출측 단위전지로 2등분하거나, 또는 연료전지 스택을 수소 유입측 단위전지, 중앙 단위전지 및 수소 유출측 단위전지로 3등분한다.Also, preferably, in step (c1) of the present disclosure, the fuel cell stack is divided into two parts: a hydrogen inflow side unit cell and a hydrogen outflow side unit cell, or the fuel cell stack is divided into a hydrogen inflow side unit cell and a central unit cell. and the unit cell on the hydrogen outflow side are divided into three parts.

또한, 바람직하게는, 본 개시 다른 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 (b4) 내지 (b5) 단계까지 반복된 총 사이클의 횟수와, 기 설정된 기준횟수를 비교함으로써, 연료전지 스택의 내구성을 평가하는 내구성 평가 단계; 및 (d2) 상기 (b4) 내지 (b5) 단계까지 반복된 총 사이클의 횟수에, 상기 연료전지 스택이 사용되는 기기의 평균 운전시간을 곱합으로써 연료전지 스택의 수명을 연산하는 단계를 포함한다.Also, preferably, according to another embodiment of the present disclosure, step (d) is performed by comparing (d1) the total number of cycles repeated from steps (b4) to (b5) with a preset reference number, A durability evaluation step to evaluate the durability of the fuel cell stack; and (d2) calculating the lifespan of the fuel cell stack by multiplying the total number of cycles repeated from steps (b4) to (b5) by the average operating time of the device in which the fuel cell stack is used.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 공랭식 연료전지 스택의 내구성 평가방법은, 공랭식 연료전지의 종류와 무관하게 동일한 방법을 적용함으로써, 객관적으로 연료전지 스택의 내구성을 평가할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to this embodiment, the durability evaluation method of the air-cooled fuel cell stack is effective in objectively evaluating the durability of the fuel cell stack by applying the same method regardless of the type of air-cooled fuel cell.

또한, 본 개시에 따른 공랭식 연료전지 스택의 내구성 평가방법은, 정전류 구동단계의 시간을 조절하여 전체 내구성 평가방법 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.In addition, the durability evaluation method of an air-cooled fuel cell stack according to the present disclosure has the effect of shortening the overall durability evaluation method time by adjusting the time of the constant current driving step.

또한, 본 개시에 따른 공랭식 연료전지 스택의 내구성 평가방법은, 단위전지별 분석단계를 포함함으로써 연료전지 스택의 각 부위별 열화를 확인할 수 있어, 효율적인 관리 방법을 도모할 수 있다는 효과가 있다. In addition, the method for evaluating the durability of an air-cooled fuel cell stack according to the present disclosure has the effect of being able to confirm deterioration in each part of the fuel cell stack by including an analysis step for each unit cell, thereby promoting an efficient management method.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 평가하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 개념도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 내구성 평가방법의 순서도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 준비단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가를 위한 정보 획득단계에서의 I-V 곡선의 예시이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가를 위한 정보 획득단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위전지별 분석단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가 및 수명 연산단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.Figure 1 shows an apparatus for evaluating a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 2 is a conceptual diagram of a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 3 is a flowchart of a method for evaluating the durability of a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 4 shows a specific sequence of preparation steps according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 5 is an example of an IV curve in the information acquisition step for durability evaluation according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 6 shows a specific sequence of information acquisition steps for durability evaluation according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 7 shows a specific sequence of analysis steps for each unit cell according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 8 shows a specific sequence of durability evaluation and lifespan calculation steps according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference signs to components in each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the components of the embodiment according to the present disclosure, symbols such as first, second, i), ii), a), and b) may be used. These codes are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the code. In the specification, when a part is said to 'include' or 'have' a certain element, this means that it does not exclude other elements, but may further include other elements, unless explicitly stated to the contrary. .

본 개시에서, 각 순서도는 시계열적으로 순서를 갖고 수행되는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되지 아니한다. 예컨대, 각 순서도에 따른 복수의 단계는, 동시에 수행될 수도 있음에 유의하여야 한다.In the present disclosure, each flowchart is shown as being performed in a time-series order, but is not necessarily limited thereto. For example, it should be noted that multiple steps according to each flowchart may be performed simultaneously.

연료전지 스택의 평가장치Fuel cell stack evaluation device

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 평가하기 위한 장치를 나타낸 것이다. 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 개념도이다.Figure 1 shows an apparatus for evaluating a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure. Figure 2 is a conceptual diagram of a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure.

도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택(1)을 평가하기 위한 장치는, 연료전지 스택(1), 솔레노이드 밸브(2), 전력계(3) 및 부하(4)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an apparatus for evaluating a fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present disclosure includes a fuel cell stack 1, a solenoid valve 2, a power meter 3, and a load 4. Includes.

연료전지 스택(1)은 복수의 셀로 구성되며, 본 개시에서는 13개의 셀로 구성된 것을 가정하여 설명한다(도 2 참조). 하나의 셀(single cell)은, 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 애노드와 캐소드의 사이에 배치되는 멤브레인(membrane)을 포함한다. 복수개의 셀이 직렬로 배치됨으로써, 하나의 연료전지 스택(1)을 구성한다.The fuel cell stack 1 is composed of a plurality of cells, and in this disclosure, it is described assuming that it is composed of 13 cells (see FIG. 2). One cell (single cell) includes an anode, a cathode, and a membrane disposed between the anode and the cathode. A plurality of cells are arranged in series to form one fuel cell stack (1).

한편, 애노드 측으로 수소가 유입되면서, 셀 내부에서 산화·환원 반응에 의해 전류가 발생한다. 발생한 전류로 인해, 연료전지 스택(1)에 부착된 팬(fan)이 구동되고, 이로 인해, 캐소드 측으로 외기가 유입되면서 연료전지 스택(1)에서 발생하는 열이 방열될 수 있다. Meanwhile, as hydrogen flows into the anode, current is generated by oxidation/reduction reactions inside the cell. Due to the generated current, a fan attached to the fuel cell stack 1 is driven, and as a result, external air flows into the cathode and heat generated in the fuel cell stack 1 can be dissipated.

솔레노이드 밸브(2)는, 수소가 유동하는 유동관 상에 배치되며, 유동관의 개폐를 조절하도록 구성된다.The solenoid valve 2 is disposed on the flow pipe through which hydrogen flows and is configured to control the opening and closing of the flow pipe.

전력계(3)는, 애노드와 캐소드를 연결하는 도선 상에 배치되고, 연료전지 스택(1)에 의해 발생하는 전력을 측정하도록 형성된다.The power meter 3 is disposed on a conductor connecting the anode and the cathode and is configured to measure the power generated by the fuel cell stack 1.

부하(4)는, 애노드와 캐소드를 연결하는 도선 상에 배치되고, 도선 상에 부하를 형성하도록 구성된다. 이때, 바람직하게는 부하(4)는 가변저항일 수 있다.The load 4 is disposed on a conductor connecting the anode and the cathode and is configured to form a load on the conductor. At this time, the load 4 may preferably be a variable resistor.

이하에서는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 평가장치를 이용한 연료전지 스택(1)의 내구성 평가방법을 설명한다. Below, a method for evaluating the durability of the fuel cell stack 1 using a fuel cell stack evaluation device according to an embodiment of the present disclosure will be described.

연료전지 스택의 평가방법Evaluation method of fuel cell stack

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 내구성 평가방법의 순서도이다.Figure 3 is a flowchart of a method for evaluating the durability of a fuel cell stack according to an embodiment of the present disclosure.

도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 연료전지 스택(1)의 내구성 평가방법은, 준비단계(S300), 내구성 평가를 위한 정보 획득단계(S310), 단위전지별 분석단계(S320) 및 내구성 평가 및 수명 연산단계(S330)의 전부 또는 일부를 포함한다.Referring to FIG. 3, the durability evaluation method of the fuel cell stack 1 according to the present disclosure includes a preparation step (S300), an information acquisition step for durability evaluation (S310), an analysis step for each unit cell (S320), and durability evaluation. and all or part of the life calculation step (S330).

준비단계(S300)에서는, 연료전지 스택(1)이 활성화된다. 연료전지 스택(1)은 장기간 보관에 따라 멤브레인이 건조되고, 촉매의 산화에 따라 성능이 감소될 수 있다. 준비단계에서는, 이러한 성능 감소를 어느 정도 회복시키고, 정확한 내구성 평가가 가능하도록 연료전지 스택(1)에서 정전류(constant current)가 발생하도록 연료전지 스택(1)이 구동되는 단계이다. 관련하여, 도 4 내지 도 5에서 상세히 설명하도록 한다.In the preparation step (S300), the fuel cell stack 1 is activated. When the fuel cell stack 1 is stored for a long period of time, the membrane dries and the performance may decrease due to oxidation of the catalyst. In the preparation stage, the fuel cell stack 1 is driven to generate a constant current in the fuel cell stack 1 to recover this decrease in performance to some extent and enable accurate durability evaluation. In relation to this, it will be described in detail in FIGS. 4 to 5.

또한, 내구성 평가를 위한 정보 획득단계(S310)에서는, 준비단계(S300)를 통해 내구성 평가 준비가 된 연료전지 스택(1)의 내구성이 평가를 위한 정보가 획득된다. 구체적으로 내구성 평가를 위한 정보 획득단계(S310)는, SU(start-up) 단계, 정전류 구동단계 및 SD(shut-down) 단계를 포함한다. 관련하여, 도 6에서 상세히 설명하도록 한다. Additionally, in the information acquisition step for durability evaluation (S310), information for evaluating the durability of the fuel cell stack 1 that is ready for durability evaluation through the preparation step (S300) is obtained. Specifically, the information acquisition step for durability evaluation (S310) includes a start-up (SU) step, a constant current driving step, and a shut-down (SD) step. In relation to this, it will be described in detail in FIG. 6.

또한, 단위전지별 분석단계(S320)에서는, 내구성 구동단계에 의해 내구성이 측정된 연료전지 스택(1)을 2등분 또는 3등분하여 로 분리한다. 이를 통해, 연료전지 스택(1)의 각 섹션(section) 별로 내구성 감소 정도 및 열화 정도를 파악할 수 있다는 장점이 있다. 이로써, 연료전지 스택(1)의 효율적인 관리방법을 도모할 수 있다는 효과가 있다. 관련하여, 도 7에서 상세히 설명하도록 한다.Additionally, in the analysis step for each unit cell (S320), the fuel cell stack 1, whose durability has been measured in the durability driving step, is divided into two or three equal parts. Through this, there is an advantage of being able to determine the degree of durability reduction and deterioration for each section of the fuel cell stack 1. This has the effect of promoting an efficient management method for the fuel cell stack 1. In relation to this, it will be described in detail in FIG. 7.

또한, 내구성 평가 및 수명 연산단계(S330)에서는, 연료전지 스택(1)의 내구성을 기 설정된 기준과 비교함으로써 상대적인 내구성을 확인할 수 있다. 또한, S310 단계에서 연산된 사이클의 횟수 및 사이클 평균 시간을 곱함으로써, 연료전지 스택(1)의 수명을 알 수 있다. 관련하여, 도 8에서 상세히 설명한다.Additionally, in the durability evaluation and life calculation step (S330), the relative durability of the fuel cell stack 1 can be confirmed by comparing the durability of the fuel cell stack 1 with a preset standard. Additionally, the lifespan of the fuel cell stack 1 can be known by multiplying the number of cycles and the average cycle time calculated in step S310. In relation to this, it is explained in detail in FIG. 8.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 준비단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다. Figure 4 shows a specific sequence of preparation steps according to an embodiment of the present disclosure.

도 4를 참조하여, 본 개시의 준비단계(S300)의 상세한 단계를 설명한다.Referring to FIG. 4, the detailed steps of the preparation step (S300) of the present disclosure will be described.

(a1) 연료전지 스택을 정전류로 구동하거나 부하(4)를 변동시키는 단계를 포함한다(S400). 연료전지 스택을 정전류로 구동함으로써 연료전지 스택(1)의 셀의 내부에서 산화, 환원 반응이 진행되고 이로 인해, 연료전지 스택(1)이 활성화 될 수 있다. (a1) Drive the fuel cell stack with constant current or It includes the step of varying the load 4 (S400). By driving the fuel cell stack with a constant current, oxidation and reduction reactions proceed inside the cells of the fuel cell stack 1, and as a result, the fuel cell stack 1 can be activated.

한편, 상기한 S400의 과정은, 상온 및 상대습도 40% 내지 80%의 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.Meanwhile, the above-described S400 process is preferably performed under conditions of room temperature and relative humidity of 40% to 80%.

정전류 구동 또는 부하(4)의 변동과정 중에, (a2) 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스(impedance)가 측정된다(S410). During constant current driving or the process of changing the load 4 (a2), the I-V and impedance of the fuel cell stack 1 are measured (S410).

(a3) 측정되는 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스는 모니터링되다가, 기 설정된 시간동안 임피던스가 일정한 값을 유지하는 것으로 확인되면, 연료전지 스택(1)은 안정화된 것으로 판단되고, 준비단계는 종료된다(S420). (a3) The I-V and impedance of the measured fuel cell stack 1 are monitored, and if the impedance is confirmed to maintain a constant value for a preset time, the fuel cell stack 1 is judged to be stabilized, and the preparation step is performed. It ends (S420).

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가를 위한 정보 획득단계에서의 I-V 곡선의 예시이다. 도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가를 위한 정보 획득단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.Figure 5 is an example of an I-V curve in the information acquisition step for durability evaluation according to an embodiment of the present disclosure. Figure 6 shows a specific sequence of information acquisition steps for durability evaluation according to an embodiment of the present disclosure.

도 5 및 도 6을 참조하여, 본 개시의 내구성 평가를 위한 정보 획득단계(S310)를 상세히 설명한다. With reference to FIGS. 5 and 6, the information acquisition step (S310) for durability evaluation of the present disclosure will be described in detail.

한편, 도 5의 그래프는, 가로축이 시간(초)을 나타내며, 세로축이 전압(V)을 나타낸다. 또한, 도 5에 따른 그래프는, 도 2에서의 13개의 셀로 이루어진 연료전지 스택(1)을 25 ℃ 하에서 구동한 실험 결과를 나타낸 것이다. Meanwhile, in the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents voltage (V). Additionally, the graph in FIG. 5 shows the results of an experiment in which the fuel cell stack 1 consisting of 13 cells in FIG. 2 was driven at 25°C.

내구성 평가를 위한 정보 획득단계는, (b1) SU 단계, (b2) 정전류 구동단계 및 (b3) SD 단계를 포함한다. 이하에서, (b1) 내지 (b3)의 단계를 한 사이클(cycle)라 정의한다. 한 사이클에서의 전압 및 전류 변화가 도 5의 I-V 곡선으로 표시되었다. 이하에서, 각 단계에 대해 상세히 설명한다.The information acquisition step for durability evaluation includes (b1) SU step, (b2) constant current driving step, and (b3) SD step. Hereinafter, steps (b1) to (b3) are defined as one cycle. The voltage and current changes in one cycle are displayed as I-V curves in Figure 5. Below, each step is described in detail.

(b1) 애노드를 통해 연료전지 스택(1)에 수소가 공급되기 시작한다. 도 2에서 구체적으로 도시되어 있지는 아니하나, 연료전지 스택(1)에 산소가 공급되면서, 연료전지 스택(1)의 내부에서 산화·환원 반응이 발생한다. 이로 인해, 연료전지 스택(1)에 의해 연료전지 스택(1)에 연결된 도선에 전류가 흐른다. (b1) Hydrogen begins to be supplied to the fuel cell stack (1) through the anode. Although not specifically shown in FIG. 2, as oxygen is supplied to the fuel cell stack 1, oxidation/reduction reactions occur inside the fuel cell stack 1. Because of this, current flows through the fuel cell stack 1 to the conductor connected to the fuel cell stack 1.

이때, 연료전지 스택(1)에 의해 개방전압(OCV, open circuit voltage) 또는 연결된 도선에 흐르는 전류가 저항 또는 팬을 통과하면서 전압이 발생한다(S600). At this time, the fuel cell stack 1 generates an open circuit voltage (OCV) or a voltage as the current flowing in the connected conductor passes through the resistor or the fan (S600).

S600 단계, 즉, SU 단계는 도 5의 그래프에서 ① 내지 ② 과정에 해당한다. 도 5를 참조하면, SU 단계에서, 연료전지 스택(1)에 의해 발생하는 전압은 일정함을 알 수 있다. SU 단계는 스택에 수소가 유입되고 전압이 형성되는 단계로 스택의 전압이 안정되는 시간을 기준으로 한다. 도 5에 따르면 SU 단계는 30초 동안 진행되는 것을 알 수 있다. Step S600, that is, step SU, corresponds to processes ① to ② in the graph of FIG. 5. Referring to FIG. 5, it can be seen that in the SU stage, the voltage generated by the fuel cell stack 1 is constant. The SU stage is the stage in which hydrogen flows into the stack and voltage is formed, and is based on the time when the voltage of the stack stabilizes. According to Figure 5, it can be seen that the SU step lasts for 30 seconds.

(b2) SU 단계 이후에, 연료전지 스택(1)에서 기 설정된 정전류 값이 발생하도록 연료전지 스택(1)이 구동되는 정전류 구동단계가 수행된다(S610). (b2) After the SU step, a constant current driving step is performed in which the fuel cell stack 1 is driven so that a preset constant current value is generated in the fuel cell stack 1 (S610).

S610 단계, 즉, 정전류 구동단계는 도 5의 그래프 ③ 내지 ④ 과정에 해당한다. 도 5를 참조하면, 정전류 구동단계에서, 연료전지 스택(1)에 의해 발생하는 전압은 일정 전압구간 내(본 예시에서는 약 8V 내지 10V)의 범위인 것을 알 수 있다. 한편, 정전류 구동단계가 지속되는 시간은 180초 내지 420초인 것이 바람직하며, 도 5에 따르면 정전류 구동단계는 270초 동안 진행되는 것을 알 수 있다. 또한, 발생하는 정전류는 100 내지 600 mA/cm2의 전류밀도범위인 것이 바람직하다. Step S610, that is, the constant current driving step, corresponds to processes ③ to ④ in the graph of FIG. 5. Referring to FIG. 5, it can be seen that in the constant current driving stage, the voltage generated by the fuel cell stack 1 is within a certain voltage range (about 8V to 10V in this example). Meanwhile, the duration of the constant current driving step is preferably 180 to 420 seconds, and according to FIG. 5, it can be seen that the constant current driving step lasts for 270 seconds. Additionally, the constant current generated is preferably in the current density range of 100 to 600 mA/cm 2 .

한편, 내구성 평가를 위한 정보 획득단계에 따른 전체 시간을 단축시키기 위해서는 짧은 시간을 택하는 것이 바람직하다. Meanwhile, in order to shorten the overall time required for the information acquisition step for durability evaluation, it is desirable to select a short time.

(b3) 정전류 구동단계 이후에, 애노드를 통해 공급되는 수소 유입이 중단된다(S620). 이하에서, 해당 단계를 SD 단계라고 지칭한다. SD 단계에서 수소 공급이 중단됨에 따라, 산화·환원 반응이 중단되고, 애노드의 수소가 소모되면서 전압이 감소한다. 이때, 셀당 전압이 일정 기준이 될 때까지 SD 단계가 유지된다. 여기서, 일정 기준은 0.1 V 내지 0.2 V인 것이 바람직하다. SD 단계는 연료전지 스택 내부에 잔류하는 수소가 소모되어 전압이 감소하고 시스템의 2차전지가 충전되는 단계로 볼 수 있다. 따라서 SD 시간은 스택의 전압이 일정기준까지 충분히 감소하는 시간을 기준으로 한다.(b3) After the constant current driving step, the inflow of hydrogen supplied through the anode is stopped (S620). Hereinafter, this stage is referred to as the SD stage. As the hydrogen supply is stopped in the SD stage, the oxidation/reduction reaction stops, the hydrogen at the anode is consumed, and the voltage decreases. At this time, the SD stage is maintained until the voltage per cell reaches a certain standard. Here, it is preferable that the certain standard is 0.1 V to 0.2 V. The SD stage can be viewed as a stage in which the hydrogen remaining inside the fuel cell stack is consumed, the voltage decreases, and the secondary battery of the system is charged. Therefore, the SD time is based on the time for the voltage of the stack to sufficiently decrease to a certain standard.

(b4) (b1) 내지 (b3) 단계를 한 사이클로 하여, 총 n회의 사이클이 반복될 때마다 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 연료전지 스택(1)의 성능 감소 속도를 연산한다(S630).(b4) Steps (b1) to (b3) are counted as one cycle, and the I-V and impedance of the fuel cell stack (1) are measured every time a total of n cycles are repeated, and the performance of the fuel cell stack (1) is measured using this. Calculate the reduction speed (S630).

n회는 이론적으로 또는 실험적으로 도출되는 성능이 저하되는 최소 사이클 반복 횟수이다. 도 2 및 도 5에 따른 실험예에서는, (b1) 내지 (b3) 까지의 사이클이 총 100회 반복되었다. 즉, 사이클 100회에 한 번씩 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스가 측정된다.n times is the minimum number of cycle repetitions at which performance deteriorates, which is derived theoretically or experimentally. In the experimental examples according to FIGS. 2 and 5, cycles (b1) to (b3) were repeated a total of 100 times. That is, the I-V and impedance of the fuel cell stack 1 are measured once every 100 cycles.

(b5) 연료전지 스택(1)의 측정 성능 감소속도가 증가하는 것으로 판단되면, 총 m회의 사이클이 반복될 때마다 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스를 측정한다(S640). 이때, m은 n 보다 작은 자연수에 해당한다.(b5) If it is determined that the rate of decline in the measurement performance of the fuel cell stack 1 is increasing, the I-V and impedance of the fuel cell stack 1 are measured every time a total of m cycles are repeated (S640). At this time, m corresponds to a natural number smaller than n.

도 2 및 도 5에 따른 실험예에서는, (b1) 내지 (b3) 까지의 사이클이 총 30회 내지 50회 반복되었다. 즉, 사이클 30회 내지 50회에 한 번씩 연료전지 스택(1)의 I-V 및 임피던스가 측정된다. In the experimental examples according to FIGS. 2 and 5, cycles (b1) to (b3) were repeated a total of 30 to 50 times. That is, the I-V and impedance of the fuel cell stack 1 are measured once every 30 to 50 cycles.

이렇듯, 본 개시에 따른 방법에서는, (b4) 단계에서 보다 (b5) 단계에서 더 잦은 I-V 및 임피던스 측정을 통해, 연료전지 스택(1)의 열화에 따른 I-V 특성 변화를 고려할 수 있다는 효과가 있다.As such, the method according to the present disclosure has the effect of being able to consider changes in I-V characteristics due to deterioration of the fuel cell stack 1 through more frequent I-V and impedance measurements in step (b5) than in step (b4).

(b6) (b5) 단계에서 측정되는 연료전지 스택(1)의 출력전압이 초기 출력전압에 비해 기 설정된 비율 이하인 것으로 측정되는 경우, 내구성 평가 단계가 종료된다(S650).(b6) If the output voltage of the fuel cell stack 1 measured in step (b5) is measured to be less than or equal to a preset ratio compared to the initial output voltage, the durability evaluation step ends (S650).

여기서 초기 출력전압은, (b4) 단계에서 측정 초기에 확인되는 전압, 바람직하게는 최초의 출력전압을 의미한다. 또한, 기 설정된 비율은 바람직하게는 30 % 내지 50 % 이다. Here, the initial output voltage refers to the voltage confirmed at the beginning of measurement in step (b4), preferably the first output voltage. Additionally, the preset ratio is preferably 30% to 50%.

한편, 연료전지 스택(1)의 각 셀에서의 전압을 측정하는 경우라면, 각 셀에서의 SU 단계, 정전류 구동단계 및 SD 단계에서의 I-V를 측정할 수 있고, 각 구간에서의 전압변화로부터 각 셀들의 성능 감소를 확인할 수 있다.Meanwhile, in the case of measuring the voltage in each cell of the fuel cell stack 1, I-V in the SU stage, constant current drive stage, and SD stage in each cell can be measured, and each cell can be measured from the voltage change in each section. You can see a decrease in the performance of cells.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 단위전지별 분석단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다. Figure 7 shows a specific sequence of analysis steps for each unit cell according to an embodiment of the present disclosure.

도 7을 참조하여, 본 개시에 따른 단위전지별 분석단계(S320)의 상세단계를 설명한다. With reference to FIG. 7, the detailed steps of the analysis step (S320) for each unit cell according to the present disclosure will be described.

(c1) 연료전지 스택(1)이 복수개의 단위전지로 등분된다. 구체적으로, 연료전지 스택(1)이 2등분 또는 3등분되어, 2개 또는 3개의 단위전지로 구분된다(S700). 이때, 막전극접합체(MEA, membrane-electrode assembly)를 등분하게 된다. 예컨대, 도 2에서의 연료전지 스택(1)은 MEA가 13개가 수직방향으로 적층된 것인데, 연료전지 스택(1)이 적층된 방향과 평행하게 등분된다.(c1) The fuel cell stack 1 is divided into a plurality of unit cells. Specifically, the fuel cell stack 1 is divided into two or three parts and divided into two or three unit cells (S700). At this time, the membrane-electrode assembly (MEA) is divided into equal parts. For example, the fuel cell stack 1 in FIG. 2 is composed of 13 MEAs stacked vertically, and is divided into equal parts parallel to the direction in which the fuel cell stack 1 is stacked.

한편, 연료전지 스택(1)이 2등분 되는 경우, 수소유입 MEA와 수소유출 MEA로 구분된다. 또한, 연료전지 스택(1)이 3등분 되는 경우, 수소유입 MEA, 중앙 MEA 및 수소유출 MEA로 구분된다. Meanwhile, when the fuel cell stack 1 is divided into two, it is divided into a hydrogen inflow MEA and a hydrogen outflow MEA. Additionally, when the fuel cell stack 1 is divided into three parts, it is divided into a hydrogen inflow MEA, a central MEA, and a hydrogen outflow MEA.

바람직하게는 단위전지별 분석단계는, 40 ℃ 내지 70 ℃, 상대습도 40 % 내지 100 % 조건 하에서 수행된다. Preferably, the analysis step for each unit cell is performed under conditions of 40°C to 70°C and relative humidity of 40% to 100%.

(c2) 구분된 수소유입 MEA와 수소유출 MEA 각각에 S600 내지 S620 단계를 반복하면서, 각 단위전지의 I-V, 임피던스, CV(cyclic voltammetry) 및 LSV(linear sweep voltammetry)의 전부 또는 일부가 측정된다(S710). (c2) While repeating steps S600 to S620 for each of the separated hydrogen inflow MEA and hydrogen outflow MEA, all or part of the I-V, impedance, CV (cyclic voltammetry), and LSV (linear sweep voltammetry) of each unit cell are measured ( S710).

이때, 바람직하게는, CV 측정 시, 전기화학적 표면적(Electrochemical Surface Area, ECSA)은 Potentiostat(Solatron, SI 1287)을 이용한다. 또한, 바람직하게는, LSV 측정 시, 수소투과전류밀도(hydrogen crossover current density)와 단락저항(short resistance)는 Potentiostat을 이용하여 측정된다. At this time, preferably, when measuring CV, the electrochemical surface area (ECSA) is measured using a Potentiostat (Solatron, SI 1287). Also, preferably, when measuring LSV, hydrogen crossover current density and short resistance are measured using a potentiostat.

(c3) 측정된 각 단위전지의 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 기 설정된 방법을 이용하여 각 단위전지의 성능이 평가된다(S720). (c3) The performance of each unit cell is evaluated using the measured I-V, impedance, CV, and LSV of each unit cell using a preset method (S720).

예컨대, 동일한 시험환경에서, 동일한 I에 대해 각 단위전지 별로 상이한 V가 측정되는 경우, 높은 V가 측정되는 단위전지가, 더 우수한 성능을 갖는 것으로 평가될 수 있다. 또한, 동일한 I에서 각 단위전지 별로 상이한 임피던스가 측정되는 경우, 낮은 임피던스가 측정되는 단위전지가 더 우수한 성능을 갖는 것으로 평가될 수 있다. 또한, CV 분석을 통해, 각 단위전지 별 전극 표면에서의 열화 속도를 판단할 수 있다. For example, in the same test environment, when different V is measured for each unit cell for the same I, the unit cell with a higher V measured may be evaluated as having better performance. Additionally, when different impedances are measured for each unit cell at the same I, the unit cell with a lower impedance measured may be evaluated as having better performance. Additionally, through CV analysis, the deterioration rate on the electrode surface of each unit cell can be determined.

즉, 단위전지별 I, V, 임피던스, CV 및 LSV를 측정함으로써, 단위전지별 전기화학적 특성, 안정성 및 효율까지 모두 확인할 수 있어, 더 정확한 분석이 가능하다는 장점이 있다.In other words, by measuring I, V, impedance, CV, and LSV for each unit cell, the electrochemical properties, stability, and efficiency of each unit cell can all be confirmed, which has the advantage of enabling more accurate analysis.

(c4) 등분된 연료전지 스택(1)의 단위전지의 단면이 촬영되며, 전극의 두께 및 막의 두께가 확인된다(S730). (c4) A cross-section of the unit cells of the equally divided fuel cell stack 1 is photographed, and the thickness of the electrode and the thickness of the film are confirmed (S730).

이때, 바람직하게는, 각 단위전지의 단면은 SEM-EDS(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 통해 확인될 수 있다.At this time, preferably, the cross section of each unit cell can be confirmed through scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) analysis.

(c5) 단위전지의 단면 분석을 통해 전극 및 막 두께를 확인하여, 각 단위전지 별 열화를 비교할 수 있다(S740). 예컨대, 2등분된 연료전지 스택(1)의 경우, 수소유입 MEA와 수소유출 MEA 중 어느 부분이 더 열화가 빨리 진행되는 지 확인될 수 있다.(c5) By checking the electrode and film thickness through cross-sectional analysis of the unit cell, the deterioration of each unit cell can be compared (S740). For example, in the case of the fuel cell stack 1 divided into two, it can be confirmed which part of the hydrogen inflow MEA and the hydrogen outflow MEA deteriorates more quickly.

구체적으로, SU 단계 및 SD 단계에서 수소 및 공기와 접하는 MEA는 수소 및 공기 경계층이 형성된다. 이로 인해, 공기와 접하기 쉬운 단위전지의 MEA 부근의 전극층의 열화가 가장 빨리 진행된다. S730 단계를 통해 구조적으로 보완이 필요한 부분을 직접 확인할 수 있다는 장점이 있다.Specifically, a hydrogen and air boundary layer is formed in the MEA in contact with hydrogen and air in the SU stage and SD stage. For this reason, deterioration of the electrode layer near the MEA of the unit cell, which is easily in contact with air, progresses most quickly. The advantage is that the S730 step allows you to directly check areas that require structural improvement.

또한, 단위전지별로 열화를 관찰하고, 이에 관한 데이터를 수집할 수 있다. 측정한 데이터를 분석함으로써, 비정상적인 열화가 발생하는 경우를 파악할 수 있다. 여기서, 비정상적인 열화란, 평균 데이터보다 더 빠른 열화가 발생하는 경우, 또는 열화가 주로 진행되는 단위전지가 아닌 다른 단위전지에서 열화가 적극적으로 진행되는 것 등을 포함한다. Additionally, deterioration can be observed for each unit cell and data regarding this can be collected. By analyzing the measured data, it is possible to identify cases where abnormal deterioration occurs. Here, abnormal deterioration includes cases where deterioration occurs faster than average data, or deterioration actively progresses in unit cells other than the unit cell in which deterioration mainly occurs.

이러한 비정상적인 열화를 확인함으로써, 원인을 파악 가능하다. 열화의 구체적 원인을 파악하고, 이를 해결함으로써 연료전지 스택(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다. By confirming this abnormal deterioration, the cause can be determined. The durability of the fuel cell stack 1 can be improved by identifying the specific cause of the deterioration and solving it.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 내구성 평가 및 수명 연산단계의 구체적 순서를 나타낸 것이다.Figure 8 shows a specific sequence of durability evaluation and lifespan calculation steps according to an embodiment of the present disclosure.

도 8을 참조하여, 본 개시에 따른 내구성 평가 및 수명 연산단계(S330)의 상세단계를 설명한다. With reference to FIG. 8, detailed steps of the durability evaluation and lifespan calculation step (S330) according to the present disclosure will be described.

(d1) 연료전지 스택(1)의 내구성 평가단계 중 S630 내지 S640 단계, 즉, (b4) 내지 (b5) 단계에서 반복된 총 사이클의 횟수와, 기준횟수가 비교된다(S800). (d1) In the durability evaluation step of the fuel cell stack 1, the total number of cycles repeated in steps S630 to S640, that is, steps (b4) to (b5), and the reference number are compared (S800).

이때, 기준횟수는, 동일한 용량 및 동일한 용도의 연료전지 스택(1)의 내구성 평가를 통해 얻어진 횟수를 의미한다. 예컨대, n이 200회이고, 기준횟수가 150회인 경우, 내구성 평가 대상인 연료전지 스택(1)의 내구성이, 일반 연료전지 스택(1)의 내구성보다 우수한 것으로 평가될 수 있다. 물론, 본 개시의 S800 단계에서, 내구성의 평가 대상인 연료전지 스택(1)의 한 사이클의 지속 시간은, 일반 연료전지의 정보 획득 단계에서의 측정을 위해 수행된 한 사이클의 지속 시간과 동일하다.At this time, the standard number of times refers to the number of times obtained through durability evaluation of the fuel cell stack 1 of the same capacity and same purpose. For example, when n is 200 times and the standard number of times is 150 times, the durability of the fuel cell stack 1, which is the subject of durability evaluation, may be evaluated as superior to the durability of the general fuel cell stack 1. Of course, in step S800 of the present disclosure, the duration of one cycle of the fuel cell stack 1, which is the subject of durability evaluation, is the same as the duration of one cycle performed for measurement in the information acquisition step of a general fuel cell.

(d2) 연료전지 스택(1)의 내구성 평가 단계 중 S630 내지 S640 단계, 즉 (b4) 내지 (b5) 단계까지의 총 사이클 횟수에, S600 내지 S620 단계, 즉, (b1) 내지 (b3) 단계까지의 소요된 시간의 평균을 곱함으로써, 연료전지 스택(1)의 수명을 연산한다(S810). (d2) In the durability evaluation step of the fuel cell stack 1, the total number of cycles from steps S630 to S640, i.e., steps (b4) to (b5), and steps S600 to S620, i.e., steps (b1) to (b3). The lifespan of the fuel cell stack 1 is calculated by multiplying the average of the time taken up to (S810).

(b4) 내지 (b5) 단계까지의 총 사이클 횟수는, 사이클 n회를 반복한 횟수에 x회를 곱하고, 이에 사이클 m회를 반복한 횟수에 y을 곱하여 더한 횟수를 의미한다. 이때, n 및 m은 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 1회 측정하는 최소 사이클 반복 횟수이다. 한편, n회, m회 외에도, 더 많은 단계로 세분화하여 연료전지 스택(1)의 전기적 특성을 측정하는 경우, 총 사이클 횟수는 이러한 단계별 최소 반복횟수를 모두 고려할 수 있음에 유의한다. 또한, x회 및 y회는 각각 사이클이 n회 반복된 횟수와 사이클이 m회 반복된 횟수를 의미한다. 예를 들어, n회가 100회이고, m회가 30회일 수 있다. 이러한 경우, 사이클을 100번 반복할 때마다 한 번씩 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 측정하다가 성능 감소 속도가 증가하는 것으로 확인되면, 사이클을 30번 반복할 때마다 한 번씩 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 확인하게 된다. 이때, 성능 감소 속도가 증가하는 것으로 확인될 때 까지 사이클을 100번 반복한 횟수가 10번이고, 성능 감소 속도가 또 증가하는 것으로 확인될 때까지 사이클을 30번 반복한 횟수가 5번이면 x는 10, y는 5가 되는 것이다. 이러한 경우라면 총 사이클 횟수는 n·x+m·y, 즉 100·10+30·5=1150 이 된다. 상기한 숫자는 이해를 돕기 위한 단순 예시에 불과하며, 연료전지의 스펙, 실험 환경에 따라 n, m, x, y의 값은 달라질 수 있음에 유의한다.The total number of cycles from steps (b4) to (b5) means the number of times the cycle n times has been repeated multiplied by x times, and the number of cycles m times have been repeated multiplied by y. At this time, n and m are the minimum number of cycle repetitions to measure I-V, impedance, CV, and LSV once. Meanwhile, note that when measuring the electrical characteristics of the fuel cell stack 1 by subdividing it into more stages in addition to n times and m times, the total number of cycles can take into account the minimum number of repetitions for each of these stages. In addition, x times and y times mean the number of times the cycle is repeated n times and the number of times the cycle is repeated m times, respectively. For example, n times may be 100 times, and m times may be 30 times. In this case, measure I-V, impedance, CV, and LSV once every 100 cycles, and if you notice an increasing rate of performance decline, measure I-V, impedance, CV, and LSV once every 30 cycles. will be confirmed. At this time, if the number of times the cycle is repeated 100 times until it is confirmed that the rate of performance decrease is 10, and the number of times the cycle is repeated 30 times until it is confirmed that the rate of performance decrease is 5 times, x is 10, y becomes 5. In this case, the total number of cycles is n·x+m·y, that is, 100·10+30·5=1150. Please note that the above numbers are merely examples to aid understanding, and that the values of n, m, x, and y may vary depending on the specifications of the fuel cell and the experimental environment.

한편, 본 개시의 다른 실시예에 의하면, 총 사이클 횟수에 S600 내지 S620 에 따른 소요시간이 아닌, 연료전지 스택(1)을 이용하는 기기의 평균 운전시간을 곱함으로써, 평균수명을 연산할 수 있다. 예컨대, 연료전지 스택(1)이 전기자동차에 이용되는 경우, 정상적으로 자동차가 운행될 때, 시동이 on되는 시각으로부터 시동이 off되는 시각까지의 시간에 총 사이클 횟수를 곱할 수 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the present disclosure, the average lifespan can be calculated by multiplying the total number of cycles by the average operating time of the device using the fuel cell stack 1, rather than the time required for S600 to S620. For example, when the fuel cell stack 1 is used in an electric vehicle, when the vehicle is normally driven, the time from the time the engine is turned on to the time the engine is turned off can be multiplied by the total number of cycles.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present embodiment, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Accordingly, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but rather to explain it, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these examples. The scope of protection of this embodiment should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this embodiment.

1: 연료전지 스택
2: 솔레노이드 밸브
3: 전력계
4: 부하1: Fuel cell stack
2: Solenoid valve
3: Power meter
4: load

Claims (7)

공랭식 고분자 연료전지 스택의 내구성을 평가하는 방법으로서,
(a) 정전류를 구동하거나 부하를 변동시키면서, 상기 연료전지 스택의 임피던스가 일정하게 유지되는 것을 확인하는 준비단계;
(b) 내구성 평가 준비가 된 상기 연료전지 스택의 내구성을 평가를 위한 정보 획득 단계로서,
(b1) 애노드를 통해 연료전지 스택에 수소가 공급되기 시작하며, 연료전지 스택에 개방전압이 발생하는 SU(start-up) 단계;
(b2) 연료전지 스택에서 기 설정된 정전류 값이 발생하도록 연료전지 스택을 구동하는 정전류 구동단계; 및
(b3) 상기 애노드를 통한 수소유입이 중단되는 SD(shut-down) 단계
를 포함하는 내구성 평가를 위한 정보 획득단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 내구성 평가를 위한 정보 획득이 완료된 연료전지 스택을 해체하고 단위전지별 성능을 평가하는 단위전지별 분석단계; 및
(d) 상기 (b) 단계에서 획득된 정보를 이용하여 연료전지 스택의 내구성을 평가하고 수명을 연산하는 단계
를 포함하는,
방법.
As a method for evaluating the durability of an air-cooled polymer fuel cell stack,
(a) a preparation step of confirming that the impedance of the fuel cell stack is maintained constant while driving a constant current or changing the load;
(b) a step of obtaining information for evaluating the durability of the fuel cell stack ready for durability evaluation,
(b1) SU (start-up) step in which hydrogen begins to be supplied to the fuel cell stack through the anode and an open-circuit voltage is generated in the fuel cell stack;
(b2) a constant current driving step of driving the fuel cell stack so that a preset constant current value is generated in the fuel cell stack; and
(b3) SD (shut-down) step in which hydrogen inflow through the anode is stopped
An information acquisition step for durability evaluation including;
(c) a unit cell analysis step of dismantling the fuel cell stack for which information for durability evaluation has been completed in step (b) and evaluating the performance of each unit cell; and
(d) evaluating the durability of the fuel cell stack and calculating its lifespan using the information obtained in step (b) above.
Including,
method.
 제1항에 있어서,
상기 (b1) 단계는, 10초 내지 50초 동안 수행되고,
상기 (b2) 단계에서 상기 기 설정된 정전류는 100 mA/cm2 내지 600 mA/cm2 이며, 상기 (b2) 단계는 180초 내지 420초 동안 수행되고,
상기 (b3) 단계는 연료전지 스택의 단위전지 당 출력전압이 0.1 V 내지 0.2 V 일 때까지 상기 애노드로의 수소 유입을 중단하는 단계를 포함하는,
방법.
According to paragraph 1,
Step (b1) is performed for 10 to 50 seconds,
In step (b2), the preset constant current is 100 mA/cm 2 to 600 mA/cm 2 , and step (b2) is performed for 180 seconds to 420 seconds,
Step (b3) includes stopping the inflow of hydrogen into the anode until the output voltage per unit cell of the fuel cell stack is 0.1 V to 0.2 V,
method.
 제2항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b4) 상기 (b1) 내지 (b3) 단계를 한 사이클로 하여 각 사이클을 다수 회 반복하되 n 번의 사이클마다 연료전지 스택의 I(전류)-V(출력전압) 및 임피던스를 측정하고, 이를 이용하여 연료전지 스택의 성능 감소 속도를 연산하는 성능 감소 속도 연산단계 - n은 자연수 -;
(b5) 상기 성능 감소 속도가 증가하는 것으로 판단되면, 각 사이클을 다수 회 반복하되 m 번의 사이클마다 연료전지 스택의 I-V 및 임피던스를 측정하는 단계 - m은 n 이하의 자연수 -; 및
(b6) 상기 (b5) 단계에서 마지막에 측정된 출력전압이 상기 (b4) 단계에서 최초에 측정된 출력전압에 비해 기 설정된 일정 비율 이하인 경우 내구성 평가를 위한 정보 획득 단계를 종료하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
According to paragraph 2,
In step (b),
(b4) Repeat steps (b1) to (b3) as one cycle and repeat each cycle multiple times, measuring the I (current) - V (output voltage) and impedance of the fuel cell stack for each n cycle, and using these Performance reduction rate calculation step for calculating the performance reduction rate of the fuel cell stack - n is a natural number -;
(b5) if it is determined that the rate of performance decline is increasing, repeating each cycle multiple times and measuring the IV and impedance of the fuel cell stack for each m cycle, where m is a natural number less than or equal to n; and
(b6) terminating the information acquisition step for durability evaluation when the output voltage last measured in step (b5) is less than a preset certain ratio compared to the output voltage initially measured in step (b4).
Containing more,
method.
 제3항에 있어서,
상기 (b4) 단계에서, n은 100이고,
상기 (b5) 단계에서, m은 30 내지 50이고,
상기 (b6) 단계에서, 상기 기 설정된 일정 비율은, 30 % 내지 50 % 인,
방법.
According to paragraph 3,
In step (b4), n is 100,
In step (b5), m is 30 to 50,
In step (b6), the preset constant ratio is 30% to 50%,
method.
 제2항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 연료전지 스택을 2개 내지 3개의 단위전지로 2등분 또는 3등분하는 단계;
(c2) 상기 (b1) 내지 (b3) 단계를 반복하면서, 등분된 상기 연료전지 스택의 단위전지별 I-V, 임피던스, CV(cyclic voltammetry) 및 LSV(linear sweep voltammetry)를 측정하는 단계;
(c3) 측정된 상기 단위전지별 I-V, 임피던스, CV 및 LSV를 기 설정된 방법을 이용하여 각 단위전지의 성능을 평가하는 단계;
(c4) 등분된 상기 연료전지 스택의 단위전지들의 단면을 이용하여 전극의 두께 및 막의 두께를 확인하는 단계; 및
(c5) 확인된 상기 단위전지별 전극의 두께 및 막의 두께를 비교함으로써, 각 단위전지별 열화정도를 평가하는 단계
를 포함하는,
방법.
According to paragraph 2,
In step (c),
(c1) dividing the fuel cell stack into two or three unit cells;
(c2) repeating steps (b1) to (b3) and measuring IV, impedance, cyclic voltammetry (CV), and linear sweep voltammetry (LSV) for each unit cell of the divided fuel cell stack;
(c3) evaluating the performance of each unit cell using the measured IV, impedance, CV, and LSV of each unit cell using a preset method;
(c4) confirming the thickness of the electrode and the thickness of the film using the cross-sections of the unit cells of the fuel cell stack divided into equal parts; and
(c5) Evaluating the degree of deterioration for each unit cell by comparing the thickness of the electrode and the thickness of the film for each confirmed unit cell.
Including,
method.
 제5항에 있어서,
상기 (c1) 단계에서,
연료전지 스택을 수소 유입측 단위전지 및 수소 유출측 단위전지로 2등분하거나, 또는
연료전지 스택을 수소 유입측 단위전지, 중앙 단위전지 및 수소 유출측 단위전지 로 3등분하는,
방법.
According to clause 5,
In step (c1) above,
Divide the fuel cell stack into two unit cells on the hydrogen inflow side and unit cells on the hydrogen outflow side, or
The fuel cell stack is divided into three parts: a hydrogen inlet unit cell, a central unit cell, and a hydrogen outflow unit cell.
method.
 제3항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 상기 (b4) 내지 (b5) 단계까지 반복된 총 사이클의 횟수와, 기 설정된 기준횟수를 비교함으로써, 연료전지 스택의 내구성을 평가하는 내구성 평가 단계; 및
(d2) 상기 (b4) 내지 (b5) 단계까지 반복된 총 사이클의 횟수에, 상기 연료전지 스택이 사용되는 기기의 평균 운전시간을 곱합으로써 연료전지 스택의 수명을 연산하는 단계
를 포함하는,
방법.
According to paragraph 3,
In step (d),
(d1) a durability evaluation step of evaluating the durability of the fuel cell stack by comparing the total number of cycles repeated from steps (b4) to (b5) and a preset reference number; and
(d2) calculating the lifespan of the fuel cell stack by multiplying the total number of cycles repeated from steps (b4) to (b5) by the average operating time of the device in which the fuel cell stack is used.
Including,
method.
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