KR102687160B1 - Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell - Google Patents
Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell Download PDFInfo
- Publication number
- KR102687160B1 KR102687160B1 KR1020160171190A KR20160171190A KR102687160B1 KR 102687160 B1 KR102687160 B1 KR 102687160B1 KR 1020160171190 A KR1020160171190 A KR 1020160171190A KR 20160171190 A KR20160171190 A KR 20160171190A KR 102687160 B1 KR102687160 B1 KR 102687160B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- moles
- nitrogen
- water vapor
- deriving
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/4035—Combination of a single ion-sensing electrode and a single reference electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
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 및 추정시스템이 소개된다.Deriving the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state; Deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a previously stored data map; Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged through the crossover gain value and the pre-stored purge gain value; and deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossover and purged, respectively. A method and estimation system for estimating hydrogen concentration in a fuel cell anode are introduced.
Description
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 and estimation system for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode to help ensure durability and increase efficiency of the fuel cell by relatively accurately deriving the concentration of hydrogen present in the anode of the fuel cell.
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 a polymer electrolyte fuel cell system is directly affected by the concentration of hydrogen, the anode-side fuel. When the concentration of hydrogen is low, the voltage at the same current decreases in the fuel cell current-voltage characteristic curve, and when the concentration falls below a certain level, the hydrogen at the exit end of the anode channel becomes diluted, causing a problem in which the fuel cell voltage rapidly decreases due to concentration loss. . At this time, there is a problem that damage to the electrode plate occurs due to 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.To avoid this problem, it is important to maintain an appropriate concentration because controlling the hydrogen concentration by increasing it may reduce efficiency. Therefore, it is necessary to accurately determine the current hydrogen concentration, but measurement using a sensor has a problem in that practical application of the technology is difficult because it is very difficult to accurately measure hydrogen concentration due to cost increases and the influence of condensate.
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.The matters described as background technology above are only for the purpose of improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as recognition that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
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 was proposed to solve this problem, and it estimates the hydrogen concentration of the fuel cell anode to help secure the durability and increase efficiency of the fuel cell by relatively accurately deriving the concentration of hydrogen existing in the anode of the fuel cell. The purpose is to provide a method and 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.The method for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode according to the present invention to achieve the above object includes the steps of deriving the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state; Deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a previously stored data map; Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged through the crossover gain value and the pre-stored purge gain value; and deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossover and purged, respectively.
연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 연료전지의 교환전류밀도, OCV 상태의 이상전압, OCV 상태의 실측 전압과 전류를 통해 연료전지의 내부전류밀도를 도출할 수 있다.In the step of deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density of the fuel cell can be derived through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage in the OCV state, and the actual voltage and current in the OCV state.
연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출할 수 있다.In the step of deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density can be derived using the formula below.
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 nitrogen and water vapor that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the cross-over gain value, molar mass, electrolyte membrane area, pressure difference between anode and cathode, number of cells, and electrolyte membrane thickness are used to calculate the crossover The number of moles of nitrogen and water vapor can be derived.
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 that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over can be derived using the formula below.
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 that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged can be derived through the pre-stored purge gain value, molar mass, and anode pressure.
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 nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged can be derived using the formula below.
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 that crossover and the number of moles that are 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 using the formula below.
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 concentrations of nitrogen and water vapor can be derived respectively, and the hydrogen concentration can be derived from these.
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 concentrations of nitrogen and water vapor can be derived using the formula below, and the hydrogen concentration can be derived through this.
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.For this purpose, the hydrogen concentration estimation system of the fuel cell anode of the present invention includes a derivation unit for deriving the fuel cell temperature, anode pressure, and cathode pressure; a storage unit that stores necessary data including a data map and gain values; And the internal current density of the fuel cell is derived through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state, and the crossover gain value is derived by substituting the internal current density into the previously stored data map, and the crossover gain value and The number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of water vapor that are purged are derived through the pre-stored purge gain values, and the concentration of hydrogen remaining in the anode is derived through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed and purged. It includes a control unit that does.
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 hydrogen concentration estimation method and estimation system of the fuel cell anode of the present invention, it is possible to help secure the durability of the fuel cell and increase efficiency by deriving the concentration of hydrogen present in the anode of the fuel cell relatively accurately.
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 block diagram of a hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart of a method for estimating 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 system for estimating hydrogen concentration of a fuel cell anode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart of a method of estimating hydrogen concentration of 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.As shown in Figure 1, the hydrogen concentration estimation system of the fuel cell anode according to the present invention includes an
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 for estimating the hydrogen concentration of the fuel cell anode according to the present invention utilizing this involves deriving the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state (S100). ); Deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a previously stored data map (S120); Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged through the crossover gain value and the pre-stored purge gain value (S200, S220); and deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the moles of nitrogen and water vapor that are crossover 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 the step of deriving the internal current density of the fuel cell (S100), the internal current density of the fuel cell can be derived through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage in the OCV state, and the actual measured voltage and current in the OCV state. To correct the amount of hydrogen crossover due to MEA (membrane-electrode assembly) deterioration, internal current density, which is a parameter indicating the degree of MEA deterioration, is used. The internal current density is a parameter that indicates the amount of hydrogen in the anode that does not pass through the MEA in the form of ions but passes to the cathode in the form of hydrogen molecules and reacts directly. And the exchange current density indicates the degree of oxidation/reduction reaction that occurs internally in a 0 current state, that is, in a state where the internal chemical reaction is in equilibrium. The higher the exchange current density, the higher the fuel cell activity.
구체적으로, 연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출할 수 있다.Specifically, in the step of deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density can be derived using the formula below.
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.As shown in the formula above, the currently measured OCV current and internal current density of the fuel cell are added, divided by the exchange current density, the root value is taken, multiplied by a constant, and this is removed from the theoretical OCV voltage to obtain the actual voltage in the OCV state. The internal current density is calculated using the formula: Since the internal current density represents the amount of hydrogen flowing out through pinholes, etc., it can be seen as reflecting the degree of deterioration of the fuel cell. The theoretical OCV is a value determined by the gaseous chemical energy of hydrogen and oxygen, and an example is 1.23V, and the actual current and voltage in the OCV state are the voltage and current measured when the
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 the crossover gain value is performed by substituting the internal current density into a previously stored data map (S120). In other words, as the internal current density increases, the crossover between nitrogen and water vapor at the cathode increases, lowering the hydrogen concentration at the anode. Therefore, the crossover gain value (Gco) is not a fixed value, but the correlation with the internal current density is derived through experiment, and the internal current density is calculated in real time in the vehicle to obtain a crossover gain value that reflects the current stack state to determine the hydrogen concentration. Increase the precision of estimation. The data map related to this is stored in advance in memory in the form of a table, graph, or 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 is performed to derive the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged through the crossover gain value and the pre-stored purge gain value (S200, S220). The number of moles transferred from the cathode to the crossover is determined by pressure and temperature. Here, since it passes through the MEA, it is calculated by multiplying the gain (Gco), which represents the current state of the MEA. Accuracy increases because the number of moles passed to the final crossover is calculated based on the Gain parameter, which represents the current state of the MEA. On the other hand, when using fixed parameter values, if there is a change in durability after a certain period of time, an error occurs in the calculation of moles transferred to the crossover, ultimately causing the hydrogen concentration to be greatly distorted, making the calculated hydrogen concentration value unusable. A problem arises.
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 that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the crossover gain value, molar mass, electrolyte membrane area, pressure difference between anode and cathode, number of cells, and electrolyte membrane thickness are used. Through this, the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover can be derived.
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 that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over can be derived using the formula below.
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 formula, since the gain value that determines the amount of crossover is accurately reflected as a value according to the internal current density, which is the degree of deterioration of the fuel cell, it is possible to derive a relatively accurate hydrogen concentration even if the durability 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 that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged can be derived through the pre-stored purge gain value, molar mass, and anode pressure.
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 nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged can be derived using the formula below.
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, a step is performed to derive the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossover and purged. 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 that crossover and the number of moles that are 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 using the formula below.
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 in the above formula, it can be obtained by integration over time by adding the amount coming through the crossover to the initial value of nitrogen at the anode and subtracting the amount escaping through the purge. The amount of water vapor present at the anode can also be obtained in the same way.
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.Meanwhile, in the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the respective concentrations of nitrogen and water vapor are derived (S300), and the hydrogen concentration can be derived through these. In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the concentrations of nitrogen and water vapor can be derived using the formula below, and the hydrogen concentration can be derived through this (S320).
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. In other words, the hydrogen concentration of the anode can be obtained from the above formula as the sum of the concentrations of nitrogen and water vapor mainly present in the anode. Here, the nitrogen and water vapor concentrations can be obtained by dividing the number of moles of each by the total number of moles present in the anode. The number of moles present in the entire anode is calculated using the equation 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).If the amount of hydrogen is insufficient based on the derived anode hydrogen amount, control will be made to increase the amount of hydrogen supply (or reduce the amount of air supply) to prevent the durability of the fuel cell from deteriorating. If the amount of hydrogen is excessive, efficiency will decrease and supply will be carried out accordingly. Control to reduce the amount of hydrogen (or increase the amount of air supply) 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 hydrogen concentration estimation system of the fuel cell anode of the present invention for this derivation method includes a derivation unit for deriving the fuel cell temperature, anode pressure, and cathode pressure; a
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 hydrogen concentration estimation method and estimation system of the fuel cell anode of the present invention, it is possible to help secure the durability of the fuel cell and increase efficiency by deriving the concentration of hydrogen present in the anode of the fuel cell relatively accurately.
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.Although the present invention has been shown and described in relation to specific embodiments, it is known in the art that the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the technical spirit of the present invention as provided by the following claims. This will be self-evident to those with ordinary knowledge.
100 : 연료전지 300 : 부하
500 : 제어부100: fuel cell 300: load
500: Control unit
Claims (12)
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 the internal current density of the fuel cell through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state;
Deriving a crossover gain value by substituting the internal current density into a previously stored data map;
Deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged through the crossover gain value and the pre-stored purge gain value; and
A method of estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode including: deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossover and purged.
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.In claim 1,
In the step of deriving the internal current density of the fuel cell, the internal current density of the fuel cell is derived through the exchange current density of the fuel cell, the abnormal voltage in the OCV state, and the actual voltage and current in the OCV state. Hydrogen concentration estimation method.
연료전지의 내부전류밀도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 내부전류밀도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
In claim 1,
In the step of deriving the internal current density of the fuel cell, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized by deriving the internal current density using the formula below.
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.In claim 1,
In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the cross-over gain value, molar mass, electrolyte membrane area, pressure difference between anode and cathode, number of cells, and electrolyte membrane thickness are used to calculate the crossover A method for estimating the hydrogen concentration of a fuel cell anode, characterized by deriving 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 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
In claim 1,
In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized by deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover through the formula below. .
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.In claim 1,
In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged are derived through the pre-stored purge gain value, molar mass, and anode pressure. Method for estimating hydrogen concentration of battery anode.
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.
In claim 1,
In the step of deriving the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized in that the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged are derived using the formula below.
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.In claim 1,
In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the difference between the number of moles crossover and the number of moles purged is integrated and the initial mole number is reflected to derive the number of moles of nitrogen or water vapor remaining in the anode. Hydrogen concentration estimation method.
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 아래의 수식을 통해 질소 또는 수증기 각각의 몰수를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.
In claim 1,
In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized in that the number of moles of nitrogen or water vapor is derived using the formula below.
애노드에 잔존하는 수소의 농도를 도출하는 단계에서는 질소와 수증기 각각의 농도를 도출하고 이를 통해 수소의 농도를 도출하는 것을 특징으로 하는 연료전지 애노드의 수소농도 추정방법.In claim 1,
In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized by deriving the respective concentrations of nitrogen and water vapor and deriving the hydrogen concentration through these.
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.
In claim 1,
In the step of deriving the concentration of hydrogen remaining in the anode, the hydrogen concentration estimation method of the fuel cell anode is characterized by deriving the respective concentrations of nitrogen and water vapor using the formula below and deriving the hydrogen concentration through this.
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 that derives fuel cell temperature, anode pressure, and cathode pressure;
a storage unit that stores necessary data including a data map and gain values; and
The internal current density of the fuel cell is derived through the exchange current density of the fuel cell and the voltage and current in the OCV state, and the crossover gain value is derived by substituting the internal current density into the previously stored data map. Through the stored purge gain values, the number of moles of nitrogen and water vapor that crossover and the number of moles of nitrogen and water vapor that are purged are derived, and the concentration of hydrogen remaining in the anode is derived through the number of moles of nitrogen and water vapor that are crossed over and purged. A hydrogen concentration estimation system for a fuel cell anode including a control unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160171190A KR102687160B1 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160171190A KR102687160B1 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180069940A KR20180069940A (en) | 2018-06-26 |
| KR102687160B1 true KR102687160B1 (en) | 2024-07-22 |
Family
ID=62788350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160171190A Active KR102687160B1 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102687160B1 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102698999B1 (en) * | 2018-10-15 | 2024-08-26 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell hydrogen supply fault diagnosis system and diagnosis method |
| KR20230072817A (en) | 2021-11-18 | 2023-05-25 | 현대자동차주식회사 | Method for distributing power in fuel cell system |
| CN115149048A (en) * | 2022-07-22 | 2022-10-04 | 清华大学 | In-situ characterization method and device for gas distribution state in fuel cell stack |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008041625A (en) | 2006-08-10 | 2008-02-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2008047518A (en) | 2006-07-17 | 2008-02-28 | Gm Global Technology Operations Inc | Fuel cell anode stoichiometric control |
| JP2009059556A (en) | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100972938B1 (en) | 2006-12-13 | 2010-07-28 | 주식회사 엘지화학 | Method and apparatus for controlling fuel supply of fuel cell system |
-
2016
- 2016-12-15 KR KR1020160171190A patent/KR102687160B1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008047518A (en) | 2006-07-17 | 2008-02-28 | Gm Global Technology Operations Inc | Fuel cell anode stoichiometric control |
| JP2008041625A (en) | 2006-08-10 | 2008-02-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2009059556A (en) | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180069940A (en) | 2018-06-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10396381B2 (en) | Thermoelectric cooperation control method for SOFC system based on fractional order sliding mode variable structure | |
| US10108759B2 (en) | Method for optimization of fuel cells operating conditions using hybrid model | |
| KR102030145B1 (en) | Hydrogen concentration estimation method and system of fuel cell | |
| US7648787B2 (en) | Gas leak detection device and fuel cell system | |
| CA2599247C (en) | A control device and a control method for a fuel cell system | |
| EP2406622B1 (en) | Oxygen sensor controller and oxygen sensor control method | |
| Karimäki et al. | The use of on-line hydrogen sensor for studying inert gas effects and nitrogen crossover in PEMFC system | |
| KR20200050508A (en) | Hydrogen supply control system and control method of fuel cell | |
| KR20090121398A (en) | Fuel cell system and power control method | |
| Yu et al. | Parametric analysis of the proton exchange membrane fuel cell performance using design of experiments | |
| US9065099B2 (en) | Controlling fuel cell | |
| KR102687160B1 (en) | Method and system for estimating hydrogen concentration for anode of fuelcell | |
| US9444115B2 (en) | Fuel cell system with calculation of liquid water volume | |
| KR101759141B1 (en) | Device and method for controlling hydrogen concentration of fuel cell system | |
| US8507141B2 (en) | Membrane permeation adjustment in PEM fuel cell | |
| CN116093385A (en) | A Method for Estimating Nitrogen Concentration in Fuel Cell Anode Based on Multipoint Voltage | |
| CN103926535B (en) | Transient state entrance relative humidity is estimated via scalability cathode humidification model of element and alternating-current resistance | |
| CN103852222B (en) | Anode leak location detection | |
| KR101335879B1 (en) | Fuel cell system, control method for the fuel cell system, and state detection method for fuel cell | |
| JP6554662B2 (en) | Fuel cell simulation method | |
| KR20150002878A (en) | Control arrangement and method for adapting a fuel cell system to fuel composition | |
| KR102829326B1 (en) | System for estimating purge amount of fuel cell, system and method for estimating hydrogen concentration using the same of fuel cell | |
| JP2006310046A (en) | Hydrogen circulation amount control device and hydrogen circulation amount control method for fuel cell | |
| CN112363064A (en) | Fuel cell stack cathode boundary condition testing method | |
| KR20230172868A (en) | System and method for estimating hydrogen concentration of fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20161215 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20211129 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20161215 Comment text: Patent Application |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20240429 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20240717 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20240717 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration |