실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법



특허청구의 범위
청구항 1
고온 고분자 전해질 막 연료전지의 목표 운전시간동안 성능을 최대화 할 수 있는 운전조건을 찾기 위해, 성능및 내구성의 예측에 필요한 특성치, 상기 특성치에 영향을 주는 인자 및 상기 인자의 인자수준을 결정하여 실험계획법에 의하여 실험 계획을 결정하는 실험계획 단계(S10);상기 실험계획 단계(S10)에서 결정된 실험계획법에 의하여 실험하는 실험 단계(S20);상기 실험 단계(S20)의 실험 결과를 이용하여 성능모델을 구축하는 성능모델구축 단계(S30); 및상기 성능모델구축 단계(S30)의 결과를 이용하여 운전조건의 최적화 지점을 찾는 운전조건최적화 단계(S40);를 포함하며,상기 실험계획 단계(S10)는특성치 및 인자를 결정하는 변수결정 단계(S11); 및상기 인자의 인자 수준을 결정하는 인자수준결정 단계(S12);를 포함하고,상기 변수결정 단계(S11)의 특성치는목표 운전시간 동안의 셀 평균 전압 및 단위시간당 전압 감소율인 것을 특징으로 하며,상기 변수결정 단계(S11)의 인자는셀 온도, 연료 과급률 및 공기 과급률인 것을 특징으로 하고,상기 인자수준결정 단계(S12)의 인자 수준은셀 온도를 120-190℃, 연료 과급률을 1.2-3.0, 공기 과급률을 1.5-4.0으로 하는 것을 특징으로 하며,상기 실험 단계(S20)는인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : Gas Defusion Electrode)을 포함하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 상기 인자에 해당하는 값을 조절하고, 상기특성치의 측정이 가능하도록 준비하는 실험준비 단계(S21);일정 시간 동안 셀을 상온에서 설정 온도까지 가열하는 활성화 단계(S22);수소 및 산소 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 건 수소와, 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하는 연료공급 단계(S23); 및일정 시간 동안 일정 전류밀도를 일정하게 인가하는 연료전지운전 단계(S24);를 포함하고,상기 성능모델구축 단계(S30)의 성능모델은 전압모델, 내구성모델 및 성능과 내구성을 고려한 모델인 것을 특징으로 하며,설 전압을 근거로 셀의 성능을 추정하고, 단위 시간당 전압 감소율을 근거로 셀의 내구성을 추정하는 것을 특징으로 하고,상기 운전조건최적화 단계(S40)는 목표 운전시간 동안의 셀 평균 전압을 목적함수로 정의하고, 작동온도, 산소과급률, 수소 과급률을 결정변수로 정의하여, 목표 운전시간동안 성능을 최대화 할 수 있는 운전조건을 찾는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
청구항 2
제1항에 있어서,상기 실험계획 단계(S10)는특정한 실험조건(운전조건) 하에서 일정기간동안 수행하는 장기 테스트인 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
청구항 3
제1항에 있어서,상기 실험계획 단계(S10)는반응표면법을 이용하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건최적화 방법.
청구항 4
제3항에 있어서,상기 실험계획 단계(S10)는반응표면법의 추정식이 1차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면, 요인배치법, 2수준계의 일부실시법, 심플렉스계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
청구항 5
제3항에 있어서,상기 실험계획 단계(S10)는반응표면의 추정식이 2차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면, 요인배치법, 3수준계의 일부실시법, 중심합성계획법, 회전계획법, 회전중심합성계획법, Box-Behnken계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
청구항 6
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청구항 11
제1항에 있어서,상기 활성화 단계(S22)는셀 온도가 일정 온도에서 상기 설정온도까지 질소로 퍼지하는 것을 특징으로 하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법.
청구항 12
제1항에 있어서,상기 성능모델구축 단계(S30)는성능모델을 구축하기 위한 각각의 변수에 해당되는 값을 입력하는 변수입력 단계(S31);상기 변수입력 단계(S31)에서 입력된 값을 이용하여 회귀분석 하는 회귀분석 단계(S32); 및상기 회귀분석 단계(S20)에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정하는 성능모델결정 단계(S33);를 포함하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법. 

명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 [0001] 최적화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실험계획법에 의한 실험한 결과를 이용하여 성능모델을 구축하고, 구축된 모델을 근거로 성능 및내구성을 고려하여 최적의 운전조건을 도출하는 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
[0002] 화석연료는 매장량이 매우 제한되어 있어 고갈될 수밖에 없다. 특히, 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주배출원이 화석연료이기 때문에 선진국들은 화석연료를 줄이기 위해 대체에너지나 원자력을 이용한 수소에너지 개발등에 주력하고 있다. 대체에너지로 부각되고 있는 에너지원은 태양에너지, 풍력발전, 수소에너지, 바이오메스등 여러 가지가 있다. 태양열이나 풍력은 보조설비를 갖추어야 하며, 집열판이나 풍차를 설치하려면 넓은 공간이 필요하며 생태계 파괴, 소음 등의 또 다른 환경문제도 발생한다. 미래에너지는 환경친화(Environmental acceptability), 경제성(Economic productibility), 수급안정성(Eternal capability) 등의 요건이 필요하다.[0003] 연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다.[0004] 연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.0005] 도시가스 등의 연료를 사용해서 전기와 열을 생산하는 연료전지는 온실가스 감소효과와 더불어 일자리 창출효과가 매우 큰 대표적인 신성장동력 산업으로, 전 세계적으로 상용화가 적극 추진 중이다.[0006] 연료전지는 전기와 온수 양쪽이 만들어지고 가정의 광열비를 절약할 수 있으며 지구 온난화 방지에 기여할 수있다는 점을 만족의 주요 사유로 꼽는다.PEMFC(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 에너지 변환효율과 부하 [0007] 추종성, 낮은 오염 물질 배출로에너지 부족에 대한 친환경적인 에너지 기술이다. 하지만 기존의 PEMFC를 이용한 가정용 연료전지 시스템 (RPG,Residential Power Generator)은 이산화탄소(CO) 피독에 취약하고 물 관리가 어려워 보조설비 (BOP, BalanceOf Plant)가 과도하게 필요하게 된다. 이로 인해 시스템이 크고 초기 비용이 높다. 뿐만 아니라 시스템으로부터수급되는 온수의 온도가 낮아 열원의 활용도가 낮다. 기존 시스템의 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로인산을 담지한 폴리벤지미다졸(PBI : polybenzimidazole) 막을 사용하는 고온 PEMFC가 주목받고 있다. 이 기술은 수소 이온의 전도 매개체로써 물이 아닌 인산을 사용하며 120에서 190℃ 사이의 운전 온도 영역을 가진다.따라서 외부 가습이 필요 없으며 캐소드(cathode) 전극층에서 증기상으로 물이 발생하기 때문에 복잡한 물 관리문제를 해결할 수 있다. 높은 작동 온도는 CO 등의 오염물질에 대한 촉매층의 피독 저항성을 극적으로 증가시키기 때문에 연료 개질 공정을 간소화할 수 있다. 또한 스택의 온도가 외부 환경과 큰 온도차를 가져 효과적인 냉각이 가능하고 고온의 열원 회수가 가능해 열 활용도가 높다는 장점을 가지며 성능과 내구성이 운전 조건에 큰영향을 받는다는 특징을 가진다. 그럼에도 불구하고 기존 PEMFC에 비해 고온 PEMFC에 대한 연구 기간이 짧아 운전조건에 따른 성능과 내구성에 대한 연구사례가 매우 적으며, 운전조건이 성능과 내구성에 큰 영향을 미친다는것은 확인하였으나. 최적의 운전 조건을 제시하지는 못했다.[0008] 따라서 성능과 내구성을 극대화하기 위해 운전조건의 최적화에 대한 연구가 필요하다.[0009] 한국공개특허 [10-2011-0033490]에서는 고분자 전해질 연료전지의 운전 방법이 개시되어 있다. 

선행기술문헌
특허문헌
[0010] (특허문헌 0001) 한국공개특허 [10-2011-0033490] 

발명의 내용
해결하려는 과제
[0011] 따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실험계획법을도입하여 인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 기반의 고온 PEMFC(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell)의 성능과 내구성을 고려한 운전조건에 따른 모델을 개발하고, 개발된 모델을 이용하여 최적 운전 조건을 도출하는데그 목적이 있다.
과제의 해결 수단
[0012] 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질막 연료전지의 운전조건 최적화 방법은, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 성능 및 내구성의 예측에 필요한 특성치, 상기 특성치에 영향을 주는 인자 및 상기 인자의 인자수준을 결정하여 실험계획법에 의하여 실험 계획을결정하는 실험계획 단계(S10); 상기 실험계획 단계(S10)에서 결정된 실험계획법에 의하여 실험하는 실험 단계(S20); 상기 실험 단계(S20)의 실험 결과를 이용하여 성능모델을 구축하는 성능모델구축 단계(S30); 및 상기 성능모델구축 단계(S30)의 결과를 이용하여 운전조건의 최적화 지점을 찾는 운전조건최적화 단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.[0013] 또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 특정한 실험조건(운전조건) 하에서 일정기간동안 수행하는 장기 테스트인 것을 특징으로 한다.[0014] 또, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법을 이용하는 것을 특징으로 한다.[0015] 또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면법의 추정식이 1차 회귀모형으로 적절하다고 판단되면,요인배치법, 2수준계의 일부실시법, 심플렉스 계획법 중 선택되는 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.또, 상기 실험계획 단계(S10)는 반응표면의 추정식이 2차 회귀모형으로 적절하다고 [0016] 판단되면, 요인배치법, 3수준계의 일부실시법, 중심합성계획법, 회전계획법, 회전중심합성계획법, Box-Behnken계획법 중 선택되는 어느하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.[0017] 또한, 상기 실험계획 단계(S10)는 특성치 및 인자를 결정하는 변수결정 단계(S11); 및 상기 인자의 인자 수준을결정하는 인자수준결정 단계(S12);를 포함하는 것을 특징으로 한다.[0018] 또, 상기 변수결정 단계(S11)의 특성치는 전압 및 단위 시간당 전압 감소율인 것을 특징으로 한다.[0019] 또한, 상기 변수결정 단계(S11)의 인자는 셀 온도, 연료 과급률 및 공기 과급률인 것을 특징으로 한다.[0020] 또, 상기 인자수준결정 단계(S12)의 인자 수준은 셀 온도를 120-190℃, 연료 과급률을 1.2-3.0, 공기 과급률을1.5-4.0으로 하는 것을 특징으로 한다.[0021] 또한, 상기 실험 단계(S20)는 인산이 담지된 폴리벤지미다졸(PBI) 막과 탄소 섬유 가스 확산 전극 (GDE : GasDefusion Electrode)을 포함하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 기반으로 상기 인자에해당하는 값을 조절하고, 상기 특성치의 측정이 가능하도록 준비하는 실험준비 단계(S21); 일정 시간 동안 셀을상온에서 설정 온도까지 가열하는 활성화 단계(S22); 수소 및 산소 공급 관에서 라인히터에 의해 셀 운전 온도까지 가열된 건 수소와, 건공기를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하는 연료공급 단계(S23); 및일정 시간 동안 일정 전류밀도를 일정하게 인가하는 연료전지운전 단계(S24);를 포함하는 것을 특징으로 한다.[0022] 또, 상기 활성화 단계(S22)는 셀 온도가 일정 온도에서 상기 설정온도까지 질소로 퍼지하는 것을 특징으로한다.[0023] 아울러, 상기 성능모델구축 단계(S30)는 성능모델을 구축하기 위한 각각의 변수에 해당되는 값을 입력하는 변수입력 단계(S31); 상기 변수입력 단계(S31)에서 입력된 값을 이용하여 회귀분석 하는 회귀분석 단계(S32); 및 상기 회귀분석 단계(S20)에서 산출된 회귀 계수들을 이용하여 R2(R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로결정하는 성능모델결정 단계(S33);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 

발명의 효과
[0024] 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화 방법에의하면, 실험계획법을 이용하여 불필요한 실험을 줄일 수 있는 효과가 있고, 고온 고분자 전해질 막 연료전지의성능과 내구성을 고려한 운전조건에 따른 모델을 개발하며, 개발된 모델을 이용하여 최적 운전 조건을 도출할수 있는 효과가 있다.[0025] 또한, 장기 테스트를 함으로써, 실험 대상에 열악한 환경과 조건을 부여하여 단기간 내에 수행하는 가혹조건 테스트로는 알 수 없는 특정 운전조건 하에서의 성능 및 내구성 결과를 이용하여 최적화된 특정 운전 조건을 도출할 수 있는 효과가 있다.[0026] 또, 반응표면법 및 반응표면법의 추정식에 적절한 회귀모형에 따라 그에 적합한 방법으로 실험계획을 세움으로써 보다 정확한 성능모델을 구축할 수 있는 효과가 있다.[0027] 또한, 특성치, 인자 및 인자수준을 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있도록 결정함으로써, 정확성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.[0028] 또, 실험준비 단계, 활성화 단계, 연료공급 단계 및 연료전지운전 단계를 거침으로써, 실험 결과에 미치는 외부요인을 최소화하여 신뢰성 높은 실험결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.[0029] 또한, 일정 온도 구간은 질소로 퍼지함으로써 보다 높은 실혐결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.아울러, R2[0030] (R-square) 값이 가장 높은 회귀식을 성능모델로 결정함으로써, 신뢰성이 가장 높은 성능모델을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 [0031] 전해질 막 연료전지의 운전조건최적화 방법의 순서도.
도 4는 실험을 위한 실험장치의 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험계획법을 이용한 고온 고분자 전해질 막 연료전지의 운전조건 최적화방법의 순서도.
도 6은 운전조건에 따른 전압을 보여주는 그래프.
도 7은 전압모델의 회귀계수를 보여주는 그래프.
도 8은 전압모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프.
도 9는 운전조건에 따른 전압의 반응표면을 보여주는 그래프.
도 10은 운전조건에 따른 내구성을 보여주는 그래프.
도 11은 내구성모델의 회귀계수를 보여주는 그래프.
도 12는 내구성모델의 결과와 실험 데이터와의 비교 결과를 보여주는 그래프.
도 13은 운전조건에 따른 내구성의 반응표면을 보여주는 그래프.
도 14는 전압모델, 내구성모델 및 전압과 내구성을 고려한 모델의 목표운전 시간에 따른 성능 및 내구성을 보여주는 그래프.