[학위논문]전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 PEM 연료전지의 수명 추정 방법의 개발 Development of the Lifetime Estimation Method for the PEM Fuel Cells by the Electrochemical Impedance Spectroscopy원문보기
본 논문에서는 새로운 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지의 수명예측 방법 개발을 제안한다. 1장에서는 연료전지나 배터리 및 슈퍼커패시터 등의 전기화학적 전력기기의 ...
본 논문에서는 새로운 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지의 수명예측 방법 개발을 제안한다. 1장에서는 연료전지나 배터리 및 슈퍼커패시터 등의 전기화학적 전력기기의 임피던스 모델링에 적합한 저가의 임피던스 분광 시스템을 설계하고 구현하였다. 제안된 시스템은 간단한 센서회로 및 상용 DAQ(Data Acquisition) Board와 강력한 HMI(Human-Machine Interface)를 지원하는 그래픽 언어인 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 구성되었고 고가의 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 장비를 대체하여 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 제안된 시스템에서는 Lock-in Amplifier를 이용함으로써 노이즈(Noise)가 많은 환경에서도 측정 주파수 성분의 정확한 측정이 가능하게 하였다. 제안된 시스템을 이용하여 Ballard Nexa 1.2[kW] PEM 연료전지 스택의 주파수별 임피던스를 측정하였고, 이를 바탕으로 한 등가 임피던스 모델도 제안된다. 제시된 모델과 개발된 장비의 유용함은 리플전류에 의한 연료전지 스택의 교류 손실 측정을 통해 증명된다. 2장에서는 PEM 연료전지의 수명을 추정하는 새로운 방법을 제안한다. 연료전지의 신뢰성은 상용화에 있어서 주요한 관심사이므로 연료전지의 잔여수명이나 건전상태를 정확히 아는 것은 매우 중요하다. 연료전지의 수명은 등가회로의 AC 임피던스 파라미터를 관찰함으로써 추정될 수 있는데, 이는 파라미터가 수명시간에 걸쳐 열화를 겪는 연료전지의 내부 상태를 반영하기 때문이다. 실험에서는 연료전지의 AC 임피던스 파라미터를 매 168시간 마다 2200시간 이상 관찰하였고 AC 임피던스 파라미터의 변동은 4차 다항식으로 커브피팅하였다. 이 방정식에 기초하여 연료전지의 수명추정 방법을 확립하였다.
본 논문에서는 새로운 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지의 수명예측 방법 개발을 제안한다. 1장에서는 연료전지나 배터리 및 슈퍼커패시터 등의 전기화학적 전력기기의 임피던스 모델링에 적합한 저가의 임피던스 분광 시스템을 설계하고 구현하였다. 제안된 시스템은 간단한 센서회로 및 상용 DAQ(Data Acquisition) Board와 강력한 HMI(Human-Machine Interface)를 지원하는 그래픽 언어인 LabVIEW 소프트웨어를 이용하여 구성되었고 고가의 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 장비를 대체하여 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 제안된 시스템에서는 Lock-in Amplifier를 이용함으로써 노이즈(Noise)가 많은 환경에서도 측정 주파수 성분의 정확한 측정이 가능하게 하였다. 제안된 시스템을 이용하여 Ballard Nexa 1.2[kW] PEM 연료전지 스택의 주파수별 임피던스를 측정하였고, 이를 바탕으로 한 등가 임피던스 모델도 제안된다. 제시된 모델과 개발된 장비의 유용함은 리플전류에 의한 연료전지 스택의 교류 손실 측정을 통해 증명된다. 2장에서는 PEM 연료전지의 수명을 추정하는 새로운 방법을 제안한다. 연료전지의 신뢰성은 상용화에 있어서 주요한 관심사이므로 연료전지의 잔여수명이나 건전상태를 정확히 아는 것은 매우 중요하다. 연료전지의 수명은 등가회로의 AC 임피던스 파라미터를 관찰함으로써 추정될 수 있는데, 이는 파라미터가 수명시간에 걸쳐 열화를 겪는 연료전지의 내부 상태를 반영하기 때문이다. 실험에서는 연료전지의 AC 임피던스 파라미터를 매 168시간 마다 2200시간 이상 관찰하였고 AC 임피던스 파라미터의 변동은 4차 다항식으로 커브피팅하였다. 이 방정식에 기초하여 연료전지의 수명추정 방법을 확립하였다.
In this paper, a lifetime estimation methode for the PEM(Proton Exchange Membrane) fuel cells by the EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) is proposed. In the chapter 1, a low-cost impedance spectroscopy system(LCISS) suitable for modeling the electrochemical power sources such as fuel cells, ...
In this paper, a lifetime estimation methode for the PEM(Proton Exchange Membrane) fuel cells by the EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) is proposed. In the chapter 1, a low-cost impedance spectroscopy system(LCISS) suitable for modeling the electrochemical power sources such as fuel cells, batteries and supercapacitors is designed and implemented. Since the developed LCISS is composed of simple sensor circuits, commercial data acquisition board and LabVIEW software, a graphic language with powerful HMI(Human-Machine Interface), it is expected to be widely used in substitution of the expensive EIS instruments. In the proposed system, the digital lock-in amplifier is adopted to achieve the accurate measurements even in the presence of the high level of noises. The developed hardware and software is applied to measure the impedance spectrum of the Ballard Nexa 1.2[kW] proton exchange membrane fuel cell stack and an equivalent impedance model is proposed based on the measurement results. The validity of the proposed equivalent circuit and the developed system is proven by the measurement of the ac power losses of the PEM fuel cell stack by the ripple current. In the chapter 2, a novel method to estimate the lifetime of the PEM fuel cell is proposed. Since the reliability of the fuel cell is a primary concern in the commercialization of the fuel cell, it is important to precisely know the remaining life or the state of health of the fuel cell. The lifetime of the fuel cell can be estimated by observing the variation of the AC impedance parameters of the equivalent circuit, which reflect the internal status of the fuel cell undergoing degradation over the lifetime. In the experiments, AC impedance parameters are monitored at every 168 hours over more than 2200 hours and the variation of the AC impedance parameters are curve-fitted by the 4th order polynomial equations. Based on this equation lifetime estimation method of the fuel cell is established.
In this paper, a lifetime estimation methode for the PEM(Proton Exchange Membrane) fuel cells by the EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) is proposed. In the chapter 1, a low-cost impedance spectroscopy system(LCISS) suitable for modeling the electrochemical power sources such as fuel cells, batteries and supercapacitors is designed and implemented. Since the developed LCISS is composed of simple sensor circuits, commercial data acquisition board and LabVIEW software, a graphic language with powerful HMI(Human-Machine Interface), it is expected to be widely used in substitution of the expensive EIS instruments. In the proposed system, the digital lock-in amplifier is adopted to achieve the accurate measurements even in the presence of the high level of noises. The developed hardware and software is applied to measure the impedance spectrum of the Ballard Nexa 1.2[kW] proton exchange membrane fuel cell stack and an equivalent impedance model is proposed based on the measurement results. The validity of the proposed equivalent circuit and the developed system is proven by the measurement of the ac power losses of the PEM fuel cell stack by the ripple current. In the chapter 2, a novel method to estimate the lifetime of the PEM fuel cell is proposed. Since the reliability of the fuel cell is a primary concern in the commercialization of the fuel cell, it is important to precisely know the remaining life or the state of health of the fuel cell. The lifetime of the fuel cell can be estimated by observing the variation of the AC impedance parameters of the equivalent circuit, which reflect the internal status of the fuel cell undergoing degradation over the lifetime. In the experiments, AC impedance parameters are monitored at every 168 hours over more than 2200 hours and the variation of the AC impedance parameters are curve-fitted by the 4th order polynomial equations. Based on this equation lifetime estimation method of the fuel cell is established.
주제어
#PEM Fuel Cell Electrochemical Impedance Spectroscopy Digital Lock-in Amplifier LabVIEW Lifetime Estimation Method Degradation Time Constant
학위논문 정보
저자
이주형
학위수여기관
숭실대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
전기공학과(일원) 에너지 및 산업전자
지도교수
최우진
발행연도
2009
총페이지
49
키워드
PEM Fuel Cell Electrochemical Impedance Spectroscopy Digital Lock-in Amplifier LabVIEW Lifetime Estimation Method Degradation Time Constant
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