KR0123743B1 - 연료전지 전극의 전처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 조립후 기공내로 전해액 침투를 용이하게하기 위하여 전지의 각 단에 수소를 공급하면서 전압 변화를 주는 전극의 전처리 방법에 관한 것이다. 즉, 연료전지의 조립후, 음극 및 양극에 수소기체를 공급하면서 양쪽 전극 사이의 상대전압을 소정의 범위내에서 변화시키는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 의하면, 기체확산전극의 기공내로 전해액이 완전히 신속하게 침투되므로 전극의 성능을 조기에 개선할 수 있게 된다.

Description

연료전지 전극의 전처리 방법

제1도는 통상적인 인산형 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식 단면도이고

제2도는 통상적인 연료전지 전극의 모식 단면도이고

제3도는 본 발명의 연료전지 전극의 전처리 방법을 설명하는 모식 단면도이다

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 매트릭스 2 : 양극

3 : 음극 4 : 분리판

5 : 전극 6 : 반응기체

7 : 전해액 8 : 촉매

9 : 전압계 10 : DC 전류공급장치.

본 발명은 연료전지 전극의 전처리 방법에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지의 조립후 기공내로 전해액 침투를 용이하게 하기 위하여 단위전지의 각 단에 전압 변화를 인가하여 주는 전처리 방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료가스로부터 얻어지는 수소화 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 발생되는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 사용하는 새로운 발전 시스템이다. 전기적 에너지가 연소등이 아닌 전기화학적 반응에 의하여 발생되므로 환경오염원의 생성이 적고, 소음 등의 발생이 없을 뿐 아니라 열효율이 높다는 장점이 있는 반면, 고온에서 동작하는데 따르는 전해질의 증발 및 재료의 열화 등과 같은 단점도 있다. 이러한 연료전지는 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 자동차용 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.

연료전지를 구분하면, 고온(약 500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료 전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 및 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 전해질형 연료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 양극, 음극 및 매트릭스로 구성되는 단위전지를 수십개 내지 수백개 적층하여 전체 시스템을 구성하게 된다. 연료전지의 작동원리를 인산형 연료전지의 경우를 예로 하여 설명한다.

제1도는 통상적인 인산형 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식 단면도이다. 단위전지는 전해질로서 인산을 보유하는 다공질의 절연재로 되는 매트릭스(1), 백금계 촉매가 결합제 겸 습밀봉제인 테프론에 의해 탄소기질 위에 코팅 형성된 기체확산전극인 양극(2) 및 음극(3)으로 구성되는데, 이러한 단위전지가 분리판(4)을 개재하여 복수로 적층되어 전지를 형성하게 된다. 양극(2)으로 수소가 공급되어 기체확산전극을 통과하면서 백금계 촉매에 의해 수소 양이온과 전자로 분리되고, 수소 양이온은 산소가 공급되는 음극(3)으로 전해질을 통하여 이동한다. 역시 기체확산전극으로 된 음극(3)에서는 외부 회로를 통하여 양극에서 발생한 전자가 전달되고 산소가 공급되는데, 수소 양이온과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물이 생성된다. 이때 양극(2)과 음극(3)을 연결한 외부전선으로 전자가 흐르게 되면서 전기를 발생시키게 된다.

제2도는 연료전지 전극의 모식 단면도로서, 기체확산전극의 기공 단면도가 나타나 있다. 즉, 전극(5) 뒤쪽으로부터 공급되는 반응기체(6)는 기공내로 확산되어 기공내에 존재하는 전해액(7)에 용해된 후, 기공벽에 위치하는 전극 촉매(8)에 의하여 산화 환원 반응이 일어나게 된다.

기체확산전극으로 구성된 연료전지에서 전극의 성능은 기공내의 전해액 침투 정도에 따라 많은 차이를 보이게 된다. 즉, 연료전지의 수소 산화반응 및 산소 환원반응은 주로 전극 기공내에 형성되는 기체-액체-고체의 동시 접촉계면인 삼상계면에서 진행되기 때문에, 기공내에 존재하는 전해액이 부족하거나 과도할 경우에는 이러한 삼상계면 영역이 좁아져서 전극의 성능이 목표치에 미달하게 된다.

상기에서 언급한 바와 같이, 연료전지의 전극은 테플론, 즉 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 소수성(疎水性) 재료를 사용하여 소수처리가 되어 있으므로 전해액이 전극으로 단시간내에 충분히 함침되지 못하게 되고, 따라서 연료전지 운용 초기에는 전극의 성능이 기대 수준에 미치지 못한다. 이러한 현상은 연료전지를 장기 운전하는 과정에서 반응물질의 흡착과 탈착을 수반한 전극 반응이 진행됨에 따라 다소 개선이 되는데, 정상적인 출력전압을 얻기까지는 수일 이상의 운전을 필요로 한다.

상기와 같이 정상적인 출력전압을 얻기까지 운전에 소요되는 기간은 전극 제조시의 조건, 즉 제조방법, PTFE 사용량 및 소결온도 등에 따라 많이 좌우되며, 연료전지의 성능을 단시간내에 원하는 수준에 도달하게 하기 위한 여러가지 방법이 시도되고 있다.

일본국 공개특허공보 평4-39870호에서는 인산형 연료전지에 있어서 전극에 인산 전해액을 단시간내에 함침시켜 높은 출력전압을 얻기 위한 인산의 함침 방법을 개시하고 있다. 즉, 인산형 연료전지의 조립후, 무부하상태에서 연료극 및 공기극에 산화제 가스를 공급하여 한쪽의 전극에 산화제 가스가 공급된 상태에서 다른쪽의 전극에 연료를 유입시키는 공정을 적어도 1회 이상 시행하여 줌으로써, 전극의 전위를 일시적으로 1.5V(참조전극에 대하여)가 넘는 고전위로 만들어 인산이 전극에 급속히 흡수될 수 있도록 하고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점 및 선행 기술을 고려하여, 연료전지의 조기 성능 확보를 위하여 기체확산전극 기공내에 전해액의 침투를 용이하게 하는 연료전지 전극의 전처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 전극의 전처리 방법은 연료전지의 조립후, 음극 및 양극에 수소 기체를 공급하면서 양쪽 전극 사이의 상대전압을 소정의 범위내에서 변화시키는 것을 특징으로 한다.

상기에서 양쪽 전극 사이의 상대전압은 +0.6V로부터 -0.6V까지의 범위 내지 +2V로부터 -2V까지의 범위내에서 변화되도록 하는 것이 바람직하다. 또한 상기에서 양쪽 전극 사이의 상대전압은 양쪽 전극에 전류를 변화시키면서 통하여 주는 것에 의하여 변화되도록 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명은 연료전지 전극의 조립후 양극 및 음극의 양쪽 전극에 모두 수소를 공급하면서 전압의 변화를 줌으로써, 각 단의 전압이 전기화학적 수소 흡수 방출 전위에서 수소의 흡수 방출이 반복하여 이루어질 수 있도록 한 것이다. 이에 따라 전극의 기공내에서 수소 기체를 연속적으로 발생 제거시킴으로써 기공내로 전해액이 용이하게 흡입될 수 있게 되어, 전극의 성능을 조기에 개선할 수 있다.

이하 제3도를 참고로 하여 본 발명의 연료전지 전극의 전처리 방법을 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명의 연료전지 전극의 전처리 방법을 설명하는 모식 단면도이다. 여기에서 보면, 양극(2) 및 음극(3), 매트릭스(1)로 구성되는 단위전지가 분리판(4)으로 분리 조립되어 있다. 양쪽 전극으로 수소 기체를 공급하여 주면서, 전압계(9)를 사용하여 각 단의 전압이 +0.6V로부터 -0.6V까지의 범위 내지 +2V로부터 -2V까지의 범위내에서 변화되도록, DC전류공급장치(10)를 통하여 전류를 변화시키면서 공급하여준다.

각 단의 전압을 +0.6V로부터 -0.6V까지의 범위로 변화시키는 것을 예로 들어 설명한다. 먼저 두 분리판(4)의 상대전압이 0V에서 시작하여 0.6V가 될 때까지 서서히 전류를 증가시키고, 상대전압이 0.6V에 도달하면 공급전류를 서서히 감소시켜 상대전압을 0V로 저하시킨다. 다음에는 전류의 극을 바꾸어 상대전압이 -0.6V가 될 때까지 외부전류를 증가시킨 후 다시 공급전류를 서서히 감소시켜 상대전압이 0V가 되도록 한다.

이러한 조작을 적어도 1회 이상 반복하여 추가의 전극 성능 향상이 얻어지지 않을때까지 시행한다.

상기와 같은 전극의 전처리가 종결되면 음극의 수소를 질소로 교환한 다음에, 산소 또는 공기를 공급하여 정상 작동을 시키게 된다.

이하 본 발명의 한 실시예를 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명을 이로서 제한하는 것은 아니다.

[실시예]

백금흑을 촉매로 하는 기체확산전극을 양극과 음극으로 사용하여 인산형 연료전지를 조립한다. 양쪽 전극에 수소 기체를 공급하여 주면서, 전압계를 사용하여 각 단의 전압이 +2V로부터 -2V의 범위로 변화되도록, DC전류공급장치를 통하여 전류를 공급하여 준다.

먼저 두 분리판의 상대전압이 0V에서 시작하여 2V가 될 때까지 서서히 전류를 증가시키고, 상대전압이 2V에 도달하면 공급전류를 서서히 감소시켜 상대전압을 0V로 저하시킨다. 다음에는 전류의 극을 바꾸어 상대전압이 -2V가 될 때까지 외부전류를 증가시킨 후 다시 공급전류를 서서히 감소시켜 상대전압이 0V가 되도록 한다. 이러한 조작을 수회 반복하여 추가의 전극 성능 향상이 얻어지지 않을때까지 시행한다.

상기와 같은 전극의 전처리가 종결되면 음극의 수소를 질소로 교환한 다음에, 산소 또는 공기를 공급하여 정상작동을 시킨다.

상기 실시예에서와 같이 인산형 연료전지의 백금흑을 촉매로 하는 기체확산전극에 본 발명의 처리방법을 사용하였을 경우, 전지의 전류가 0.55V에서 1.6A로부터 2.7A로 70% 정도 증대된 것을 볼 수 있었다.

본 발명의 연료전지 전극의 전처리 방법에 있어서, 양쪽 전극 사이의 상대전압의 변화는, DC전류공급장치에 의하여 조절할 수도 있지만, 전위조절장치(potentiostat)를 표준전극과 같이 사용하여 조절할 수도 있다.

또한, 본 발명의 처리방법은 상기와 같이 개개의 단위전지에 대하여 실시하는 것으로 설명되었으나, 연료전지 적층체의 각 단에 동시에 적용하여 실시될 수도 있다.

한편, 본 발명의 처리방법은 연료전지에 있어서 기체확산전극에 접촉하는 전해액의 기공내 침투를 용이하게 하는 방법으로서 기술되었으나, 전해액 속에 잠겨 작동하는 다공성 전극에서 전극내의 기공에 전해액을 완전히 침투시키기 위한 방법으로 적용될 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 연료전지의 조립후에 음극 및 양극에 수소 기체를 공급하면서 양쪽 전극 사이의 상대전압이 소정의 범위내에서 변화되도록 처리하는 본 발명의 방법에 의하면, 기체확산전극의 기공내로 전해액이 완전히 신속하게 침투되므로 전극의 성능을 조기에 개선할 수 있다.

Claims (3)

1. 연료전지의 조립후, 음극 및 양극에 수소 기체를 공급하면서 양쪽 전극 사이의 상대전압을 소정의 범위내에서 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 전극의 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 양쪽 전극 사이의 상대전압이 +0.6V로 부터 -0.6V 까지의 범위 내지 +2V로부터 -2V까지의 범위내에서 변화되도록 처리하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전극의 전처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 양쪽 전극 사이의 상대전압이 양쪽 전극에 전류를 변화시키면서 통하여 주는 것에 의하여 변화되도록 처리하는 것을 특징으로 하는 연료전리 전극의 전처리 방법.