KR100446605B1 - 수소이온교환막연료전지의활성화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소이온 교환막 연료전지가 동작초기부터 최대출력을 발생할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수소이온 교환막 연료전지의 활성화 방법은, 애노드, 캐소드 및 이들 사이에 개재되어 있는 수소이온 도전막을 포함하는 PEMFC의 활성화 방법에 있어서, 상기 PEMFC를 조립한 후, 상기 PEMFC가 정상적으로 작동하기 이전에 상기 PEMFC에 전류를 흘려 상기 PEMFC를 활성화함으로써 작동초기부터 정상출력을 얻는 것을 특징으로 한다.

Description

수소이온교환막 연료전지의 활성화방법

본 발명은 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: 이하 "PEMFC"라 칭함)에 관한 것으로서, 상세하게는 PEMFC가 작동초기부터 최대출력을 발생할 수 있도록 하는 활성화방법에 관한 것이다.

수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 우수하다. 또한 상온에서 작동하고, 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신 장비, 의료 기기, 군사용, 우주 산업장비용 등 그 응용 분야가 매우 다양하다.

수소이온 교환막 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 발전 시스템으로서, 그 기본적인 작동원리는 도 1을 참조하여 설명된다.

도 1에서, 각각 연료 가스의 공급을 위한 지지층(미도시)과 연료 가스의 산화-환원 반응이 일어나도록 하는 촉매층(미도시)으로 구성된 애노드(11)와 캐소드(12)에서는 각각 반응 가스, 즉 수소 및 산소의 산화/환원 반응이 일어난다. 애노드(11)와 캐소드(12)를 통칭하여 가스 확산전극이라 한다.

하기 반응식 1 및 2에는 연료전지에서 일어나는 산화/환원 반응이 나타나 있다. 즉, 가스 확산 전극의 애노드(11)에서는 반응식 1과 같은 산화반응이 일어나, 수소 분자가 수소이온과 전자로 전환된다. 수소이온은 수소이온 도전막(13)을 거쳐 캐소드(12)로 전달된다. 캐소드(12)에서는 반응식 2에서와 같은 환원 반응이 일어난다. 즉, 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드(11)로부터의 수소이온과 반응하여 물분자로 전환된다.

[반응식 1]

[반응식 2]

상술한 바와 같은 원리로 작동하는 수소이온 교환막 연료전지에 있어서, 촉매층(미도시)은 탄소천 또는 탄소 페이퍼로 이루어진 전극 지지체(미도시) 위에 형성되어 있다. 이러한 촉매층 및 지지체로 이루어진 애노드(11) 및 캐소드(12) 사이에는 50∼200㎛ 두께의 수소이온 도전막(13)이 개재되어 있다.

이러한 수소이온 교환막 연료전지에 있어서, 촉매층은 표면적을 극대화하기 위해서 분말 형태의 백금이 코팅된 카본(platinized carbon, 이하 "백금/탄소"라 칭함) 분말과 결합제인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 이용하여 형성하고, 또한 수소이온 도전막(13)과 접촉하는 촉매층 표면상에 액상 폴리머 전해질을 함침(impregnation)시킨 다음, 건조하여 피막을 형성함으로써, 백금 촉매와 전해질과의 3차원 계면을 형성하는 방법이 일반적이다.

이때 탄소분말은 유입된 연료의 반응면적을 넓히는 역할을 하고 백금은 반응가스, 즉 수소 및 산소가 상기 반응식 1 및 2에 따라 원할하게 산화 및 환원반응을 일으키도록 유도한다.

그런데, 출력을 증가시키고 연료전지의 수명을 증가시키기 위해서는 촉매층의 재료인 백금/탄소의 특성이 중요하다. 즉, 반응면적을 넓히기 위해 백금분말은 입자 크기가 미세하여야 하고, 분산도도 균일하여야 한다. 또한, 탄소분말은 다공성구조를 유지하여 반응가스 및 물이 원활하게 이동할 수 있도록 하여야 하며, 백금분말을 강하게 지지함으로써 기계적 혹은 화학적 충격에 의해서 백금분말이 분리되는 현상을 방지할 수 있어야 한다.

한편, 애노드(11)와 캐소드(12) 및 수소이온 도전막(13)을 결합시켜 막전극 조립체(Membrane Electrode Assembly ;MEA)를 완성하고 이를 가스 플로우 필드(gas flow field)와 연결하면 PEMFC가 작동될 수 있는 상태로 된다. 이때, 종래에는 수소이온 도전막(13)의 내부에 수분을 충분히 공급하기 위해서 물을 함습시키는 정도의 활성화공정을 마친 후, 바로 PEMFC를 작동시켰다.

그러나, 이러한 단순한 활성화공정만을 마친 후 PEMFC의 작동을 시작하면 다음과 같은 이유 때문에 작동초기에는 최대출력을 얻기 어렵다.

첫째, 산화/환원 반응 사이트(site)가 반응가스인 수소 및 산소에 적절히 노출되지 않아, 상기 산화/환원 반응이 고르게 일어나지 못한다.

둘째, 막내부의 기공간에도 수소이온의 적절한 이동경로가 형성되지 않으므로 애노드(11)에서 발생한 수소이온이 캐소드(13)쪽으로 효율적으로 이동할 수 없다.

따라서, 이러한 경우, PEMFC의 최대출력은 정상작동 후, 수십시간 또는 심지어는 수백시간이 경과한 후에나 도달되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 PEMFC가 작동초기부터 전극의 반응효율을 높이고 출력을 향상시킬 수 있는 활성화방법을 제공하는데 있다.

도 1은 수소이온 교환막 연료전지의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 수소이온 교환막 연료전지를 활성화시키기 위해서 수소이온 교환막 연료전지에 전류를 흘려주는 본 발명의 일실시예에 따른 활성화공정의 사이클을 나타내는 그래프이다.

도 3은 활성화공정을 거친 경우(Ⅰ)와 활성화공정을 거치지 않고 작동시킨 경우(Ⅱ)의 수소이온 교환막 연료전지의 출력변화를 각각 나타내는 그래프이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : 애노드 12 : 캐소드

13 : 수소이온 도전막

상기 기술적과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 애노드, 캐소드 및 이들 사이에 개재되어 있는 수소이온 도전막을 포함하는 수소이온 교환막 연료전지 (PEMFC)의 활성화 방법에 있어서, 상기 PEMFC를 조립한 후, 상기 PEMFC를 정상적으로 작동시키기 이전에 상기 PEMFC에 전류를 흘려 상기 PEMFC를 활성화함으로써 작동초기부터 정상출력을 얻는 것을 특징으로 하는 PEMFC의 활성화 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 전류를 흘려주는 방법은, (a) 0.2 ∼ 0.25 A/㎠의 전류를 30 ∼ 60분 동안 흘려주는 단계; 및 (b) 갈바노-다이나믹(galvano-dynamic)한 방법으로 전류량을 0 A/㎠ ∼ 0.6 A/㎠ 까지 변화시키면서 다시 흘려주는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 전류를 흘려주는 방법을 2 ∼ 5회 반복하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 활성화방법에 있어서, PEMFC의 애노드와 캐소드 및 수소이온 도전막에 물리적 또는 화학적충격이 미치지 않는 범위내에서 고전류를 일정하게 공급하고 이어서 갈바노-다이나믹 사이클을 이루도록 흘려주는 활성화 사이클을 도입함으로써 단시간내에 PEMFC가 작동초기부터 정상출력을 발휘할 수 있으며, 이러한 활성화공정에 요하는 시간도 크게 단축된다.

본 발명의 활성화방법에 의해 PEMFC가 초기부터 정상출력을 발휘하게 되는 이유는 애노드(11)와 캐소드(12) 및 수소이온도전막(13)의 내부 구조에 다음과 같은 변화가 일어나기 때문이다.

첫째, 전류공급에 의하여 전극의 제조중 발생한 촉매분말 표면의 산화막이 제거됨에 따라 반응면적이 증대되어 수소의 산화반응속도 및 산소의 환원반응속도가 최대화된다.

둘째, 촉매층의 미세한 부분 또는 촉매분말 표면의 최전단까지 기공간에 통로가 형성되어 연료공급경로로서 작용함에 따라 반응효율이 높아지는 방향으로 최적의 연료공급경로를 형성시킨다.

셋째, 수소이온도전막의 기공속에 존재하는 술폰산기(sulfonic acid group)가 수소이온과 술폰 음이온으로 분해되어 애노드로부터 발생한 수소이온의 전도를 용이하게 해줌으로써 전체 PEMFC의 반응속도를 증가시킨다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실싱로만 한정되는 것은 아니다.

〈실시예 1〉

백금 촉매를 0.35 mg/㎠, PTFE 20중량％를 함유한 촉매층을 카본 페이퍼위에 코팅하여 애노드 및 캐소드를 각각 제조하였다. 이때, 전극의 크기는 25 ㎠로 하였다. 수소 이온 도전막으로서 나피온 117(Nafion 117; 듀퐁사 제품)을 이용하여, 이 막을 사이에 두고 상기 캐소드와 애노드를 적층한 다음, 핫 프레스를 이용하여 125℃에서 200 kg/㎠의 압력으로 가압하여 MEA를 제조하였다. 이어서, 수소와 산소를 공급하고 발생전류를 모으는 그래파이트 가스 플로우 필드(graphite gas flow field)에 제조한 MEA를 조합하여 싱글 셀을 완성하였다.

최초 작동에 앞서 5 A(즉, 0.2 A/㎠)의 일정전류를 30분 동안 흘려준 후, 0A ∼ 15 A(0 A/㎠ ∼ 0.6 A/㎠)의 전류를 스캐닝시킴으로써 상기 캐소드와 애노드를 활성화시켰다. 이와 같은 활성화공정을 한번 더 실시하였다. 도 2는 이와 같은 활성화공정의 사이클을 나타내는 그래프이다.

이어서, 싱글 셀의 출력밀도를 측정한 결과 작동초기에 0.6 V에서 0.4 W/㎠의 높은 출력을 얻었다(도 3의 I).

〈비교에 1〉

실시예 1에서 설명한 바에 따라 준비한 싱글 셀을 종래의 방법에 따라 수소 이온도전막에 물을 공급하는 활성화공정만을 실시한 후, 출력밀도를 측정한 결과 초기출력이 0.6V에서 0.25 W/㎠의 낮은 출력밀도를 보였고, 0.6 V의 전압출력을 위해서 정전위전류(potentiostatic current)를 20 시간 흘려준 후, 0.4 W/㎠의 최고 출력으로 안정화되었다(도 3의 Ⅱ).

〈비교예 2〉

실시예 1에서 최초 정전류의 양을 5 A 대신 7.5 A(즉, 0.3 A/㎠)로 하였으나, 싱글 셀의 전압이 0.3V 이하로 강화되어 일정전류를 지속적으로 공급할 수 없었다. 또한, 이 공정을 1시간 이상 실시할 경우에는 싱글 셀의 전압이 더 이상 증가하지 않고 싱글 셀의 온도가 상승하였다.

도 3은 실시예 1의 방법에 따라 활성화공정을 거친 경우의 싱글 셀의 출력변화(Ⅰ)와 비교예 1의 방법에 따라 활성화공정을 거치지 않고 작동시킨 경우의 출력변화(Ⅱ)를 각각 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 실시예에 따라 활성화공정을 거친 경우(Ⅰ)는 싱글 셀이작동초기부터 0.6 V에서 0.4 W/㎠의 높은 출력밀도를 나타내지만, 비교예 1의 방법에 따라 물을 공급하는 활성화공정만을 거친 경우(Ⅱ)는 초기 출력밀도가 0.6V에서 0.25 W/㎠의 낮았고 0.6 V의 전압출력을 위해서 정전위전류를 20 시간 흘려준 후에 야, 0.4 W/㎠의 최고출력으로 안정화됨으로써 정상출력을 얻기까지는 많은 시간이 소요되었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 수소이온교환막 연료전지의 초기활성화방법을 사용하여 PEMFC를 활성화하면 작동 초기부터 최대출력을 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 애노드, 캐소드 및 이들 사이에 개재되어 있는 수소이온 도전막을 포함하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC)의 활성화 방법에 있어서,

   상기 PEMFC를 조립한 후, 상기 PEMFC를 정상적으로 작동시키기 이전에, 상기 PEMFC에,

   (a) 0.2 ∼ 0.25 A/㎠의 전류를 30 ∼ 60분 동안 흘려주고,

   (b) 갈바노-다이나믹(galvano-dynamic)한 방법으로 전류량을 0 A/㎠ ∼ 0.6 A/㎠까지 변화시키면서 다시 흘려주어,

   상기 PEMFC를 활성화함으로써 작동초기부터 정상출력을 얻는 것을 특징으로 하는 PEMFC의 활성화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류를 흘려주는 방법을 2 ∼ 5회 반복하는 것을 특징으로 하는 PEMFC의 활성화 방법.