KR101189240B1 - 연료 전지 스택의 활성화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치는, 연료 전지 스택의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 상기 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지는 것으로서, ⅰ)상기 연료 전지 스택의 활성화 제어를 위한 활성화 제어기와, ⅱ)상기 각 연료 전지 스택에 연결되며, 상기 활성화 제어기를 통해 상기 다수의 연료 전지 스택들 중 어느 하나에 대하여 상기 연료와 산화제를 공급하기 위한 공용 분배기와, ⅲ)상기 각 연료 전지 스택과 전기적으로 연결되는 전자 부하와, ⅳ)상기 활성화 제어기를 통해 상기 전자 부하에 대하여 상기 각 연료 전지 스택의 개별적인 부하인가가 이루어지는 릴레이유닛을 포함한다.

Description

연료 전지 스택의 활성화 장치 {SYSTEM FOR ACTIVATING FUEL CELL STACK}
본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 스택의 활성화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하는 연료 전지 스택의 활성화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 일으키는 전극과, 그 반응에 의해 발생된 수소 이온을 전달하는 고분자 전해질막과, 상기한 전극과 고분자 전해질막을 지지하는 세퍼레이터로 이루어져 있다.
현재 자동차용 연료전지로 가장 각광 받고 있는 것은 고분자 전해질 연료전지이며, 상기한 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있다.
또한 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
상기한 고분자 전해질 연료전지는 수소를 포함하는 연료와 공기와 같은 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기 에너지를 발생시키는 장치로써, 공급된 연료가 애노드 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산화제와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
실제 자동차용 연료전지에서는 높은 전위를 얻기 위해 개별 단위 전지를 필요한 전위 만큼 적층해야 하며 이렇게 단위 전지를 적층한 것을 스택(Stack)이라고 한다.
한편, 연료 전지의 전극은 나피온 같은 수소이온 전달체와 백금과 같은 촉매를 혼합하여 만들게 되는데, 연료전지 제작 후 초기 운전하여 전기화학 반응시 그 활성도가 떨어진다.
왜냐하면, 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없기 때문이고, 촉매와 같이 삼상 계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기에 쉽게 가수화가 되지 않기 때문이며, 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않았기 때문이다.
이 때문에 막-전극 어셈블리(전극과 고분자 전해질막의 집합체) 및 세퍼레이터를 이용하여 연료전지를 조립한 후, 연료전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화(Activation)라는 절차가 필요하다.
상기한 활성화의 목적은 막-전극 어셈블리 및 스택의 제조 과정에서 유입된 잔류 분순물을 제거하고, 반응에 참여하지 못하는 촉매 금속 반응 사이트를 활성화하며, 반응물의 촉매까지의 이동통로를 확보하고, 고분자 전해질막 및 전극 내에 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보하기 위해서이다.
연료전지의 활성화는 연료전지 제작 업체마다 여러 가지 다른 방법을 가지고 수행하고 있지만, 주된 활성화 방법은 일정 전압 하에서 장시간 운전하는 형태로 활성화하고 있다.
이를 위한 종래 기술에 따른 연료 전지의 활성화 장비는 다수 개의 연료 전지를 조립한 스택을 제작한 후, 그 스택으로 연료와 산화제를 공급하고, 스택에서 발생하는 전기 에너지를 전자 부하에 인가함으로써 상기한 바와 같은 연료 전지의 활성화 공정이 이루어진다.
그런데, 종래 기술에서는 단일의 활성화 장비로서 하나의 연료전지 스택에 대해서만 활성화 공정이 이루어지는 바, 여러 개의 연료전지 스택을 활성화하기 위해서는 시간이 많이 소요되거나 많은 수의 활성화 장비를 필요로 하기 때문에, 연료전지 스택의 양산성이 저하되며, 고가의 활성화 장비를 도입함에 따른 많은 비용과 공정 시간이 소요된다는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 연료 전지 스택의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지며, 단일의 장비로서 다수 개의 연료 전지 스택 활성화 공정을 수행할 수 있도록 한 연료 전지 스택의 활성화 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치는, 연료 전지 스택의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 상기 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지는 것으로서, ⅰ)상기 연료 전지 스택의 활성화 제어를 위한 활성화 제어기와, ⅱ)상기 각 연료 전지 스택에 연결되며, 상기 활성화 제어기를 통해 상기 다수의 연료 전지 스택들 중 어느 하나에 대하여 상기 연료와 산화제를 공급하기 위한 공용 분배기와, ⅲ)상기 각 연료 전지 스택과 전기적으로 연결되는 전자 부하와, ⅳ)상기 활성화 제어기를 통해 상기 전자 부하에 대하여 상기 각 연료 전지 스택의 개별적인 부하인가가 이루어지는 릴레이유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 스택의 활성화 장치에 있어서, 상기 공용 분배기는 상기 연료와 산화제를 수용하는 공용 리저버와, 상기 다수의 연료 전지 스택에 대응하여 다수 개로서 구비되고 연료 공급라인 및 산화제 공급라인을 통해 상기 리저버와 연결되게 설치되며 상기 연료와 산화제를 상기 각 연료 전지 스택으로 공급하는 매니폴드부를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 활성화 장치에 있어서, 상기 각 공급라인에는 상기 활성화 제어기의 제어 신호로서 작동하는 솔레노이드 밸브가 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 활성화 장치는, 상기 솔레노이드 밸브에 의해 상기 다수의 연료 전지 스택들에 대한 상기 연료와 산화제의 공급이 순차적으로 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 활성화 장치는, 상기 릴레이유닛에 의해 상기 전자 부하와 상기 연료 전지 스택들의 전기적인 스위칭이 순차적으로 이루어질 수 있다.
상기 연료 전지 스택의 활성화 장치에 있어서, 상기 릴레이유닛은 상기 활성화 제어기에 의해 상기 전자 부하와 상기 각 연료 전지 스택의 전기적인 스위칭이 선택적으로 이루어지는 다수의 릴레이들을 공용 스위칭 박스 내에 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지 스택의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지며, 단일의 장비로서 다수 개의 연료 전지 스택 활성화 공정을 수행할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 단일의 활성화 장비로서 여러 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지므로, 연료 전지 스택의 생산성을 높일 수 있고, 장비의 활용도 및 비용 절감을 극대화시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치에 대한 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치(100)는 연료 전지 스택(1)의 조립 후, 그 스택(1)의 차량 탑재 전에 연료 전지의 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위해 연료 전지의 활성화 공정을 수행하는 활성화 시스템으로서 이루어진다.
여기서, 상기 연료 전지 스택(1)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지로서의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로서 이루어진다.
상기 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA)와 그 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함하여 이루어진다.
이 경우, 상기 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 고분자 전해질막을 형성하고 있다.
상기 애노드 전극은 세퍼레이터를 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 고분자 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터를 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
본 실시예에 의한 상기 활성화 장치(100)는 3상의 전극 반응 면적을 확보하고, 연료 전지에 있어 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막 또는 전극으로 유입된 불순물 제거하며, 및 고분자 전해질막의 이온 전도성을 향상시키기 위한 것이다.
이와 같은 활성화 장치(100)는 본 실시예에서 연료 전지 스택(1)의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 연료 전지 스택(1)의 활성화 공정이 이루어지며, 단일의 장비로서 다수 개의 연료 전지 스택(1)의 활성화 공정을 수행할 수 있는 구조로서 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치(100)는 기본적으로, 활성화 제어기(10)와, 공용 분배기(30)와, 전자 부하(50)와, 릴레이유닛(70)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 의한 상기 활성화 장치(100)는 도면에서 3개의 연료 전지 스택(1)에 대하여 활성화 공정을 수행하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명에서는 반드시 이에 한정되지 않고, 그 개수를 초과하는 연료 전지 스택(1)에 대하여 활성화 공정을 수행할 수 있다.
그러나, 이하에서는 상기 연료 전지 스택(1)을 편의 상 제1 내지 제3 연료 전지 스택(ST1, ST2, ST3)로 명명하기로 한다.
본 실시예에서, 상기 활성화 제어기(10)는 연료 전지 스택(1)의 활성화 제어를 위한 것이다.
이러한 활성화 제어기(10)는 단일 장비로서, 각종 센서들 및 측정기 등으로부터 감지 신호 또는 전기적인 신호를 제공받아 이를 비교 판단하여 소정의 제어 신호로 변환하는 컨트롤러로서 구비된다.
본 실시예에서, 상기 공용 분배기(30)는 활성화 제어기(10)를 통해 다수의 연료 전지 스택들(1) 중 어느 하나에 대하여 연료와 산화제를 공급하기 위한 것이다.
즉, 상기 공용 분배기(30)는 활성화 제어기(10)로부터 제어 신호를 인가받아 제1 내지 제3 연료 전지 스택(ST1, ST2, ST3)에 대하여 연료와 산화제를 순차적으로 공급하기 위한 것이다.
다시 말하면, 상기 공용 분배기(30)는 활성화 제어기(10)로부터 소정의 제어 신호를 인가 받으면, 다수의 연료 전지 스택들(1) 중 어느 하나의 연료 전지 스택(1)으로 연료와 산화제를 공급하고, 나머지 연료 전지 스택(1)에 대해서는 연료와 산화제를 공급하지 않는 기능을 하게 된다.
이러한 공용 분배기(30)는 연료와 산화제를 수용하는 공용 리저버(31)와, 각각의 연료 전지 스택(1)에 대응하여 공용 리저버(31)에 연결되게 설치되는 매니폴드부(32)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 공용 리저버(31)는 연료의 입출이 가능한 연료 입출수단(도면에 도시되지 않음), 및 산화제의 입출이 가능한 산화제 입출수단(도면에 도시되지 않음)을 형성하고 있다.
그리고, 상기 매니폴드부(32)는 다수의 연료 전지 스택(1)에 대응하여 다수 개로서 구비되고, 일 예로서 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)을 통해 리저버와 각각의 연료 전지 스택(1)에 연결되게 설치될 수 있다.
본 실시예의 도면에서는 연료 전지 스택들(1)에 대응하여 단일의 공용 리저버(31)에 3 개의 매니폴드부(32)가 연결되게 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에서는 반드시 이에 한정되지 않고, 그 개수가 연료 전지 스택(1)의 개수에 따라 달라질 수 있다.
이하에서는 편의 상 상기 다수의 매니폴드부(32)를 제1 내지 제3 매니폴드부(MF1, MF2, MF3)로 명명하기로 한다.
예를 들면, 상기 제1 매니폴드부(MF1)는 제1 연료 전지 스택(ST1)에 연결되며, 제2 매니폴드부(MF2)는 제2 연료 전지 스택(ST2)에 연결되고, 제3 매니폴드부(MF3)는 제3 연료 전지 스택(ST3)에 연결될 수 있다.
한편, 상기 각 매니폴드부(32)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)에는 활성화 제어기(10)로부터 제공되는 제어 신호에 의해 이들의 유로를 선택적으로 개폐할 수 있는 솔레노이드 밸브(33)가 설치된다.
이하에서는 편의 상 상기 솔레노이드 밸브(33)를 제1 내지 제3 솔레노이드 밸브라고 명명하며, 도면에서는 이들 제1 내지 제3 솔레노이드 밸브 각각에 SV1, SV2, SV3를 부여하기로 한다.
예를 들면 도면을 기준할 때, 각 제1 내지 제3 매니폴드부(MF1, MF2, MF3)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)에는 활성화 제어기(10)로부터 제공되는 제어 신호에 의해 이들의 유로를 선택적으로 개폐할 수 있는 제1 내지 제3 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3)가 설치된다.
즉, 상기 제1 매니폴드부(MF1)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)에는 제1 솔레노이드 밸브(SV1)가 설치되며, 제2 매니폴드부(MF2)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)에는 제2 솔레노이드 밸브(SV2)가 설치되고, 제3 매니폴드부(MF3)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)에는 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 설치될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의한 상기 활성화 제어기(10)는 각각의 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3)를 제어하여 다수의 연료 전지 스택들(1)에 대하여 연료와 산화제를 순차적으로 공급할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 전자 부하(50)는 다수의 연료 전지 스택들(1)과 전기적으로 연결되는 것으로, 각각의 연료 전지 스택(1)에서 발생하는 전기 에너지를 선택적으로 인가받아 연료 전지 스택(1)의 펄스 방전 공정을 수행한다.
이 경우, 상기 전자 부하(50)는 활성화 제어기(10)와 연결되는 바, 그 활성화 제어기(10)는 연료 전지 스택(1)에서 전자 부하(50)로 인가되는 전기 에너지의 부하를 측정하게 된다.
본 실시예에서, 상기 릴레이유닛(70)은 활성화 제어기(10)를 통해 전자 부하(50)에 대하여 각 연료 전지 스택(1)의 개별적인 부하인가가 이루어지게 하는 것이다.
상기 릴레이유닛(70)은 전자 부하(50)와 연료 전지 스택들(1)의 전기적인 스위칭이 순차적으로 이루어지는 것으로, 전자 부하(50)와 각 연료 전지 스택(1)의 개폐 회로를 형성한다.
이러한 릴레이유닛(70)은 활성화 제어기(10)에 의해 전자 부하(50)와 각 연료 전지 스택(1)의 전기적인 스위칭이 선택적으로 이루어지는 다수의 릴레이들(R1, R2, R3)(이하에서는 편의 상 제1 내지 제3 릴레이 라고 한다)을 공용 스위칭 박스(71) 내에 구비하고 있다.
본 실시예의 도면에서는 상기와 같이 3 개의 릴레이(R1, R2, R3)가 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에서는 반드시 이에 한정되지 않고, 그 개수가 연료 전지 스택(1)의 개수에 따라 달라질 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치(100)에 대한 작동을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치에 대한 작동을 설명하기 위한 도면이다.
우선 본 실시예에서는 도 1에서와 같이, 공용 분배기(30)의 각 매니폴드부(32)를 다수의 연료 전지 스택(1)에 연결하고, 이들 연료 전지 스택(1)을 전자 부하(50)에 연결한다.
이하에서는 설명의 편의 상, 제1 매니폴드부(MF1)를 제1 연료 전지 스택(ST1)에 연결하고, 제2 매니폴드부(MF2)를 제2 연료 전지 스택(ST2)에 연결하며, 제3 매니폴드부(MF3)를 제3 연료 전지 스택(ST3)에 연결한 상태에서 연료 전지 스택들(1)의 활성화 공정이 이루어지는 예를 설명하기로 한다.
여기서, 상기 각 제1 내지 제3 매니폴드부(MF1, MF2, MF3)와 공용 리저버(31)를 연결하는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)은 활성화 제어기(10)에 의해 작동하는 제1 내지 제3 솔레노이드 밸브(SV1, SV2, SV3)를 통해 폐쇄된 상태에 있다.
그리고, 릴레이유닛(70)의 제1 내지 제3 릴레이(R1, R2, R3)는 활성화 제어기(10)에 의해 상기 각 연료 전지 스택(ST1, ST2, ST3)과 전자 부하(50)가 개회로를 이루고 있다.
이와 같은 상태에서, 본 실시예에서는 도 2a에서와 같이 활성화 제어기(10)를 통해 제1 솔레노이드 밸브(SV1)를 개방하고, 제1 릴레이(R1)를 연결하여 제1 연료 전지 스택(ST1)과 전자 부하(50)의 폐회로를 형성한다.
그러면, 공용 리저버(31)에 수용된 연료와 산화제는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)을 통해 제1 매니폴드부(MF1)에 공급되며, 그 매니폴드부(MF1)를 통해 제1 연료 전지 스택(ST1)으로 공급된다.
이에, 제1 연료 전지 스택(ST1)에서는 연료 전지에 의한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키고, 그 전기 에너지는 전자 부하(50)로 인가된다.
이 경우, 상기 제1 연료 전지 스택(ST1)은 전기 부하(50)에 대하여 1.2 또는 1.4A/㎠의 부하를 대략 3분간 전자 부하(50)로 인가하며 펄스 방전 공정의 활성화가 이루어진다.
상기한 과정에서, 제2 및 제3 연료 전지 스택(ST2, ST3)은 제2 및 제3 솔레노이드 밸브(SV2, SV3)가 활성화 제어기(10)에 의해 폐쇄되고, 제2 및 제3 릴레이(R2, R3)에 의해 전자 부하(50)와 개회로를 이루므로 활성화 대기 상태에 있다.
이어서, 상기 제1 연료 전지 스택(ST1)의 활성화 운전이 끝나면, 본 실시예에서는 도 2b에서와 같이 활성화 제어기(10)를 통해 제1 솔레노이드 밸브(SV1)를 폐쇄하고, 제1 릴레이(R1)의 연결을 끊는다.
다음, 본 실시예에서는 활성화 제어기(10)를 통해 제2 솔레노이드 밸브(SV2)를 개방하고, 제2 릴레이(R2)를 연결하여 제2 연료 전지 스택(ST2)과 전자 부하(50)의 폐회로를 형성한다.
그러면, 공용 리저버(31)에 수용된 연료와 산화제는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)을 통해 제2 매니폴드부(MF2)에 공급되며, 그 매니폴드부(MF2)를 통해 제2 연료 전지 스택(ST2)으로 공급된다.
이에, 제2 연료 전지 스택(ST2)에서는 연료 전지에 의한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키고, 그 전기 에너지는 전자 부하(50)로 인가된다.
이 경우, 상기 제2 연료 전지 스택(ST2)은 전기 부하(50)에 대하여 1.2 또는 1.4A/㎠의 부하를 대략 3분간 전자 부하(50)로 인가하며 펄스 방전 공정의 활성화가 이루어진다.
상기한 과정에서, 제1 연료 전지 스택(ST1)은 제1 솔레노이드 밸브(SV1)가 활성화 제어기(10)에 의해 폐쇄되고, 제1 릴레이(R1)에 의해 전자 부하(50)와 개회로를 이루므로 휴지기(shut-down) 공정이 이루어진다.
그리고, 제3 연료 전지 스택(ST3)은 제3 솔레노이드 밸브(SV3)가 활성화 제어기(10)에 의해 폐쇄되고, 제3 릴레이(R3)에 의해 전자 부하(50)와 개회로를 이루므로 활성화 대기 상태에 있다.
이어서, 상기 제2 연료 전지 스택(ST2)의 활성화 운전이 끝나면, 본 실시예에서는 도 2c에서와 같이 활성화 제어기(10)를 통해 제2 솔레노이드 밸브(SV2)를 폐쇄하고, 제2 릴레이(R2)의 연결을 끊는다.
다음, 본 실시예에서는 활성화 제어기(10)를 통해 제3 솔레노이드 밸브(SV3)를 개방하고, 제3 릴레이(R3)를 연결하여 제3 연료 전지 스택(ST3)과 전자 부하(50)의 폐회로를 형성한다.
그러면, 공용 리저버(31)에 수용된 연료와 산화제는 연료 공급라인(34) 및 산화제 공급라인(35)을 통해 제3 매니폴드부(MF3)에 공급되며, 그 매니폴드부(MF3)를 통해 제3 연료 전지 스택(ST3)으로 공급된다.
이에, 제3 연료 전지 스택(ST3)에서는 연료 전지에 의한 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키고, 그 전기 에너지는 전자 부하(50)로 인가된다.
이 경우, 상기 제3 연료 전지 스택(ST3)은 전기 부하(50)에 대하여 1.2 또는 1.4A/㎠의 부하를 대략 3분간 전자 부하(50)로 인가하며 펄스 방전 공정의 활성화가 이루어진다.
상기한 과정에서, 제1 연료 전지 스택(ST1)은 제1 솔레노이드 밸브(SV1)가 활성화 제어기(10)에 의해 폐쇄되고, 제1 릴레이(R1)에 의해 전자 부하(50)와 개회로를 이루므로 휴지기(shut-down) 공정이 지속되고 있다.
그리고, 제2 연료 전지 스택(ST2)은 제2 솔레노이드 밸브(SV2)가 활성화 제어기(10)에 의해 폐쇄되고, 제2 릴레이(R2)에 의해 전자 부하(50)와 개회로를 이루므로 휴지기 공정이 이루어진다.
이어서, 상기 제3 연료 전지 스택(ST3)의 활성화 운전이 끝나면, 본 실시예에서는 제1 내지 제3 연료 전지 스택(ST1, ST2, ST3)에 대해 상술한 바와 같은 일련의 과정을 수행하여 연료 전지 스택들(1)의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복함으로써 연료 전지 스택들(1)의 활성화 공정을 완료한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 활성화 장치(100)에 의하면, 연료 전지 스택(1)의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 연료 전지 스택(1)의 활성화 공정이 이루어지며, 단일의 장비로서 여러 연료 전지 스택(1)의 활성화 공정을 수행할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 단일의 활성화 장비에 여러 개의 연료 전지 스택(1)을 병렬 연결하고, 릴레이유닛(70)을 통해 순차적으로 연료 전지 스택(1)의 개별적인 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복함으로써 각각의 연료 전지 스택(1)에 대하여 펄스 방전과 휴지기의 완벽한 활성화 공정을 수행할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 단일의 활성화 장비로서 여러 연료 전지 스택(1)의 활성화 공정이 이루어지므로, 연료 전지 스택(1)의 생산성을 높일 수 있고, 장비의 활용도 및 비용 절감을 극대화시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 의한 활성화 장치(100)는 연료 전지 스택들(1)의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 연료 전지 스택들(1)의 활성화 공정이 이루어지므로, 연료 전지에서 증기상태의 물이 쉽게 응축되도록 유도함과 동시에 고전류 밀도에서 발생한 물이 고분자 전해질막의 서브 마이크로 기공 구조로 쉽게 확산되어 고분자 전해질막의 이온 전도도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 펄스 방전과 휴지기의 반복을 통하여 고분자 전해질막이 쉽게 스웰링(swelling) 될 수 있으므로, 이러한 고분자 전해질막의 부피 팽창으로 인해 막 기공 내 물의 흡수를 유리하게 해준다.
또한, 이 경우는 펄스 방전의 조건에서 고분자 전해질막 내 물의 흐름이 제한적이지만 휴지시에 펄스 방전에서 발생되거나 응축된 물이 보다 여러 방향으로 자유롭게 확산되면서 다양한 경로를 통해 고분자 전해질막의 기공 구조를 침윤(wetting)시켜 프로톤의 이동이 용이해진다.
따라서, 본 실시예에서는 고분자 전해질막의 스웰링에 의한 침윤에 의하여 수소 양이온의 이동에 적합한 막의 표면 구조가 형성되어 활성화 가속화 및 성능의 향상이 이루어질 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 펄스 방전과 휴지기 공정의 도입으로 펄스 방전 공정 만을 수행하는 활성화 공정과 달리, 수소 사용량을 약 30% 수준으로 줄일 수 있으며, 실제 활성화에 소요되는 공정 시간을 약 50% 수준으로 단축할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1... 연료 전지 스택 10... 활성화 제어기
30... 공용 분배기 31... 공용 리저버
32... 매니폴드부 33... 솔레노이드 밸브
34... 연료 공급라인 35... 산화제 공급라인
50... 전자 부하 70... 릴레이유닛
71... 공용 스위칭 박스 R1, R2, R3... 릴레이

Claims (6)

  1. 연료 전지 스택의 펄스 방전과 휴지기 공정을 반복하여 상기 연료 전지 스택의 활성화 공정이 이루어지는 연료 전지 스택의 활성화 장치로서,
    상기 연료 전지 스택의 활성화 제어를 위한 활성화 제어기;
    상기 각 연료 전지 스택에 연결되며, 상기 활성화 제어기를 통해 상기 다수의 연료 전지 스택들 중 어느 하나에 대하여 상기 연료와 산화제를 공급하기 위한 공용 분배기;
    상기 각 연료 전지 스택과 전기적으로 연결되는 전자 부하; 및
    상기 활성화 제어기를 통해 상기 전자 부하에 대하여 상기 각 연료 전지 스택의 개별적인 부하인가가 이루어지는 릴레이유닛
    을 포함하여 이루어지는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공용 분배기는,
    상기 연료와 산화제를 수용하는 공용 리저버와,
    상기 다수의 연료 전지 스택에 대응하여 다수 개로서 구비되고, 연료 공급라인 및 산화제 공급라인을 통해 상기 리저버와 연결되게 설치되며, 상기 연료와 산화제를 상기 각 연료 전지 스택으로 공급하는 매니폴드부
    를 포함하는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 각 공급라인에는 상기 활성화 제어기의 제어 신호로서 작동하는 솔레노이드 밸브가 설치되는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브에 의해 상기 다수의 연료 전지 스택들에 대한 상기 연료와 산화제의 공급이 순차적으로 이루어지는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 릴레이유닛에 의해 상기 전자 부하와 상기 연료 전지 스택들의 전기적인 스위칭이 순차적으로 이루어지는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 릴레이유닛은,
    상기 활성화 제어기에 의해 상기 전자 부하와 상기 각 연료 전지 스택의 전기적인 스위칭이 선택적으로 이루어지는 다수의 릴레이들을 공용 스위칭 박스 내에 구비하는 연료 전지 스택의 활성화 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006018266A (ja) 2004-06-29 2006-01-19 Xerox Corp 画像形成部材
KR100802748B1 (ko) 2006-11-21 2008-02-12 현대자동차주식회사 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치
US20090110993A1 (en) 2007-10-30 2009-04-30 Monika Backhaus-Ricoult Segmented solid oxide fuel cell stack and methods for operation and use thereof
KR101136502B1 (ko) 2007-02-05 2012-04-20 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006018266A (ja) 2004-06-29 2006-01-19 Xerox Corp 画像形成部材
KR100802748B1 (ko) 2006-11-21 2008-02-12 현대자동차주식회사 연료전지 활성화를 위한 수소 및 산소 공급장치
KR101136502B1 (ko) 2007-02-05 2012-04-20 도요타 지도샤（주） 연료전지시스템
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