KR101315762B1 - 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 활성화 공정중 셧 다운 단계에서, 진공 습윤 방법을 도입하여 활성화에 소요되는 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 한 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 연료전지 스택의 활성화 공정중 셧 다운 단계에서, 진공 습윤 방법을 적용하여 스택 내부에 진공을 유도함으로써, 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공으로 쉽게 확산되어 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 스택 활성화에 소요되는 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 한 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법{Method for fuel cell activation using vacuum wetting}
본 발명은 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 활성화 공정중 셧 다운 단계에서, 진공 습윤 방법을 도입하여 활성화에 소요되는 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 한 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법에 관한 것이다.
연료전지 스택의 조립 제작 후, 초기 운전시에는 전기 화학 반응에서 그 활성도가 떨어지므로, 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위해서 반드시 스택 활성화(Activation)라는 공정을 진행해야 한다.
프리-컨디셔닝(Pre-conditioning) 또는, 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하는 연료전지 활성화의 목적은 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화시키고, 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보하는데 있다.
좀 더 상세하게는, 연료전지 스택의 조립 후, 정상 상태의 성능을 발휘하기 위해서는 3상의 전극반응 면적 확보, 고분자 전해질 막 또는 전극의 불순물 제거, 고분자 전해질 막의 이온전도성 향상을 목적으로 스택 활성화 공정이 진행된다.
종래의 스택 활성화 방법에 대한 일례로서, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 고전류 밀도 방전과 셧다운(shut-down) 상태로 구성된 펄스 방전을 수회 내지 수십회 반복 실시하고 있으며, 220셀 서브모듈 기준으로 약 1시간 30분에서 2시간 정도 공정 시간이 소요된다.
좀 더 구체적으로, 종래의 스택 활성화 방법은 고전류밀도(1.2 또는 1.4A/㎠)를 3분 동안 방전하는 과정과, 셧다운 상태에서 5분 동안 펄스 방전이 이루어지는 과정을 11회 정도 반복 실시하여 이루어진다.
그러나, 이러한 펄스 방전을 통한 활성화 공정에서는 그 공정시간 뿐만 아니라 사용되는 수소량도 증가하는 단점이 있다.
즉, 셧다운(Shut-Down) 상태에서 펄스 방전을 이용하는 기존의 스택 활성화 방법은 연료전지의 내부 물 유동에 변화를 주어 활성화 속도가 증가하는 잇점이 있는 반면, 220셀 서브모듈 기준으로 활성화에 소요되는 시간은 약 105분, 수소사용량은 약 2.9kg가 소요되어, 공정시간이 너무 오래 걸리고, 수소 소모량이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 활성화 공정중 셧 다운 단계에서, 진공 습윤 방법을 적용하여 스택 내부에 진공을 유도함으로써, 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공으로 쉽게 확산되어 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 스택 활성화에 소요되는 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 한 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고전류밀도 방전 과정과, 셧다운 상태에서 스택의 내부를 진공분위기로 만들어주는 진공습윤 과정을 교번으로 수회 내지 수십회 반복 실시하여서 된 것을 특징으로 하는 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 스택 활성화 시간의 최적화를 위하여, 고전류 밀도 방전 과정 및 진공습윤 과정의 진행 시작 시점부터 스택 활성화 종료 시점까지의 진행 시간을 점차 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 더욱 바람직한 구현예로서, 상기 고전류 밀도 방전 과정은 초기에 5분 동안 진행하고, 점차 3분, 2분까지 시간을 단계적으로 줄여서 진행하며, 상기 진공습윤 과정은 초기에 8분 동안 진행하고, 점차 7분, 6분, 4분, 3분까지 시간을 단계적으로 줄여서 진행하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 진공 습윤 과정은 스택의 셧다운(Shut-down)중 스택 내부에 진공을 유도하는 과정으로서, 스택의 공기 입출구를 막은 후, 스택 내 잔여 반응가스를 소모시키는 과정으로 진행됨을 특징으로 한다.
또한, 스택의 셧다운(Shut-down)중 스택 내부를 진공분위기로 만들어줌에 따라, 고분자 전해질 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있도록 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공내로 확산되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 활성화 공정중 셧 다운 단계에서, 진공 습윤 방법을 적용하여 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공으로 쉽게 확산되도록 함으로써, 고분자 전해질 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스택 활성화에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 스택 활성화를 위한 수소 사용량을 줄일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 종래의 연료전지 스택 활성화 방법을 설명하는 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 활성화 방법을 설명하는 공정도,
도 3은 본 발명에 따른 스택 활성화 방법과 기존 방법간의 활성화 시간을 측정하여 비교한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 스택 활성화 방법과 기존 방법간의 수소소모량을 측정하여 비교한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 스택 활성화 과정중 전해질 고분자 막내의 구조 변화를 설명하는 개념도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 활성화 공정의 셧다운(shut-down) 단계에서 공기 입출구를 막은 후, 스택내 잔여 반응가스를 소진하는 방법으로 스택 내 진공을 유도하고, 이러한 진공 분위기에서는 고분자 전해질 막 내부의 서브마이크로 기공 안으로 물이 쉽게 확산되어 습윤(wetting)되도록 함으로써, 고분자 전해질 막의 표면 구조를 효과적으로 변화시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이렇게 고분자 전해질 막의 수분 흡수(water uptake) 능력을 향상시킴에 따라, 이온 전도도를 향상시킬 수 있고, 결과적으로 스택 활성화를 가속화시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.
이를 위해, 고전류밀도(1.2 또는 1.4A/㎠) 방전 과정과, 셧다운 상태에서 스택의 내부를 진공분위기로 만들어주어 이루어지는 진공습윤 과정을 교번으로 수회 내지 수십회 반복 실시하게 된다.
본 발명에 따르면, 스택 활성화 공정 시간을 최적화하기 위하여, 활성화 초기 단계에서는 고전류 밀도 방전 과정 및 진공습윤 과정을 위한 시간을 증가시키고, 반면에 스택 활성화가 어느 정도 진행되면 고전류 밀도 방전 과정 및 진공습윤 과정을 위한 시간을 점차적으로 줄이는 방식을 채택하여, 스택 활성화 시간을 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 도 2에서 보듯이 고전류 밀도 방전 과정은, 첫번째 및 두번째 방전 주기를 5분 동안 진행하고, 그 다음의 세번째 및 네번째 방전 주기를 3분 동안 진행하며, 다섯번째 내지 여덟번째 방전 주기를 2분 동안 진행하여 이루어진다.
또한, 각 고전류 밀도 방전 주기 사이에 실시되는 진공습윤 과정은 스택의 공기입출구를 막은 상태에서 스택내의 반응가스(수소 및 공기)를 소모시킴으로써, 스택의 내부를 진공분위기로 만들어주는 과정으로서, 도 1에서 보듯이 첫번째 진공습윤 주기는 8분 동안 진행하고, 점차적으로 7분, 6분, 4분, 3분까지 시간을 줄여서 진행하게 된다.
이때, 상기 진공 습윤 과정은 스택의 휴지기 즉, 셧다운(Shut-down)중 스택 내부에 진공을 유도하는 과정으로서, 셧다운 중 스택내 진공을 유지하기 위하여 공기 입출구를 막은 후, 약 5A의 전류를 인가하여 스택 내 잔여 반응가스가 조기에 소모되도록 한다.
이렇게 셧다운(Shut-down)중 스택 내부를 진공분위기로 만들어줌에 따라, 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공내로 쉽게 확산되어, 고분자 전해질 막은 이온전도성을 향상시킬 수 있는 상태가 된다.
보다 상세하게는, 셧다운(Shut-down)중 스택 내부를 진공분위기로 만들어주는 진공 습윤 공정을 통하여 고분자 전해질 막은 쉽게 스웰링(팽창: swelling)될 수 있고, 이러한 고분자 전해질 막의 팽창은 막의 기공 내에 물의 흡수가 유리하게 이루어지도록 막의 표면 구조를 변화시키되, 물 이동에 적합한 SO3- 고분자 구조가 막 표면으로 용이하게 배열하는 구조로 변화시킴에 따라, 고분자 전해질 막의 수분 흡수(water uptake) 능력이 향상될 수 있고, 결국 고분자 전해질 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있다.
즉, 첨부한 도 5를 참조하면, 고분자 전해질 막의 나노 크기 미세 기공으로 액적(Liquid water) 확산이 이루어지고, 그에 따라 고분자 전해질 막이 스웰링됨과 더불어, 막 표면의 작용기(SO3-H+)가 증대되어, 결국 고분자 전해질 막의 수분 흡수(water uptake) 능력이 향상될 수 있고, 결국 고분자 전해질 막의 이온전도도(S/cm)를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 기존의 스택 활성화 공정에서는 고분자 전해질 막내 물의 흐름이 제한적이지만, 상기와 같이 진공 습윤 공정을 실시함으로써, 고분자 전해질 막에서 물이 보다 여러 방향으로 자유롭게 확산되면서 다양한 경로를 통하여 막의 기공내에 침윤(wetting)되어, 결국 수소이온(proton)의 이동이 보다 용이해져 전극막 활성화 가속화 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기와 같이 실시되는 본 발명의 스택 활성화 공정에 걸리는 시간 및 수소 소모량을 측정하여, 기존의 스택 활성화 공정에 걸리는 시간 및 수소 소모량과 대비하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같다.
도 3에서 보듯이, 본 발명의 스택 활성화 공정은 기존과 달리 고전류 밀도 방전 과정 및 진공습윤 과정을 교번으로 반복시켜 진행함으로써, 초기 활성화 시간을 증가시키고, 점차 고전류 밀도 방전 과정 및 진공습윤 시간을 줄임에 따라, 활성화 종료시간(활성화도 100% 도달 시간)을 약 29.5분 단축시킬 수 있음을 알 수 있었고, 도 4에서 보듯이 수소 소모량도 활성화 시간 단축에 따라 약 1Kg 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (5)

  1. 고전류 밀도(1.2 또는 1.4A/㎠) 방전 과정과, 셧다운 상태에서 스택의 내부를 진공분위기로 만들어주는 진공 습윤 과정을 교번으로 수회 내지 수십회 반복 실시하고,
    상기 진공 습윤 과정은 스택의 셧다운(Shut-down)중 스택 내부에 진공을 유도하는 과정으로서, 스택의 공기 입출구를 막은 후, 스택 내 잔여 반응가스를 소모시키는 과정으로 진행됨을 특징으로 하는 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    스택 활성화 시간의 최적화를 위하여, 고전류 밀도 방전 과정 및 진공 습윤 과정의 주기별 시간을 점차적으로 줄여서 활성화 종료시간을 단축시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 고전류 밀도 방전 과정은 초기에 5분 동안 진행하고, 점차 3분, 2분까지 시간을 단계적으로 줄여서 진행하며, 상기 진공습윤 과정은 초기에 8분 동안 진행하고, 점차 7분, 6분, 4분, 3분까지 시간을 단계적으로 줄여서 진행하는 것을 특징으로 하는 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    스택의 셧다운(Shut-down)중 스택 내부를 진공분위기로 만들어줌에 따라, 고분자 전해질 막의 이온전도성을 향상시킬 수 있도록 스택 내부의 물이 고분자 전해질 막의 서브마이크로 기공내로 확산되는 것을 특징으로 하는 진공 습윤을 이용한 연료전지 스택 활성화 방법.
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