KR101326484B1 - 연료전지 스택의 부분 활성화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 활성화 공정에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 활성화 공정에서 수소 사용량을 줄이면서 공정시간을 단축할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 캐소드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 주입하여 연료전지 스택의 캐소드에 수분 액적을 포함하는 수소가 공급되도록 한 뒤 연료전지 스택을 밀봉하여 보관하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법을 제공한다.

Description

연료전지 스택의 부분 활성화 방법{Method for pre-activation of fuel cell}

본 발명은 연료전지 스택의 부분 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 본 활성화 공정에서 수소 사용량을 줄이면서 공정시간을 단축할 수 있도록 해주는 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 환경오염 문제에 대한 관심과 이산화탄소 배출 규제로 인해 친환경차량의 개발이 필수적으로 요구되고 있으며, 이에 환경오염을 일으키는 내연기관 자동차를 대체할 수 있으면서도 더욱 친환경적이고 효율이 뛰어난 연료전지 차량이 주목받고 있다.

현재 연료전지 차량의 주 동력원이 되는 연료전지로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 연구되고 있다.

연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막전극접합체는 수소이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)로 구성되어 있다.

또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 애소드 및 캐노드가 위치한 바깥부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.

이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합하여 연료전지 스택을 구성하게 된다.

각 단위 셀이 운전시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하는 것이다.

한편, 연료전지 스택의 조립 후 정상 상태의 성능을 발휘하기 위해서는 3상의 전극반응 면적 확보, 고분자 전해질막 또는 전극의 불순물 제거, 고분자 전해질막의 이온전도성 향상을 목적으로 하는 스택 활성화 공정이 진행된다.

특히, 연료전지 스택의 조립 후 초기 운전시에는 전기화학 반응에 있어서 그 활성도가 떨어지므로 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위하여 반드시 스택 활성화(Activation)라는 공정을 진행해야 한다.

이러한 스택 활성화 공정은 프리-컨디셔닝(Pre-conditioning) 또는 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하며, 그 목적은 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화시키고, 전해질막 및 전극 내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소 이온 통로를 확보하는 데 있다.

종래의 스택 활성화 공정에 관련된 선행문헌으로는 공개특허 제10-2011-0060035호, 특허출원 제10-2011-0012107호, 특허출원 제10-2011-0071201호를 들 수 있다.

종래의 경우 스택의 활성화를 위해 고전류 밀도 방전과 셧 다운(Shut-down) 상태로 구성된 펄스 공정을 수 회 내지 수십 회 반복하는 방법, 또는 도 1에 나타낸 바와 같이 고밀도 전류 출력과 진공으로 이루어진 공정을 실시하고 있다.

이 중에서 고전류 밀도 방전 및 셧 다운을 반복하는 방법에서는 220셀 서브모듈을 기준으로 약 1시간 30분에서 2시간 정도의 공정시간이 소요되는데, 좀 더 구체적으로 고전류 밀도(1.2 또는 1.4 A/㎠)를 3분 동안 방전하는 과정, 셧다운 상태에서 5분 동안 펄스 방전이 이루어지는 과정을 11회 정도 반복 실시하여 이루어진다.

그러나 이와 같은 펄스 방전을 통한 활성화 공정에서는 그 공정시간뿐만 아니라 사용되는 수소량도 증가하는 단점이 있다.

즉, 셧 다운 상태에서 펄스 방전을 이용하는 기존의 스택 활성화 방법은 연료전지 내부의 물 유동에 변화를 주어 활성화 속도를 증가시키는 이점이 있는 반면, 활성화에 소요되는 시간이 너무 길고, 많은 양의 수소가 소모되는 문제점을 가진다.

또한 도 1에서와 같이 1.2 또는 1.4 A/㎠의 고밀도 전류를 30초 동안 출력한 뒤 진공 또는 셧다운을 2 ~ 3분 실시하는 과정을 수 회 반복하는 종래의 스택 활성화 공정에서도 고전류의 출력을 사용하여야 하므로 수소 사용량이 많고 소요되는 공정시간이 길다는 문제점을 가진다.

이와 같이 공정시간이 오래 걸리면 스택의 대량 생산시에 활성화 장비 대수의 제한으로 인하여 스택 활성화 공정이 스택 제조 공정에서 생산을 지체시키는 병목(Bottle Neck) 공정이 될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 연료전지 스택의 활성화 공정에서 수소 사용량을 줄이면서 공정시간을 단축할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 일 실시예로서, 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 캐소드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 주입하여 연료전지 스택의 캐소드에 수분 액적을 포함하는 수소가 공급되도록 한 뒤 연료전지 스택을 밀봉하여 보관하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법을 제공한다.

여기서, 연료전지 스택의 애노드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 함께 주입하여 연료전지 스택의 애노드에도 수분 액적을 포함하는 수소가 함께 공급되도록 한 뒤 밀봉하여 보관하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 수분 액적을 포함하는 수소를 공급한 뒤 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 1일 동안 보관하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 상온에서 보관하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 수소의 주입 후 연료전지 스택의 밀봉 및 보관하는 공정을, 연료전지 스택을 100% 활성화하기 위한 활성화 공정 이전에 진행하여, 연료전지 스택의 전처리 공정으로서 실시하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은, 다른 실시예로서, 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 애노드 입구 매니폴드와 캐소드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 공기와, 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 주입하여 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 수분 액적을 포함하는 공기와 수소가 공급되도록 한 뒤 연료전지 스택을 밀봉하여 보관하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법을 제공한다.

여기서, 상기 수분 액적을 포함하는 공기와 수소를 애노드와 캐소드에 공급한 뒤 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 5일 동안 보관하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 상온에서 보관하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 공기와 수소의 주입 후 연료전지 스택의 밀봉 및 보관하는 공정을, 연료전지 스택을 100% 활성화하기 위한 활성화 공정 이전에 진행하여, 연료전지 스택의 전처리 공정으로서 실시하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 부분 활성화 방법에 의하면, 연료전지 스택의 본 활성화 공정에 앞서 실시하는 전 단계의 공정으로서, 고출력의 부하를 인가하지 않고 스택의 애노드와 캐소드에 액적을 포함하는 수소를 공급한 후 스택을 밀봉하여 상온 보관하는 전처리 공정(부분 활성화(Pre-activation) 공정)을 실시함으로써, 연료전지 스택의 100% 활성화를 위한 실제 본 활성화 공정에서의 공정시간 단축 및 수소 소모량 감소 효과를 기대할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 활성화 공정에서 전압 분포를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 활성화 공정에서 전압 분포를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분 활성화 공정에서 전압 분포를 나타내는 도면이다.
도 4와 도 5는 시험예의 전압 분포를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 스택의 본 활성화 공정에서 수소 사용량을 줄이면서 공정시간을 더욱 단축하기 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 본 발명은 고분자 전해질막(PEMFC) 연료전지의 100% 활성화를 위한 본 활성화 공정에서의 공정시간 단축 및 수소 소모량 감소 효과를 얻기 위하여 상기 본 활성화 공정에 앞서 실시하는 부분 활성화(Pre-activation) 공정(일종의 스택 전처리 공정임)에 관한 것이다.

본 발명이 적용될 경우 연료전지 스택의 전체 활성화 공정은 본 발명에서 제시하는 스택의 부분 활성화 공정과, 이후 실시되는 연료전지 100% 활성화를 위한 활성화 공정으로 구분되며, 이하 본 명세서에서는 부분 활성화 공정 이후 실시되는 100% 활성화 공정을 본 활성화 공정이라 칭하기로 한다.

본 발명자는 전극막의 활성화 메커니즘을 고려하여 더욱 간단하고 새로운 활성화 방법을 개발한 뒤 시험을 통해 그 활성화 효과를 확인하여 상기한 본 발명을 완성하였는바, 본 발명에서는 종래의 활성화 공정에서와 같은 고출력 부하를 연료전지 스택에 인가하지 않고 스택의 캐소드에 액적을 포함한 수소를 주입한 뒤 스택을 밀봉하여 상온 보관하는 것만으로 부분 활성화 효과를 얻게 된다.

즉, 종래의 고출력 부하를 사용하지 않고 캐소드에 환원분위기를 형성하여 캐소드 백금 표면의 산화물을 효과적으로 제거함과 동시에 전해질막의 웨팅(wetting)성(젖음성)을 향상시켜 전극막의 활성화 효과를 얻을 수 있도록 하는 것이다.

결국, 본 발명의 부분 활성화 공정을 실시한 뒤 본 활성화 공정을 진행할 경우, 본 활성화 공정에서는 스택의 100% 활성화를 위한 공정시간의 단축, 수소 소모량의 감축이 가능해지고, 향후 스택의 대량 생산시에는 본 발명의 부분 활성화 공정이 매우 유용할 것으로 기대된다.

이하, 이러한 본 발명의 부분 활성화 공정에 대해 좀더 구체적으로 상술하기로 한다.

통상적으로 연료전지 스택의 활성화를 위하여 종래의 경우 고전류의 부하를 수차례 인가하는 운전을 통해 설계된 출력을 얻도록 하고 있으나, 본 발명에서는 고전류의 부하 인가 없이 수소 주입 후 상온의 밀봉 보관만으로도 연료전지 스택의 부분 활성화 효과를 얻는다.

먼저, 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 액적을 포함하는 고온의 수소를 주입한 뒤 밀봉하는데, 이때 스택의 입, 출구 매니폴드를 막아 수소를 공급한 상태로 스택을 완전히 밀봉하여 1일을 보관한다.

여기서, 액적은 수분 액적을 의미하며, 수소를 가습하여 액적을 포함하는 상태로 만들어준 뒤 스택의 입구 매니폴드를 통해 애노드와 캐소드에 각각 공급한다.

이와 같이 스택을 밀봉하여 상온에서 1일을 보관하면 약 50%의 스택 활성화가 진행되며, 캐소드에 공급된 수소에 의해 캐소드에 환원분위기가 조성되면 캐소드의 Pt 촉매 표면에 형성된 PtOH, PtO와 같은 산화물이 환원되어(용출된 백금 이온이 재석출됨, 더불어 스택 내부에는 진공이 형성됨) 고전류의 출력 없이도 약 50%의 활성화를 달성할 수 있다.

이러한 부분 활성화 공정에서의 전압 분포를 시간에 따라 나타내면 도 2와 같으며, 단순 진공활성화 공정에 비해 액적을 포함하는 수소를 공급한 경우['(액적 + 수소)1일 보관+진공활성화']에 초기 활성화도가 높아짐을 보여주고 있다(초기 전압 상승: 0.51V→0.56V, 1.2 A/㎠).

또한 본 발명의 다른 실시예로서, 조립된 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 액적을 포함하는 공기와 수소를 각각 공급한 후 밀봉하여 상온에서 5일을 보관한다.

즉, 액적을 포함하는 공기를 애노드 입구 매니폴드를 통해 공급함과 동시에, 액적을 포함하는 수소를 캐소드 입구 매니폴드를 통해 공급하여, 스택 내 애노드와 캐소드에 공기와 수소가 각각 공급되도록 한 뒤 밀봉 보관하는 것이다.

여기서, 액적을 포함하는 공기는 수소의 경우와 마찬가지로 수분 액적을 포함하는 공기를 의미하며, 공기를 가습하여 액적을 포함하는 상태로 만들어준 뒤 스택의 입구 매니폴드를 통해 스택의 애노드로 공급한다.

이와 같이 스택을 밀봉하여 상온에서 5일을 보관하면 고출력 부하 인가 없이도 약 83%의 스택 활성화를 달성할 수 있다.

이러한 부분 활성화 공정에서의 전압 분포를 시간에 따라 나타내면 도 3과 같으며, 단순 진공활성화 공정은 물론 도 2에 나타낸 '액적+수소' 공급 후 1일 보관시보다 '액적+공기', '액적+수소'를 각각 애노드와 캐소드에 공급하는 경우['(액적+수소/공기)5일 보관+진공활성화']에서 초기 활성화도가 더욱 높아짐을 보여주고 있다(초기 전압 상승: 0.51V→0.56V→0.58V, 1.2 A/㎠).

애노드와 캐소드에 액적을 포함하는 공기와 수소를 공급하게 되면, Ca, Pt의 산화물이 환원될 뿐만 아니라, 보관 중 수소↔산소의 크로스오버(Crossover)로 인해 스택 내 형성된 진공에 의하여 막과 바인더 내부에 액적이 용이하게 침투하게 되고, 결국 웨팅성 향상 및 그로 인한 활성화 가속 효과가 나타나게 된다.

상기와 같이 액적을 포함하는 수소를 스택의 캐소드에 공급하거나, 액적을 포함하는 공기와 수소를 각각 스택의 애노드와 캐소드에 공급하여 스택 밀봉 후 상온 보관하는 경우에는 Pt, Ca 표면의 산화물(PtOH, PtO_x)이 환원되면서[Surface Oxidation State Change, b(Tafel Constant(mV decade^-1) 감소] 부분 활성화가 이루어지고, 스택 내부 진공 형성으로 인한 막과 바인더의 수화(Hydration)로 인해 이온 저항[Ionic Resistance(Ω㎠)]이 부분 활성화 공정에서 사전에 감소될 수 있게 된다.

본 발명자는 시험을 통해 다양한 경우에 대해 활성화 효과가 나타나는지를 비교해보았으며, 본 발명에서와 같이 수소를 공급하는 경우에서 목적하는 바의 충분한 활성화 효과가 있음을 확인하였다.

시험에서 서브 스택 제작 후 각 경우에 따라 액적을 포함하는 공기, 건조 수소, 액적을 포함하는 수소, 액적을 포함하는 공기와 수소를 스택에 공급하였으며, 도 4는 액적을 포함하는 공기를 스택의 애노드와 캐소드에 공급한 경우를, 도 5는 건조 수소를 애노드와 캐소드에 공급한 경우를 나타낸다.

그 결과를 도 2와 도 3의 결과와 비교하였을 때, 액적을 포함하는 공기를 애노드와 캐소드에 공급한 경우 활성화 효과는 나타나지 않았으며, 건조 수소를 애노드와 캐소드에 공급한 경우 활성화 효과가 상대적으로 미미한 것으로 나타났다.

반면, 액적을 포함하는 수소를 캐소드에 공급하는 경우, 그리고 액적을 포함하는 공기와 수소를 애노드와 캐소드에 공급하는 경우에는 충분한 활성화 효과가 나타남을 알 수 있었으며, 특히 액적을 포함하는 공기와 수소를 애노드와 캐소드에 공급한 뒤 밀봉 보관하였을 때 활성화 효과가 가장 큰 것으로 나타났다.

이와 같이 하여, 고출력의 부하를 인가하지 않고도 가스 주입 후 스택을 밀봉 보관하는 부분 활성화 공정만으로 연료전지 스택의 100% 활성화를 위한 본 활성화 공정에서의 공정시간 단축 및 수소 소모량 감소 효과를 기대할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (9)

1. 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 캐소드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 주입하여 연료전지 스택의 캐소드에 수분 액적을 포함하는 수소가 공급되도록 한 뒤 연료전지 스택을 밀봉하여 보관하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   연료전지 스택의 애노드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 함께 주입하여 연료전지 스택의 애노드에도 수분 액적을 포함하는 수소가 함께 공급되도록 한 뒤 밀봉하여 보관하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 수분 액적을 포함하는 수소를 공급한 뒤 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 1일 동안 보관하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 상온에서 보관하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 수소의 주입 후 연료전지 스택의 밀봉 및 보관하는 공정을, 연료전지 스택을 100% 활성화하기 위한 활성화 공정 이전에 진행하여, 연료전지 스택의 전처리 공정으로서 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
6. 스택 조립 공정에서 조립된 연료전지 스택의 애노드 입구 매니폴드와 캐소드 입구 매니폴드에 수분 액적을 포함하는 가습된 공기와, 수분 액적을 포함하는 가습된 수소를 주입하여 연료전지 스택의 애노드와 캐소드에 수분 액적을 포함하는 공기와 수소가 공급되도록 한 뒤 연료전지 스택을 밀봉하여 보관하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 수분 액적을 포함하는 공기와 수소를 애노드와 캐소드에 공급한 뒤 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 5일 동안 보관하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
   상기 연료전지 스택을 밀봉한 상태로 상온에서 보관하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 공기와 수소의 주입 후 연료전지 스택의 밀봉 및 보관하는 공정을, 연료전지 스택을 100% 활성화하기 위한 활성화 공정 이전에 진행하여, 연료전지 스택의 전처리 공정으로서 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 부분 활성화 방법.
   
   
   
   
   
   

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