KR101955239B1 - 인산 연료전지의 인산 보충장치 및 이의 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위에서 살펴본 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있도록, 인산 연료전지 내에 인산을 재보충할 수 있는 발명을 제공하며, 특히 보충시간을 줄이고 연료전지 시스템의 비작동 시간을 최소화할 수 있도록 연료전지 작동 중 인산을 보충할 수 있는 발명을 제공하는 기술을 제공하고자 한다. 본 발명에 따르면, 장기간 운전으로 성능이 저하된 인산 연료전지의 성능을 작동 중에 보충함으로써 저하된 성능을 회복시킬 수 있으며, 장기간 안정적인 운전이 가능하여 발전용 인산 연료전지 시스템의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다.

Description

인산 연료전지의 인산 보충장치 및 이의 사용방법{A device for supplementing phosphoric acid in phosphoric acid fuel cell and a process of using the same}

본 발명은 인산 연료전지의 인산 보충장치 및 이의 사용방법에 관한 것이다.

연료전지 기술은 친환경성, 고 에너지 변환효율, 고 에너지 밀도 등의 장점을 가지고 있어 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 알칼라인 연료전지(Alkaline Fuel Cell) 등이 있다.

이들 연료전지는 전해질에서 보이는 이온전도도에 따라 작동온도가 다른데, 일반적인 고분자 전해질막 연료전지는 상온에서 90 ˚C까지의 작동온도 구간을 가져 상대적으로 저온 운전이 가능하며 고출력의 강점을 가지지만 고순도 수소만을 연료로 사용해야 하며 작동 중 발생되는 물이 고여 플러딩(flooding)이 일어나 이를 지속적으로 제거해주어야 하는 문제점이 있다.

용융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지는 전해질의 특성상 650 ˚C 이상의 작동온도에서 비로소 연료전지로 사용 가능할 정도의 전해질의 이온전도도를 보이며, 고온 특성상 탄화수소를 직접 연료로 사용 가능한 이점이 있다. 그러나 고온 작동 특성상 시스템 구성요소 물질의 제약을 받으며, 까다로운 단열조건을 요구한다.

따라서 탄화수소가 사용 가능하며 고온작동으로 인한 기술적 문제점을 해결하기 위해 연료전지 작동온도를 중온 영역(200-400 ˚C)로 낮추려는 연구가 계속되고 있으며, 알칼라인 연료전지와 인산 연료전지가 이러한 중온 영역대에서 최적의 작동성을 보이기는 하나, 알칼라인 연료전지의 경우 이산화탄소에 매우 취약하여 대기 중의 공기를 반응물로 사용하기 어려운 치명적인 단점이 지적되고 있다.

반면, 인산 연료전지는 미국, 일본 회사에 의해 비상발전용 전원으로서 이미 상용화된 바 있는 실증된 연료전지 형태이다. 그러나 작동 누적시간이 지속적으로 늘어나면서 인산 연료전지 내 전해질층을 이루고 있는 인산이 유출돼 성능이 저하되는 문제가 있어, 이를 해결하기 위한 기수 개발이 필요한 실정이다.

1. 한국 공개특허 제10-2014-0065283호 2. 한국 등록특허 제10-0751194호

인산 연료전지를 장시간 작동시킬 경우 전해질층의 인산이 유출되어 성능이 감소하게 되는데, 이렇게 감소된 성능을 회복시키기 위해 인산 연료전지의 작동을 멈추고 분해한 후 전해질층에 직접 인산을 재함침시킬 수도 있지만, 매우 복잡하고 번거로운 공정을 거쳐야 한다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결함과 동시에 위에서 살펴본 종래 기술의 문제점 역시 해결할 수 있도록, 인산 연료전지 내에 인산을 재보충할 수 있는 발명을 제공하며, 특히 보충시간을 줄이고 연료전지 시스템의 비작동 시간을 최소화할 수 있도록 연료전지 작동 중 인산을 보충할 수 있는 발명을 제공하는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은 엔드 플레이트가 지면과 평행하도록 위치시킨 운전 중인 인산 연료전지에 인산을 보충하는 방법으로서, (A) 상기 인산 연료전지의 제1 기체 주입구를 통해서 인산 수용액을 제1 기체와 함께 공급하는 단계, (B) 제1 기체 배출구를 폐쇄하는 단계, (C) 제2 기체 주입구를 폐쇄하여 제2 기체 주입을 차단하는 단계, (D) 상기 제1 기체 배출구를 다시 개방하는 단계, (E) 상기 제2 기체 주입구를 다시 개방하여 상기 제2 기체의 주입을 재개하는 단계를 포함하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 장기간 운전으로 성능이 저하된 인산 연료전지의 성능을 작동 중에 보충함으로써 저하된 성능을 회복시킬 수 있으며, 장기간 안정적인 운전이 가능하여 발전용 인산 연료전지 시스템의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 일반적으로 연료전지를 구성하는 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 3은 인산 연료전지의 유출된 인산의 작동 중 보충방법을 보여준다.
도 4는 인산 연료전지 스택에서의 인산 유도용 추가 구조물을 보여준다.
도 5는 인산 연료전지 스택 내부에 주입 인산 유도를 위한 구조물을 보여준다.
도 6은 인산 연료전지 장기작동 후 저하된 성능이 본 기술을 통해 회복된 실제 결과이다.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

본 발명의 일 측면은 엔드 플레이트가 지면과 평행하도록 위치시킨 운전 중인 인산 연료전지에 인산을 보충하는 방법으로서, (A) 상기 인산 연료전지의 제1 기체 주입구를 통해서 인산 수용액을 제1 기체와 함께 공급하는 단계, (B) 제1 기체 배출구를 폐쇄하는 단계, (C) 제2 기체 주입구를 폐쇄하여 제2 기체 주입을 차단하는 단계, (D) 상기 제1 기체 배출구를 다시 개방하는 단계, (E) 상기 제2 기체 주입구를 다시 개방하여 상기 제2 기체의 주입을 재개하는 단계를 포함하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법에 관한 것이다.

일 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계와 상기 (C) 단계를 동시에 수행한다. (B)와 (C) 단계를 동시에 수행할 수 있다.

다른 구현예에 있어서, 상기 제1 기체 및 상기 제2 기체가 각각 수소 및 공기, 수소 및 산소, 공기 및 수소, 산소 및 수소 중에서 선택된 1종의 조합일 수 있다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (A) 단계 후 (A') 상기 인산 수용액 공급을 중단하고 상기 제1 기체의 공급을 유지하는 단계를 추가로 포함한다. 이렇게 인산 수용액 공급 중단 후 제1 기체를 한 동안 공급해주는 이유는 인산과 함께 공급된 수용액 상 수분을 일정량 증발시켜 제거하기 위함이다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (A') 단계는 10~30분 동안 수행되는 것이 바람직하고, 15~20분 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 인산 수용액은 농도가 80~90중량%이다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 인산 수용액의 공급량은 상기 인산 연료전지의 전해질막 면적 1cm² 당 50~300μL이다. 만일 인산 연료전지 스택에 대해 적용하는 경우에는 각 연료전지 단위셀을 구성하는 각 전해질막의 전체 면적 합을 기준으로 할 수 있다. 상기 수치 범위의 하한값 미만인 경우에는 저하되었던 인산 연료전지의 성능이 회복되지 않으며, 상한값을 초과하는 경우에는 물이 끓어 매트릭스를 손상할 수 있어, 위 수치 범위가 바람직하다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (D) 단계 및 상기 (E) 단계는 상기 (C) 단계 후 10분 내지 1시간 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 인산 연료전지의 전해질 매트릭스의 재질이 SiC+PTFE인 경우, 상기 (C) 단계 후 상기 제1 기체의 압력은 1~2bar로 유지되는 것이 바람직하다.

또 다른 구현예에 있어서, (i) 상기 (B) 단계와 상기 (C) 단계를 동시에 수행하고, (ii) 상기 제1 기체 및 상기 제2 기체는 각각 수소 및 공기이며, (iii) 상기 (A) 단계 후 (A') 상기 인산 수용액 공급을 중단하고 15~20분 동안 상기 제1 기체의 공급을 유지하며, (iv) 상기 인산 수용액은 농도가 80~90중량%이고, (v) 상기 인산 수용액의 공급량은 상기 인산 연료전지의 전해질막 면적 1cm² 당 80~150μL이며, (vi) 상기 (C) 단계 상태를 20~40분 동안 유지하고 나서 상기 (D) 단계 및 상기 (E) 단계를 수행하며, (vii) 상기 인산 연료전지의 전해질 매트릭스의 재질이 SiC+PTFE이고, (viii) 상기 (C) 단계는 상기 제1 기체의 압력을 1~2bar의 상태로 유지한다.

위 (i) 내지 (viii) 조건을 모두 만족하는 것이 중요하고, 이 중 어느 하나의 조건이라도 충족되지 않는 경우에는 인산 재충전 후 100시간 정도의 중장기 운전 중 전해질 매트릭스 일부 훼손이 발생할 수도 있다는 점을 확인하였다는 점에서, 위 (i) 내지 (viii) 조건의 일괄 충족이 중요하다.

본 발명의 다른 측면은 일면에 형성된 유로, 상기 유로의 일단에 형성된 기체 주입용 관통구 및 상기 유로의 타단에 형성된 기체 배출용 관통구를 포함하는 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 기체 주입용 관통구를 통해 주입된 인산 수용액이 유입되어 상기 유로로 흘러가도록 유도해주는 인산 수용액 가이드부가 상기 기체 주입용 관통구에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

상기 인산 수용액 가이드부는 도 5a 또는 5b에 제시한 것과 같이 벽면을 둘 수도 있고, 또는 5c에 제시한 것과 같이 따로 벽면이 없이 경사를 주어 인산 수용액을 유도할 수도 있으며, 명시적으로 제시하지는 않았지만 벽면과 경사면을 함께 구성할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 다양한 구현예에 따른 바이폴라 플레이트를 포함하는 인산 연료전지, 또는 인산 연료전지 스택, 또는 전자기기에 관한 것이다. 상기 전자기기의 예에는 비상 발전용 전원 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 위 측면과 여러 구현예를 구체적으로 설명한다. 다만 본 발명의 범위는 아래 구체적인 설명에 의해 축소되어 해석될 수는 없다.

우선, 도 1은 일반적인 연료전지의 구조를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 이러한 연료전지를 구성하는 막전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.

도 1에 나타내는 연료전지는 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12, 12)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(11)은 막전극 접합체(10)와, 막전극 접합체(10)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(20, 20)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(20, 20)는 도전성을 가진 금속 또는 카본 등으로 구성되어 있고, 막전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막전극 접합체(10)의 전극촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.

또한 도 1에 나타낸 연료전지(1)는 단위셀(11)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 개 정도까지 늘릴 수도 있다.

막전극 접합체(10)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 전해질막(100)과, 전해질막(100)의 두께 방향의 양측에 배치된 전극촉매층(110, 110')과, 전극촉매층(110, 110')에 각각 적층된 미세기공층(121, 121') 및 지지체(122, 122')를 포함한 기체확산층(120, 120')으로 구성된다.

기체확산층(120, 120')은 바이폴라 플레이트(20, 20)를 통해 공급된 산소 및 연료를 전극촉매층(110, 110')의 전면으로 확산시키고, 전극촉매층(110, 110')에서 형성되는 물을 신속하게 배출하고, 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 다공성을 띠는 것이 유리하다. 또한, 전극촉매층(110, 110')에서 발생한 전류를 전달하기 위하여 전도성을 가질 필요가 있다.

촉매층(110, 110'), 미세기공층(121, 121') 및 지지체(122, 122')은 서로 인접하여 배치될 수 있으며, 필요에 따라 다른 기능을 갖는 층이 상기 층들 사이에 추가로 삽입될 수도 있다. 이들 층들은 막전극 접합체의 캐소드 및 애노드를 구성하게 된다.

촉매층(110, 110')에 인접하여 전해질막(100)이 배치된다. 상기 전해질막으로는 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 폴리벤즈이미다졸(PBI), 가교결합된 폴리벤즈이미다졸, 폴리(2,5-벤즈이미다졸)(ABPBI), 폴리우레탄(Polyurethane), 및 개질된 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된하나 이상의 고분자 전해질막을 사용할 수 있다.

전해질막(100)에는 인산 또는 유기인산을 함침시키며, 인산 이외에 다른 산도 사용할 수 있다. 예를 들어, 전해질막(100)에 폴리인산, 포스폰산(H₃PO₃), 오르토인산(H₃PO₄), 파이로인산(H₄P₂0₇), 트리인산(H₅P₃O₁₀), 메타인산 또는 그 유도체 등의 인산계 물질이 함침될 수 있다.

상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지는 100~300℃의 온도에서 작동할 수 있으며, 도 1에서 보는 바와 같이 한 쪽 전극촉매층 측에 바이폴라 플레이트(20)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 전극촉매층 측에는 바이폴라 플레이트(20)를 통해 산화제로서 예를 들면 산소가 공급될 수 있다. 그리고 한 쪽 전극촉매층에 있어서 수소가 산화되어 수소이온(H⁺)이 생기고, 이 수소이온이 전해질막(100)을 전도하여 다른 쪽 전극촉매층에 도달하고, 다른 쪽 전극촉매층에 있어서 수소이온과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물(H₂O)을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 인산 연료전지는 전해질층이 지면과 수평하도록 놓아 전해질층 내의 인산이 한쪽으로 치우치는 것을 방지한다. 산화극 또는 환원극이 윗부분 또는 아랫부분으로 위치시키는 것에 대해 특별히 한정되지 않으며, 전해질층을 기준으로 위쪽에 있는 전극(이하 '상부극')에 해당하는 전극의 입구에 인산 수용액 주입부분을 위치시키며 출구에는 여닫는 것이 가능한 밸브를 위치시킨다.

이후 인산 연료전지의 장기 작동 중 인산 유출에 의해 성능이 감소하게 되면 인산 수용액을 주입한 후 출구 쪽의 밸브를 닫는다. 이후 기체를 계속 주입하게 되면 반응기체의 압력에 의해 인산 수용액이 강제적으로 인산 전해질층으로 유입되어 보충이 되며, 이후 출구부 밸브를 열어 남은 인산을 모두 제거하는 방식으로 인산 연료전지의 성능을 회복시킨다.

이를 더욱 구체적으로 설명하면, 인산 연료전지는 전해질층이 대부분 다공성 SiC와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 이루어져 있으며, 무게 기준 95:5 정도의 비율로 구성되나, 본 발명에서는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 인산 연료전지는 이러한 전해질층에 인산을 함침시켜 인산이 수소 이온을 전도하는 방식으로 연료전지가 운전된다.

비록 SiC 다공성 매트릭스를 함침시켜 전해질을 구성하지만 함침된 인산도 인산 연료전지의 작동온도(150~200˚C)에서는 점성이 높은 액체 상태로 존재한다. 따라서 연료전지를 작동시킬 때 인산 전해질층을 지면과 평행하도록 설치하여 중력에 의해 인산이 전해질층 내에서 어느 한쪽으로 쏠리지 않도록 설치한다. 다만, 전해질층을 기준으로 산화극과 환원극의 위/아래 위치가 정해져 있지는 않다.

이러한 인산 연료전지의 전해질층을 사이에 두고 위와 아래에 각각 위치하게 되는 전극은 위에서 살펴본 바와 같이 각각 전극촉매층, 미세다공층(MPL, mesoporous layer), 기체확산층(GDL, gas diffusion layer)이 위치되게 되며, 전극촉매층, 미세다공층, 기체확산층 모두 소수성 물질이므로 단순히 인산을 주입만 하게 되면 전해질층까지 인산이 스며들지 않는다. 따라서 강제적으로 어느 정도 인산을 밀어넣는 인위적인 힘이 필요하다. 그러나 또 인산에 강하게 압력을 주면 취성이 높은 SiC 매트릭스가 부서지게 돼 최적화된 압력으로 인산을 밀어넣어야 한다.

또한, 인산 연료전지를 스택으로 구성할 경우, 지면과 평행하도록 전해질을 위치시키는 특성상 기체(보통 수소와 공기 또는 수소와 산소)가 각 전극과 전해질층으로 지면과 수직인 방향으로 주입된다. 따라서 본 연료전지 유로를 통해 인산을 주입하게 되는 방법의 특성상 스택 내부 유로 시작점이 지면과 수직인 벽에 나있는 형태이다. 따라서 주입된 인산이 각 전극과 전해질로 주입이 되기 위해선 인산을 유도해 주는 일종의 튀어나와 있는 형태의 구조가 연료전지 분리판의 설계에 수반되어야 한다.

인산 연료전지를 장기간 작동하다가 인산 유출에 의한 성능 감소가 일어나게 되면 산화극 또는 산화극(전해질 기준 위쪽에 해당하는 극)으로 인산을 주입한다. 100중량% 농도의 인산은 점도가 너무 커서 유입이 잘 되지 않으므로 농도가 85중량% 정도인 인산 수용액을 이용하여 주입한다. 주입 후 적당량의 인산 수용액이 전극으로 고르게 퍼지게 되는 시간을 기다린 후 해당 전극의 출구를 막는다. 이 경우 반응기체의 압력에 의해 인산이 반대극으로 압력이 가해지게 되며 인산이 SiC 매트릭스 안으로 함침되게 된다.

다만, 공기극과 연료극에 제공되는 각 기체의 주입구와 배출구는 반드시 도 1과 같은 구조에 한정되지 않고, 도 7a 내지 7d와 같이 다양하게 구성할 수 있다. 즉, 기체 주입구와 배출구를 동일한 엔드 플레이트에 둘 수도 있고 서로 반대편에 둘 수도 있다. 또한, 수소와 공기의 흐름을 서로 동일한 방향으로 구성할 수도 있고, 서로 다른 방향으로 구성할 수도 있다.

이와 같이 공기와 수소의 주입구와 배출구에 각각 해당하는 4개의 관통구가 스택 전체를 관통하도록 구성될 수 있는데, 엔드 플레이트의 한쪽 면 또는 바이폴라 플레이트의 양쪽 면에 형성되게 되는 유로가 해당 관통구와 연결되어 있는지 여부에 따라서 해당 관통구가 해당 기체의 주입 또는 배출 기능을 수행할 수 있는지 여부를 결정하며, 이러한 점은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려져 있어, 구체적인 설명은 생략한다.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.

실시예

실시예 1: 인산 연료전지의 인산 보충

장기간 작동하여 초기에 비해 성능이 상당히 저하되어 있는 인산 연료전지에 인산을 아래와 같이 보충하였다.

지면과 평행한 전해질층 기준 위쪽 면에 공기극이 위치하도록 연료전지가 배치되어 있어(연료극이 위치하도록 연료전지를 배치할 수도 있다), 공기와 함께 인산을 주입하여 인산 보충을 시작하였다. 100중량% 인산은 점도가 높아 전극에 고르게 분포시키기 용이하지 않으므로 85중량% 정도의 인산 수용액을 공기와 함께 공급하였다.

인산 공급 후 기체의 흐름을 어느 정도 지속시켜야 인산 수용액이 고르게 분포되고 또한 인산 수용액의 수분이 일정량 제거되므로, 인산 수용액 공급을 멈추고 나서도 일정 시간 동안 공기를 계속 흘려주었다. 인산 연료전지 스택의 경우에는 충분하고 고른 인산의 분배를 위해 스택 내 단위 셀 수가 많아질수록 보충하는 인산 수용액의 양을 늘릴 필요가 있다.

이후 공기 출구측 밸브를 닫아 입구쪽으로 유입되는 기체의 압력에 의해 전극에 고르게 분포된 인산 수용액이 전해질 층으로 유입되도록 한다. 기체압이 높으면 전해질층이 손상되므로 너무 높지 않도록 한다. 또한 공기 출구 밸브 차단과 동시에 반대쪽 연료극의 수소 공급도 멈추어 전해질 기준 위쪽의 공기극과 아래쪽의 연료극 사이에 기압차가 나도록 하였다.

이 상태에서 약 30분간 유지하였다. SiC/PTFE 매트릭스의 경우 1.5bar 정도의 압력이 인가되었으나, 다만 매트릭스의 구조나 재질에 따라 이 압력이 달라질 수 있으므로, 이러한 압력에 의해 본 발명의 범위가 축소 해석될 수는 없다. 그리고 나서, 출구쪽 밸브를 열고 5분 정도 인산 연료전지를 개회로 전압 상태로 두며 전해질층으로 유입되지 않은 잔여 인산이 빠져나가게 한다.

이와 같이 인산을 보충한 결과, 도 6에 제시한 바와 같이, 인산 연료전지의 성능이 회복되어 장기간을 추가로 작동함을 확인하였다. 구체적으로, 인산 연료전지를 약 350시간 0.7V의 정전압에서 작동시킨 결과 성능이 37% 가량 감소된 것을 확인하여 상술한 바와 같이 인산 보충방법을 적용한 결과, 초기 성능 0.7V에서 0.13A의 성능을 보인 인산 연료전지의 초기 성능이 그대로 회복되고 그 회복된 성능으로 장기간 작동이 지속됨을 확인하였다.

Claims (14)

1. 엔드 플레이트가 지면과 평행하도록 위치시킨 운전 중인 인산 연료전지에 인산을 보충하는 방법으로서,
   (A) 상기 인산 연료전지의 제1 기체 주입구를 통해서 인산 수용액을 제1 기체와 함께 공급하는 단계,
   (B) 제1 기체 배출구를 폐쇄하는 단계,
   (C) 제2 기체 주입구를 폐쇄하여 제2 기체 주입을 차단하는 단계,
   (D) 상기 제1 기체 배출구를 다시 개방하는 단계,
   (E) 상기 제2 기체 주입구를 다시 개방하여 상기 제2 기체의 주입을 재개하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (B) 단계와 상기 (C) 단계를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 기체 및 상기 제2 기체가 각각 수소 및 공기, 수소 및 산소, 공기 및 수소, 산소 및 수소 중에서 선택된 1종의 조합인 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 (A) 단계 후 (A') 상기 인산 수용액 공급을 중단하고 상기 제1 기체의 공급을 유지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 (A') 단계는 10~30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 인산 수용액은 농도가 80~90중량%인 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 인산 수용액의 공급량은 상기 인산 연료전지의 전해질막 면적 1cm² 당 50~300μL인 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 (D) 단계 및 상기 (E) 단계는 상기 (C) 단계 후 10분 내지 1시간 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 인산 연료전지의 전해질 매트릭스는 SiC 및 PTFE으로 구성되고,
   상기 (C) 단계 후 상기 제1 기체의 압력은 1~2bar로 유지되는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
10. 제1항에 있어서, (i) 상기 (B) 단계와 상기 (C) 단계를 동시에 수행하고,
    (ii) 상기 제1 기체 및 상기 제2 기체는 각각 수소 및 공기이며,
    (iii) 상기 (A) 단계 후 (A') 상기 인산 수용액 공급을 중단하고 15~20분 동안 상기 제1 기체의 공급을 유지하며,
    (iv) 상기 인산 수용액은 농도가 80~90중량%이고,
    (v) 상기 인산 수용액의 공급량은 상기 인산 연료전지의 전해질막 면적 1cm² 당 80~150μL이며,
    (vi) 상기 (C) 단계 상태를 20~40분 동안 유지하고 나서 상기 (D) 단계 및 상기 (E) 단계를 수행하며,
    (vii) 상기 인산 연료전지의 전해질 매트릭스의 재질이 SiC+PTFE이고,
    (viii) 상기 (C) 단계는 상기 제1 기체의 압력을 1~2bar의 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 운전 중인 인산 연료전지의 인산 보충방법.
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