KR102505671B1 - 연료전지 스택 세정용 조성물 및 이를 이용한 연료전지 스택의 세정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연료전지 스택 세정용 조성물은 하기 화학식 1로 표기되는 크라운 에테르 화합물; 및 탈이온수;를 포함한다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은 수소 또는 C1~C4 알킬기이고, n은 4~5의 정수임.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은 수소 또는 C1~C4 알킬기이고, n은 4~5의 정수임.
Description
본 발명은 연료전지용 스택 세정용 조성물 및 이를 이용한 연료전지 스택의 세정방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연료전지 스택의 금속분리판(Seperator)에서 용출되는 금속이온을 제거하여 연료전지 효율 및 내구성을 매우 향상시킬 수 있는 연료전지 스택 세정용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 스택의 세정방법에 관한 것이다.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로써 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(Portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 다양한 종류의 연료전지가 개시되나, 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되며, 사용되는 전해질(Electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다.
이중 고분자 전해질 연료전지는 기본적으로 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 전극들 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어진 막전극집합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와, 막전극집합체의 양면에 금속분리판(Separator) 또는 커런트 컬렉터(Current collector)가 적층된 구조를 구비하며, 금속분리판은 연료 또는 산화제 유동용 채널을 구비하고 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 전기를 수집하는 기능을 담당한다.
이때 상기 금속분리판은 연료전지 운영 조건에 따라 부하를 받게 되면 금속이온이 용출되게 되고, 초기 용출된 금속이온은 표면에 산화층을 형성하여 저항을 증가시키기는 하지만 금속이온의 용출 속도를 낮춰 부식이 천천히 일어나게 된다. 하지만 장기 구동시에는 계속된 금속이온 용출로 금속분리판의 내구성이 약해질 뿐만 아니라 저항도 크게 증가하여 성능 감소를 야기한다.
따라서 스택 내에 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 제어하는 경우 금속분리판의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있는 방법의 개발이 시급하다.
이와 관련된 배경기술로 대한민국 특허 제1975665호에서는 고체산화물연료전지용 금속분리판 코팅소재를 개시하며, 금속분리판의 재질을 선택하고 코팅을 통하여 금속분리판의 변형을 방지하는 기술이 개시된다.
본 발명의 목적은 연료전지 스택에 구비되는 금속분리판의 장시간 운영 시 발생되는 금속이온을 제거하여 금속분리판의 내구성을 증가시킬 수 있는 세정용 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 세정용 조성물을 사용하여 금속이온에서 용출되는 금속이온을 주기적으로 세정하여 연료전지의 내구성을 효과적으로 증가시킬 수 있는 연료전지용 스택의 금속이온 제거방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 연료전지 스택 세정용 조성물에 관한 것이다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 하기 화학식1로 표기되는 크라운 에테르 화합물; 및 탈이온수;를 포함한다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은 수소 또는 C1~C4 알킬기이고, n은 4~5의 정수임.
2. 상기 1구체예에서, 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판의 부식전류밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하일 수 있다.
3. 상기 1 또는 2 구체예에서, 상기 크라운 에테르 화합물은 0.01 중량% 내지 3중량%로 포함될 수 있다.
4. 본 발명의 다른 관점은 연료전지 스택의 세정방법에 관한 것이다.
상기 연료전지 스택의 세정방법은
(a) 연료전지 스택의 금속분리판에 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 스택 세정용 조성물을 직접 주입하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 포집하여는 단계; 및
(c) 상기 포집된 금속이온을 배출하는 단계;를 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물을 배출하는 단계;를 포함한다.
5. 상기 4구체예에서, 상기 금속분리판은 스테인리스 합금 강판, 알루미늄 합금 강판, 및 니켈 합금 강판으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종일 수 있다.
6. 상기 5 구체예에서, 상기 금속분리판의 두께는 0.5mm 이하일 수 있다.
7. 상기 4 내지 6 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 (a) 단계에서 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판 표면에 직접 접촉하도록 할 수 있다.
8. 상기 4 내지 7 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판의 부식전류밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하일 수 있다.
9. 상기 4 내지 8 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 (a) 단계에서 상기 연료전지 스택 세정용 조성물의 주입은 금속이온이 용출되어 상기 금속분리판 표면에 산화피막이 형성되기 전에 수행될 수 있다.
10. 상기 4 내지 9 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 (c) 단계 이후 (a) 단계로 회귀하여 반복 수행될 수 있다.
본 발명은 스택 세정용 조성물을 제공하며, 연료전지 스택 내에 구비된 금속분리판에 유로를 통하여 직접 주입되어 용출되는 금속이온을 효과적으로 제거하여 연료전지의 효율을 증가시킬 뿐만 아니라, 금속분리판의 내구성을 대폭 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 스택의 세정방법은, 수소, 공기 및 냉각수 유로에 스택 세정용 조성물을 유입시킬 수 있는 유입매니폴드를 구비하는 연료전지 스택에 있어서, 유입매니폴드로 연료전지 스택에 세정용 조성물을 직접 공급하여 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 제거하여 스택의 세정효과가 탁월하며, 금속분리판에서의 산화피막의 형성을 방지하여 연료전지의 효율을 증가시키고, 내구성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 세정방법의 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 세정방법에 있어서, 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로 일측에 유입매니폴드가 구비된 금속분리판의 평면도이다.
도 3은 도 2에 따른 A-B선의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 금속분리판의 부식전위를 측정결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 세정방법에 있어서, 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로 일측에 유입매니폴드가 구비된 금속분리판의 평면도이다.
도 3은 도 2에 따른 A-B선의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 금속분리판의 부식전위를 측정결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
'상부', '상면', '하부', '하면' 등과 같은 위치 관계는 도면을 기준으로 기재된 것일 뿐, 절대적인 위치 관계를 나타내는 것은 아니다. 즉, 관찰하는 위치에 따라, '상부'와 '하부' 또는 '상면'과 '하면'의 위치가 서로 변경될 수 있다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a 이고 ≤b"으로 정의한다.
본 발명의 일 관점은 연료전지 스택 세정용 조성물이다.
상기 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 이하 'PEMFC')인 것이 바람직하다.
상기 고분자 전해질형 연료전지는 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 상기 막/전극 접합체의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)로 이루어진 단위가 반복하여 적층된 스택(Stack)을 구비하며, 상기 바이폴라 플레이트는 금속 재질인 금속분리판으로 형성된다.
상기 금속분리판을 사용하는 경우 수소, 공기 및 냉각수의 흐름에 따라 금속분리판 표면에 부식이 발생하여 산화피막이 발생하게 되고 연료전지의 효율을 감소시키거나, 산화피막이 훼손되어 부식이 가속되면 금속분리판의 내구성이 감소되어 수소, 공기의 압력에 의해 금속분리판이 변형되는 문제가 있다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 하기 화학식 1로 표기되는 크라운 에테르 화합물; 및 탈이온수;를 포함한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은 수소 또는 C1~C4 알킬기이고, n은 4~5의 정수이다.
상기 종류의 크라운 에테르 화합물은 금속 양이온을 위한 리간드로 작용하여, 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 효과적으로 포집할 수 있다.
통상 크라운 에테르 화합물은 금속 양이온을 포집할 수 있으나, 상기 종류 이외에 크라운 에테르 화합물은 금속분리판의 부식전류의 감소효과 매우 떨어져서 연료전지 스택 세정용 조성물로 사용하기에 바람직하지 않다.
상기 크라운 에테르 화합물은 0.01중량% 내지 3중량%로 포함된다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 상기 범위 내로 크라운 에테르 화합물을 포함하는 경우 금속분리판에 용출되는 금속이온을 효과적으로 포집할 수 있으며, 금속분리판의 부식전류를 효과적으로 감소시켜 금속분리판의 내구성을 장시간 유지할 수 있다.
한편 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 탈이온수를 포함한다.
상기 탈이온수는 평균 전기전도도가 0.4μS/cm 이하이고, 저항이 2.5 MΩ/㎝ 이하이다. 구체적으로 평균 전기전도도가 0.2μS/cm 내지 0.4μS/cm이고, 저항이 2.0 MΩ/㎝ 내지 2.5 MΩ/㎝인 것이 바람직하다.
상기 범위 내의 전기전도도와 저항을 가지는 탈이온수는 이온 및 불순물이 함량이 낮아서 크라운 에테르 화합물과 금속분리판 표면에서 용출되는 금속과 화학반응에 영향을 미치지 않으며, 소량의 금속이온이 용출되어도 리간드 형성을 촉진할 수 있다.
상기 범위를 초과하는 경우 크라운 에테르 화합물의 금속이온 포집 효과가 떨어지며, 상기 범위에 미치지 못하는 초순수 탈이온수는 제조비용이 증가되어 바람직하지 못하다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판의 부식전류밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하이다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 금속분리판에 투입되는 경우 용출되는 금속이온을 포집하여 배출할 수 있으며, 연료전지 스택 세정용 조성물이 금속이온을 포집하여 배출하는 경우에는 부식전류밀도를 상기 범위 내로 감소시켜, 금속분리판의 부식을 효과적으로 방지한다.
본 발명의 다른 관점은 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 이용한 연료전지 스택의 세정방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택 세정방법의 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택의 세정방법은 (a) 연료전지 스택의 금속분리판에 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 직접 주입하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 포집하는 단계; 및 (c) 상기 포집된 금속이온을 배출하는 단계;를 포함한다.
우선 상기 크라운 에테르 화합물을 탈이온수에 0.01중량% 내지 3중량%로 첨가하여 연료전지 스택 세정용 조성물을 준비한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 세정방법은 연료전지 스택 세정용 조성물이 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로 내부로 직접 전달되는 구조에 적용되는 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 세정방법에 있어서, 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로 일측에 유입매니폴드가 구비된 금속분리판의 평면도이고, 도 3은 도 2에 따른 A-B선의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 금속분리판(100)은 한 쌍의 어노드판과 캐소드판을 접합하여 형성하되, 상기 어노드판과 캐소드판이 굴곡되어 산부(10)와 골부(20)가 형성되고 상기 산부(10)가 서로 접합되어 내측에 냉각수유로(160)를 형성하고, 골부(20)는 교대로 수소유로(140) 및 공기유로(150)를 형성한다.
한 구체예에서 상기 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160) 일측에 각각 유입매니폴드(110, 120, 130)가 구비되고, 타측에는 배출매니폴드(110', 120', 130')가 구비된다.
통상 금속분리판에는 수소, 산소 및 냉각수가 유입되는 유입구만 구비되나, 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 수소유로, 산소유로 및 냉각수유로에 직접 도입되는 경우에 금속이온 포집 효과가 나타나게 되므로, 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로 일측에 각 유체를 분배하여 유입시킬 수 있는 유입매니폴드(110, 120, 130)를 별도로 배치하여, 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 유로 내부로 직접 유입시키는 것이 매우 바람직하다.
상기 수소, 산소 및 냉각수를 유입시키는 구조는 각 유체를 분배하여 수소유로, 산소유로 및 냉각수유로에 유입시킬 수 있는 구조이면 매니폴드에 제한되지 않는다.
상기 유입매니폴드(110, 120, 130)가 구비되는 경우 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 상기 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160)에 직접 유입시킬 수 있으며, 내부 표면 전체에 상기 스택 세정용 조성물을 접촉하게 할 수 있다.
연료전지 스택의 금속분리판에 구비된 상기 유입매니폴드를 통하여 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 준비하여 직접 주입한다(S100).
상기 S100에서 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판 표면에 직접 접촉한다.
구체적으로 S100에서 금속분리판의 일측에 구비된 상기 유입매니폴드(110, 120, 130)에 상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 각각 주입하여 유로를 따라 유동하여 금속분리판(100) 표면에 직접 접촉하도록 한다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 크라운 에테르 화합물 0.01중량% 내지 3중량%로 포함하고 있으며, 상기 크라운 에테르 화합물은 금속분리판 표면에 직접 접촉하여 연료전지 작동시 용출되는 금속이온을 포집할 수 있다.
한 구체예에서 상기 금속분리판은 스테인리스 합금 강판, 알루미늄 합금 강판, 및 니켈 합금 강판으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종이다.
상기 금속분리판이 상기 종류 금속재질로 선택되는 경우 Fe, Cr, La, Ce, Sr 및 Al인 금속 원소를 포함하게 되어 수소, 공기 및 냉각수가 흐름에 따라 금속분리판 표면 전체에서 상기 금속 원소들이 용출된다.
상기 종류의 금속이온은 용출 후 산화되어 금속분리판 표면에 산화피막을 형성한다.
상기 산화피막이 형성되면 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160)에서 유체의 흐름을 방해하여 기체확산이 방해되고 냉각 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 산화피막이 더 증가하게 되면 유체의 압력에 의해 산화피막이 벗겨지면서 금속분리판 표면을 식각하게 되고 금속이온의 용출을 더욱 가속하게 되어 최종적으로 금속분리판은 부식하게 된다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 상기 유로 내로 유입되어 상기 산화피막의 형성을 효과적으로 방지한다.
한 구체예에서, 금속분리판의 두께는 0.5mm 이하이다.
바람직하게는 0.3mm 내지 0.5mm 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 0.01mm 내지 0.08mm이다. 상기 범위 내로 두께를 형성하는 경우 가공성이 증가하고, 수소 및 공기간 압력 차에 의한 금속분리판의 변형을 방지할 수 있으며, 용출되는 금속이온의 연료전지 스택 세정용 조성물을 투입하여 포집할 수 있다. 상기 범위를 초과하는 경우 상기 연료전지 스택 세정용 조성물의 금속이온 포집 효율이 감소하여 부식이 증가할 수 있다.
연료전지 스택 세정용 조성물이 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 포집한다(S200).
상기 연료전지 스택 세정용 조성물을 상기 유입매니폴드에 유입된 후 유로 내부를 따라 이동하면서 표면에서 용출되는 금속이온과 반응하여 리간드를 형성한다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 상기 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160)에 직접유입 되어 금속분리판 표면에 접촉하기 때문에 리간드 형성 효율이 매우 증가된다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160)에 직접 유입되어 표면에 접촉하는 경우에는 막/전극 접합체(MEA)에 크라운 에테르 화합물을 포함시키는 것 보다 매우 효과적으로 금속분리판에서 용출되는 이온을 포집할 수 있기 때문에 금속분리판의 내구성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 효율이 감소되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
한 구체예에서 상기 S200에서 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 수소유로(140), 공기유로(150) 및 냉각수유로(160)에 투입되고 금속분리판(100)에 직접 접촉하여 금속분리판의 부식전류밀도를 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하로 조절한다.
상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 용출된 금속이온을 포집하여 금속분리막의 산화피막의 형성을 제한하게 되고, 이때 부식전류의 밀도를 확인하면 1 ㎂/cm2 이하로 유지되어 금속분리판의 부식이 효과적으로 방지된다.
이후에 상기 포집된 금속이온을 배출한다(S300).
상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 상기 유로 내부를 순환하면서 용출되는 금속이온을 포집하고 배출매니폴드(110', 120', 130')를 통하여 연료전지 스택 세정용 조성물을 배출한다.
한 구체예에서 상기 S100에서 상기 연료전지 스택 세정용 조성물의 주입은 금속이온이 용출되어 상기 금속분리판 표면에 산화피막이 형성되기 전에 수행된다.
상기 금속분리판의 표면의 일부라도 산화피막이 형성되는 경우 수소 및 공기의 흐름 조건에 따라 산화피막이 급격하게 확장되는 경우가 있으므로, 상기 금속분리판 표면에 산화피막이 형성되기 전에 수행하는 것이 매우 바람직하다.
한편 S300 이후에는 S100으로 회귀하여 연료전지 스택 세정용 조성물을 순환시켜 금속이온을 연속 포집할 수 있다.
연료전지의 운영시간이 증가되는 경우 상기 연료전지 스택 세정방법에 따라 주기적으로 용출된 금속이온을 포집하여 산화피막 형성을 제어하고, 금속분리판의 부식을 방지하는 경우 연료전지 효율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 내구성을 크게 증가시킨다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1: 연료전지 스택 세정용 조성물 제조
18-크라운-6(1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane, Sigma-Aldrich, 98%), 15-크라운-5(1,4,7,10,13-pentaoxacyclopentadecane, Sigma-Aldrich, 98%) 및 12-크라운-4(1,4,7,10-tetraoxacyclododecane, Sigma-Aldrich, 98%) 및 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝), H2SO4(Sigma-Aldrich)를 준비하였다.
실시예 1-1에서 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 15-크라운-5크라운 에테르 화합물 1.10g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 5mmol의 크라운 에테르 화합물을 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물을 제조하였고, 실시예 1-2는 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 15-크라운-5크라운 에테르 화합물 0.55g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 2.5mmol의 크라운 에테르 화합물을 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물을 제조하였다.
실시예 2-1은 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 12-크라운-4크라운 에테르 화합물 0.881g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 5mmol의 크라운 에테르 화합물을 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물을 제조하였고, 실시예 2-2는 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 12-크라운-4크라운 에테르 화합물 0.44g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 2.5mmol의 크라운 에테르 화합물을 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물을 제조하였다.
상기 황산은 연료전지 스택 세정용 조성물 제조 시 금속분리판의 인위적인 부식을 형성하기 위하여 더 첨가된 것이다.
비교예 1
비교예 1은 순수한 탈이온수를 사용한 것이다.
비교예 2
비교예 2-1은 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 18-크라운-6(1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane, Sigma-Aldrich, 98%) 1.32g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 5mmol의 크라운 에테르 화합물을 포함하도록 제조하였고, 비교예 2-2는 탈이온수(Sigma-Aldrich, 1.8 MΩ/㎝) 1,000g에 18-크라운-6(1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadecane, Sigma-Aldrich, 98%) 0.66g, H2SO4 5.49g을 첨가하여 2.5mmol을 포함하도록 제조하였다.
실시예 2: 연료전지 스택 세정
막/전극 접합체와 상기 막/전극 접합체의 양면에 밀착하는 스테인리스 합금 재질의 금속분리판으로 적층된 스택(Stack) 제조하되, 금속분리판의 수소유로, 공기유로 및 냉각수유로에 스택 세정용 조성물이 직접 유입될 수 있도록 유입매니폴드를 별도로 형성하고, 연료전지 100 시간 작동 후 부식전류를 측정하였다.
실험예 1: 부식전류밀도 측정
스테인리스 분리판의 부식전류를 측정하기 측정장비로는 EG&G 273A를 사용하였으며, 80℃의 0.1N H2SO4 용액을 사용하고, 1시간 동안 산소 폭기 후 0.6V 정전압 조건에서 각각 8시간 동안 1,2 및 비교예 1,2의 부식전위를 측정하였다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 연료전지 스택의 금속분리판의 부식전위를 측정결과를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1-1, 1-2 및 2-1, 2-2에 따른 연료전지 스택 세정용 조성물을 투입한 경우에는 부식전류 밀도가 0.6V에서 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하로 부식전류 밀도가 상당히 감소되는 것을 확인하였다.
반면에 에테르 화합물을 첨가하지 않는 비교예 1 및 18-크라운-6인 에테르 화합물을 포함하는 비교예 2-1, 2-2의 경우 부식전류 밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 를 초과하여 부식을 효과적으로 방지할 수 없는 것을 확인하였다.
따라서 본 발명은 크라운 에테르 화합물을 포함하는 연료전지 스택 세정용 조성물의 함량을 조절하고, 금속분리판의 구조를 변경하여 연료전지 스택 세정용 조성물을 금속분리판에 직접 유입하는 경우 금속분리판의 부식을 효과적으로 방지하여 연료전지의 효율성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 내구성 또한 증가시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 금속분리판
10 : 산부
20 : 골부
110, 120, 130 : 유입매니폴드
110', 120', 130' : 배출매니폴드
140 : 수소유로
150 : 공기유로
160 : 냉각수유로
10 : 산부
20 : 골부
110, 120, 130 : 유입매니폴드
110', 120', 130' : 배출매니폴드
140 : 수소유로
150 : 공기유로
160 : 냉각수유로
Claims (10)
- 하기 화학식 1 로 표기되는 크라운 에테르 화합물; 및 탈이온수;를 포함하고,
상기 크라운 에테르 화합물은 0.01중량% 내지 3중량%로 포함하는,
연료전지 스택 세정용 조성물:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은 수소 또는 C1~C4 알킬기이고, n은 4~5의 정수임.
- 제1항에 있어서, 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판의 부식전류밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하인 연료전지 스택 세정용 조성물.
- 삭제
- (a) 연료전지 스택의 금속분리판에 청구항 제1항 또는 제2항에 따른 연료전지 스택 세정용 조성물을 수소유로, 공기유로 또는 냉각수유로를 통하여 직접 주입하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택 세정용 조성물이 금속분리판에서 용출되는 금속이온을 포집하는 단계; 및
(c) 상기 포집된 금속이온을 배출하는 단계;를 포함하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 금속분리판은 스테인리스 합금 강판, 알루미늄 합금 강판, 및 니켈 합금 강판으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 1종인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제5항에 있어서, 상기 금속분리판의 두께는 0.5mm 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판 표면에 직접 접촉하도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 연료전지 스택 세정용 조성물은 금속분리판의 부식전류밀도가 1시간 당 1 ㎂/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 연료전지 스택 세정용 조성물의 주입은 금속이온이 용출되어 상기 금속분리판 표면에 산화피막이 형성되기 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (c) 단계 이후 (a) 단계로 회귀하여 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 세정방법.
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| JP2000260455A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-22 | Osaka Gas Co Ltd | 燃料電池の劣化回復処理方法 |
| KR100612235B1 (ko) * | 2004-06-16 | 2006-08-11 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지 |
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