KR102593966B1 - 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법 - Google Patents

열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 대상전극 유입구에 일측단이 연결되는 제1충진라인과, 연료전지의 상대전극 유입구에 일측단이 연결되는 제2충진라인과, 상기 제1충진라인과 제2충진라인을 연결하는 제3충진라인과, 연료전지의 대상전극 유출구에 연결되고, 라인을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브를 구비한 배출라인과, 상기 제1충진라인의 타측단에 연결되고, 촉매제를 선택적으로 상기 제1충진라인으로 공급하는 촉매제충진부, 및 상기 제2충진라인의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 선택적으로 상기 제2충진라인으로 공급하는 가스충진부를 포함하여, 기조립된 고분자 전해질 연료전지 내부에 백금/탄소지지체 촉매를 주입하여 촉매층에 촉매를 새로이 보충할 수 있어, 고분자 전해질 연료전지의 기대수명을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 시스템의 해체 없이 간단한 물리적 방법을 통해 비가역적으로 열화된 촉매층을 재생시킬 수 있는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법을 제공한다.

Description

열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법{Deteriorated polymer electrolyte fuel cell catalyst replenishment system and deteriorated polymer electrolyte fuel cell catalyst replenishment method}
본 발명은 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 해체가 필요하지 않고, 간단한 계통과 방법을 통해서 백금촉매/탄소지지체를 촉매층에 보충할 수 있는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소의 산화 반응, 산소의 환원 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전원이다.
연료전지의 산화극(anode)에서는 산화반응이 발생하여 수소 기체가 수소 이온과 전자로 분리되고, 공기극(cathode)에서는 환원반응이 발생하여 도선을 통해 유입되는 전자, 전해질막을 통해 들어오는 수소이온과 산소가 결합하여 물과 전기를 생산한다.
이러한 고분자 전해질 연료전지는 전력밀도가 높고 친환경적이여서 다양한 활용처의 차세대 발전원으로 각광받고 있다.
고분자 전해질 연료전지의 막전극 접합체는 통상 양이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 산화반응과 환원반응을 위한 촉매층이 적층된 형태이다.
촉매로는 통상 백금이 사용되며, 백금은 연료전지 내의 산화반응과 환원반응에 관여하여 연료전지 성능에 핵심적인 역할을 한다.
운전시간 누적에 따른 구성품들의 열화 중 촉매층 열화 문제가 가장 중요하게 대두되고 있다.
촉매층 내 백금의 결손과 이로 인한 비효율적인 촉매층 공극구조는 연료전지 성능을 크게 악화시키며, 이를 사전에 예방 혹은 보수할 수 있는 기술의 개발이 필요한 상태이다.
고분자 전해질 연료전지의 핵심이 되는 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 다양한 화학적, 기계적 원인에 의해 열화가 발생한다.
나노 스케일의 다공 구조로 적층된 촉매층(catalyst layer, CL)은 연료전지 막-전극 접합체에서 핵심적인 부분이다.
통상의 고분자전해질연료전지 촉매층은 백금/탄소지지체와 나피온 아이오노머로 구성된다.
그러나 촉매층 중 핵심이 되는 백금 촉매는 열화가 진행되면서 비가역적으로 결손된다.
지금까지 고분자전해질연료전지 시스템의 열화 속도를 완화하기 위하여 다양한 방법들이 제안되어 왔으나, 가역적인 열화를 되돌리기 위한 기술도 연구되으며, 비가역적인 백금 촉매 결손을 되돌릴 수 있는 기술에 대한 개발은 매우 미진한 상태이다.
종래기술로는 공개특허 제10-2010-0021049호(2010.02.24)를 참조할 수 있다.
본 발명은 기조립된 고분자 전해질 연료전지 내부에 백금/탄소지지체 촉매를 주입하여 촉매층에 촉매를 새로이 보충할 수 있어, 고분자 전해질 연료전지의 기대수명을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 시스템의 해체 없이 간단한 물리적 방법을 통해 비가역적으로 열화된 촉매층을 재생시킬 수 있는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템은 연료전지의 대상전극 유입구에 일측단이 연결되는 제1충진라인; 연료전지의 상대전극 유입구에 일측단이 연결되는 제2충진라인; 상기 제1충진라인과 제2충진라인을 연결하는 제3충진라인; 연료전지의 대상전극 유출구에 연결되고, 라인을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브를 구비한 배출라인; 상기 제1충진라인의 타측단에 연결되고, 촉매제를 선택적으로 상기 제1충진라인으로 공급하는 촉매제충진부; 및 상기 제2충진라인의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 선택적으로 상기 제2충진라인으로 공급하는 가스충진부;를 포함한다.
이때 본 발명에 따른 상기 촉매제충진부는 상기 제1충진라인의 타측단에 연결되고, 촉매제를 수용하면서 선택적으로 토출하는 촉매제용기와, 상기 제1충진라인 중 상기 촉매제용기와 인접하게 구비되고, 상기 촉매제용기에서 토출된 촉매제를 압송하는 펌프와, 상기 제1충진라인 중 상기 펌프의 후방에 구비되고, 촉매제의 역류를 방지하는 제1역류방지밸브를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 상기 가스충진부는 상기 제2충진라인의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 수용하면서 선택적으로 토출하는 가스용기와, 상기 제2충진라인 중 상기 가스용기와 인접하게 구비되고, 상기 가스용기에서 토출된 비활성기체의 유량을 조절하는 압력조절기를 포함한다.
여기서 본 발명에 따른 상기 촉매제는 해당 양의 증류수와, 백금(Pt), 탄소 담지 백금(Pt/C), 탄소나노튜브 담지 백금(Pt/CNT), 백금합금, 탄소 담지 백금합금(PtCo/C, PtRu/C, PtIr/C, PtNi/C, PtY/C), 탄소나노튜브 담지 백금합금(PtCo/CNT, PtRu/CNT, PtIr/CNT, PtNi/CNT, PtY/CNT), 탄소분말(Carbon black), 탄소나노튜브 파우더(CNT powder), 나피온 아이오노머(Nafion ionomer) 중 어느 하나의 물질 또는 복수 개의 물질이 혼합된 것일 수 있다.
더불어 본 발명에 따른 상기 백금합금은 백금-코발트(PtCo), 백금-루세늄(PtRu), 백금-이리듐(PtIr), 백금-니켈(PtNi), 백금-이트륨(PtY) 중 어느 하나의 물질일 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 상기 비활성기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 중 어느 하나의 기체이다.
본 발명에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법은 a)촉매제 및 비활성기체와, 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 준비하는 단계; b)준비된 촉매제를 제1충진라인으로 유동시키는 단계; c)준비된 비활성기체로 연료전지의 상대전극을 충진하면서, 그 비활성기체의 일부로 연료전지의 대상전극에 제1충진라인으로 유동된 촉매제를 충진하는 단계; d)연료전지의 대상전극 및 상대전극으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지하는 단계; 및 e)연료전지의 대상전극의 유출구를 개방하여, 대상전극 및 상대전극 내부의 압력을 대기압으로 조절하면서, 상기 대상전극 내부의 잔여 촉매제를 제거하는 단계;를 포함한다.
이때 본 발명에 따른 상기 d)단계인 연료전지의 대상전극 및 상대전극으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지하는 단계에서, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 1[bar] 이상으로 3분 이상 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 상기 e)단계인 연료전지의 대상전극의 유출구를 개방하여, 대상전극 및 상대전극 내부의 압력을 대기압으로 조절하면서, 상기 대상전극 내부의 잔여 촉매제를 제거하는 단계를 실시한 후, 상기 촉매제용기에 수용된 촉매제가 소진될 때까지 a)단계에서 e)단계를 연속 반복 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.
기조립된 고분자 전해질 연료전지 내부에 백금/탄소지지체 촉매를 주입하여 촉매층에 촉매를 새로이 보충할 수 있어, 고분자 전해질 연료전지의 기대수명을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
그리고 연료전지 시스템의 해체 없이 간단한 물리적 방법을 통해 비가역적으로 열화된 촉매층을 재생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템으로 촉매 보충을 실시한 연료전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템으로 촉매 보충을 실시한 연료전지의 임피던스 분광법 결과의 나이퀴스트도(Nyquist plot)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템으로 촉매 보충을 실시한 연료전지의 대상전극 표면을 전자 현미경과 X선 분광분석을 통해 분석한 결과를 보인 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 기조립된 고분자 전해질 연료전지 내부에 백금/탄소지지체 촉매를 주입하여 촉매층에 백금촉매를 새로이 보충하는 것으로, 연료전지의 해체가 필요하지 않고, 간단한 계통과 방법을 통해서 백금촉매/탄소지지체를 촉매층에 보충할 수 있는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템 및 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1을 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템은 제1충진라인(10), 제2충진라인(20), 제3충진라인(30), 배출라인(40), 촉매제충진부(60), 및 가스충진부(70)를 포함하는데, 먼저 상기 제1충진라인(10)은 유체가 길이를 따라 유동하는 라인으로, 연료전지(100)의 대상전극(110) 유입구(111)에 일측단이 연결된다.
이때 상기 제1충진라인(10)은 중공을 갖는 파이프, 튜브 등으로 구비할 수 있고, 상기 제1충진라인(10) 중 촉매제충진부(60)가 연결되는 타측 선상에는 제1역류방지밸브(63)를 구비하여, 유체가 상기 제1충진라인(10)을 따라 타측에서 일측으로만 유동하도록 단속한다.
그리고 상기 제2충진라인(20) 유체가 길이를 따라 유동하는 라인으로, 연료전지(100)의 상대전극(120) 유입구(121)에 일측단이 연결된다.
이때 상기 제2충진라인(20)은 역시, 중공을 갖는 파이프, 튜브 등으로 구비할 수 있다.
또한, 상기 제3충진라인(30)은 상기 제1충진라인(10)과 제2충진라인(20)을 연결한다.
이때 상기 제3충진라인(30) 역시, 중공을 갖는 파이프, 튜브 등으로 구비되는 것이 바람직하고, 상기 제3충진라인(30)의 일측단은 상기 제1충진라인(10)과 연결되며, 상기 제1충진라인(10)의 타측단은 상기 제2충진라인(20)과 연결되고, 상기 제3충진라인(30) 선상에는 제2역류방지밸브(31)를 구비하여, 유체가 상기 제3충진라인(30)을 따라 타측에서 일측으로만 유동하도록 단속한다.
따라서 상기 제3충진라인(30)에 의해 상기 제2충진라인(20)을 따라 유동하는 유체는 상기 제1충진라인(10)으로 유동 가능하나, 상기 제1충진라인(10)에서 상기 제2충진라인(20)으로 유동하지 못하도록 단속된다.
그리고 상기 배출라인(40)은 유체가 길이를 따라 유동하는 라인으로, 연료전지(100)의 대상전극(110) 유출구(112)에 일측단이 연결된다.
이때 상기 배출라인(40) 역시, 중공을 갖는 파이프, 튜브 등으로 구비되는 것이 바람직하고, 상기 배출라인(40)에는 상기 배출라인(40)을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브(41)를 구비한다.
또한, 상기 밀폐캡(50)은 연료전지(100)의 상대전극(120) 유출구(122)에 구비되고, 연료전지(100)의 상대전극(120) 유출구(122)를 선택적으로 개폐한다.
더불어 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 촉매제충진부(60)는 상기 제1충진라인(10)의 타측단에 연결되고, 선택적으로 수용하고 있는 촉매제를 선택적으로 공급한다.
이때 상기 촉매제충진부(60)는 촉매제용기(61)와, 펌프(62)를 포함하는데, 상기 촉매제용기(61)는 상기 제1충진라인(61)의 타측단에 연결되고, 촉매제를 수용하면서 선택적으로 토출한다.
여기서 상기 촉매제용기(61)에 수용되는 촉매제는 해당 양의 증류수와 함께, 백금(Pt), 탄소 담지 백금(Pt/C), 탄소나노튜브 담지 백금(Pt/CNT), 백금합금, 탄소 담지 백금합금(PtCo/C, PtRu/C, PtIr/C, PtNi/C, PtY/C), 탄소나노튜브 담지 백금합금(PtCo/CNT, PtRu/CNT, PtIr/CNT, PtNi/CNT, PtY/CNT), 탄소분말(Carbon black), 탄소나노튜브 파우더(CNT powder), 나피온 아이오노머(Nafion ionomer) 중 어느 하나의 물질이 혼합된 것이거나, 또는 복수 개의 물질이 혼합된 것이다.
이때 상기 백금합금은 백금-코발트(PtCo), 백금-루세늄(PtRu), 백금-이리듐(PtIr), 백금-니켈(PtNi), 백금-이트륨(PtY) 중 어느 하나의 물질이다.
그리고 상기 펌프(62)는 상기 제1충진라인(10) 중 상기 촉매제용기(61)와 인접하게 구비되고, 상기 촉매제용기(61)에서 토출된 촉매제가 상기 제1충진라인(10)을 따라 유동하도록 압송한다.
상기 가스충진부(70)는 상기 제2충진라인(20)의 타측단에 연결되고, 선택적으로 수용하고 있는 비활성기체를 공급한다.
이때 상기 가스충진부(70)는 가스용기(71)와, 압력조절기(72)를 포함하는데, 상기 가스용기(71)는 상기 제2충진라인(20)의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 수용하면서 선택적으로 토출한다.
상기 압력조절기(72)는 상기 제2충진라인(20) 중 상기 가스용기(71)와 인접하게 구비되고, 상기 가스용기(71)에서 토출된 비활성기체의 유량을 조절한다.
여기서 상기 비활성기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 중 어느 하나의 기체인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법은 상기한 구성의 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 이용한 것으로, a)촉매제 및 비활성기체와, 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 준비하는 단계; b)준비된 촉매제를 제1충진라인으로 유동시키는 단계; c)제1충진라인으로 유동된 촉매제를 비활성기체로 연료전지의 대상전극에 충진하는 단계; d)연료전지의 대상전극 및 상대전극으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지하는 단계; 및 e)연료전지의 대상전극의 유출구를 개방하여, 상기 대상전극의 잔류 촉매제 및 비활성기체를 배출시키는 단계;를 포함하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법을 각 단계별로 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
먼저 a)단계로, 촉매제 및 비활성기체와, 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 준비한다.
이때 준비되는 촉매제는 해당 양의 증류수와 함께, 백금(Pt), 탄소 담지 백금(Pt/C), 탄소나노튜브 담지 백금(Pt/CNT), 백금합금, 탄소 담지 백금합금(PtCo/C, PtRu/C, PtIr/C, PtNi/C, PtY/C), 탄소나노튜브 담지 백금합금(PtCo/CNT, PtRu/CNT, PtIr/CNT, PtNi/CNT, PtY/CNT), 탄소분말(Carbon black), 탄소나노튜브 파우더(CNT powder), 나피온 아이오노머(Nafion ionomer) 중 어느 하나의 물질이 혼합된 것이거나, 또는 복수 개의 물질이 혼합된 것이다.
여기서 상기 백금합금은 백금-코발트(PtCo), 백금-루세늄(PtRu), 백금-이리듐(PtIr), 백금-니켈(PtNi), 백금-이트륨(PtY) 중 어느 하나의 물질인 것이 바람직하다.
상기한 촉매제는 연료전지(100) 크기에 대응하는 해당 양이 촉매제충진부(60)의 촉매제용기(61)에 수용되고, 상기 촉매제용기(61)는 제1충진라인(10)의 타측단과 연결되며, 상기 제1충진라인(10)의 일측단은 연료전지(100)의 대상전극 유입구(111)와 연결되어 준비된다.
그리고 비활성기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 중 어느 하나의 기체로, 상기 비활성기체는 가스충진부(70)의 가스용기(71)에 수용되고, 상기 가스용기(71)는 제2충진라인(20)의 타측단과 연결되며, 상기 제2충진라인(20)의 일측단은 상기 연료전지(100)의 상대전극 유입구(121)와 연결되어 준비된다.
다음은 b)단계로, 준비된 촉매제를 제1충진라인(10)으로 유동시킨다.
이때 상기 연료전지(100)의 대상전극 유출구(111)에 연결된 배출라인(40)의 개폐밸브(41)를 개방하면서, 상기 제1충진라인(10) 선상에 구비된 펌프(62)를 가동하여 촉매제용기(61)에 수용된 촉매제 중 해당 양의 촉매제가 제1충진라인(10)을 따라 토출시켜 유동되도록 하는 것이 바람직하다.
다음은 c)단계로, 준비된 비활성기체로 연료전지(100)의 상대전극(120)을 충진하면서, 그 비활성기체의 일부로 연료전지(100)의 대상전극(110)에 제1충진라인(10)으로 유동한 촉매제를 충진한다.
이때 상기 제1충진라인(10)으로 해당 정양의 촉매제의 토출이 확인되면, 상기 촉매제충진부(60)에 구비된 펌프(62)의 가동을 중지하면서, 상대전극 유출구(122)에 구비된 밀폐캡(50)을 분리하여 상대전극의 유출구(122)를 개방한다.
그리고 상기 제2충진라인(20) 선상에 구비된 가스충진부(70)의 압력조절기(72)를 개방하여, 가스용기(71)에 수용된 비활성기체가 제2충진라인(20)을 따라 상대전극(120)으로 유동시킨다.
여기서 상기 제2충진라인(20)을 따라 유동하는 비활성기체 중 일부는 제3충진라인(30)을 따라 유동하면서 제1충진라인(10)으로 합류하여, 상기 제1충진라인(10) 선상에 잔류하는 촉매제를 비활성기체가 가진 압력으로 촉매제를 가압하여 대상전극(110)으로 유동시켜, 상기 대상전극(110)으로 촉매제의 충진이 이루어진다.
또한, 연료전지(100)의 대상전극(110) 및 상대전극(120) 각각의 유출구를 폐쇄한다.
이때 촉매제가 대상전극(110)의 내부에 해당 정양이 충진되면, 촉매제가 대상전극(110)의 유출구(112)를 통과하기 전에 배출라인(40) 선상에 구비된 개폐밸브(41)를 폐쇄하면서, 상대전극(120)의 유출구(122)에 밀폐캡(50)을 장착하여 상대전극 유출구(122)를 폐쇄한다.
다음은 d)단계로, 연료전지(100)의 대상전극(110) 및 상대전극(120)으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극(110) 및 상대전극(120)의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지한다.
이때 상기 대상전극(110) 및 상대전극(120) 내부 압력이 1[bar] 이상으로 유지되면서 약 3분 동안 유지되는 것이 바람직하고, 필요한 경우, 상기 가스충진부(70)의 압력조절기(72)의 개도를 확장시켜 가압력을 높일 수도 있다.
다음은 e)단계로, 연료전지(100)의 대상전극(110)의 유출구(112)를 개방하여, 대상전극(110) 및 상대전극(120) 내부의 압력을 대기압으로 조절하면서, 상기 대상전극(110)의 잔류 촉매제 및 비활성기체를 배출시킨다.
이때 상기 대상전극(110) 및 상대전극(120) 내부 압력이 1[bar] 이상으로 유지하면서 해당 시간이 경과하면, 상기 가스충진부(70)의 압력조절기(72)를 폐쇄하여, 상기 제1충진라인(10) 및 제2충진라인(20) 각각의 유체 흐름을 차단하고, 배출라인(40)의 개폐밸브(41)를 개방하여, 대상전극(110) 및 상대전극(120) 내부의 압력을 대기압으로 조절함으로써, 대상전극(110) 내부의 잔여 촉매제를 제거한다.
상기한 a)단계 ~ e)단계를 이루는 일련의 과정에 의해 상기 연료전지(100)의 촉매층에 촉매를 보충할 수 있다.
여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법은 상기 촉매제충진부(60)의 촉매제용기(61)에 수용된 촉매제가 모두 소진될 때까지 상기한 a)단계 ~ e)단계를 연속 반복 실시하여 상기 연료전지(100)의 촉매층에 촉매를 보충하는 것이 바람직하다.
도 2는 연료전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 3은 임피던스 분광법 결과의 나이퀴스트도이다.
본 발명의 일 실시 예와 같이 일련의 과정을 상대 전극에 촉매층이 없는 연료전지에 반복한 결과, 도 2 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 전기화학 성능 측정 결과를 얻었다.
여기서 대상전극은 산화극 상대전극은 공기극이고, 반복 횟수에 따른 결과를 범례를 통해 표시하였다.
도 4는 대상전극의 표면을 전자 현미경과 X선 분광분석을 통해 분석한 결과를 보인 것으로, 백금 입자가 표면에 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
그러므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법 상기한 일련의 과정에 의해 기조립된 고분자 전해질 연료전지 내부에 백금/탄소지지체 촉매를 주입하여 촉매층에 촉매를 새로이 보충할 수 있어, 고분자 전해질 연료전지의 기대수명을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 연료전지 시스템의 해체 없이 간단한 물리적 방법을 통해 비가역적으로 열화된 촉매층을 재생시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제1충진라인 20: 제2충진라인
30: 제3충진라인 31: 제2역류방지밸브
40: 배출라인 41: 개폐밸브
50: 밀폐캡 60: 촉매제충진부
61: 촉매제용기 62: 펌프
63: 제1역류방지밸브 70: 가스충진부
71: 가스용기 72: 압력조절기
100: 연료전지 110: 대상전극
111: 대상전극 유입구 112: 대상전극 유출구
120: 상대전극 121: 상대전극 유입구
122: 상대전극 유출구

Claims (9)

  1. 연료전지의 대상전극 유입구에 일측단이 연결되는 제1충진라인;
    연료전지의 상대전극 유입구에 일측단이 연결되는 제2충진라인;
    상기 제1충진라인과 제2충진라인을 연결하는 제3충진라인;
    연료전지의 대상전극 유출구에 연결되고, 라인을 선택적으로 개폐하는 개폐밸브를 구비한 배출라인;
    상기 제1충진라인의 타측단에 연결되고, 촉매제를 선택적으로 상기 제1충진라인으로 공급하는 촉매제충진부; 및
    상기 제2충진라인의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 선택적으로 상기 제2충진라인으로 공급하는 가스충진부;를 포함하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매제충진부는
    상기 제1충진라인의 타측단에 연결되고, 촉매제를 수용하면서 선택적으로 토출하는 촉매제용기와;
    상기 제1충진라인 중 상기 촉매제용기와 인접하게 구비되고, 상기 촉매제용기에서 토출된 촉매제를 압송하는 펌프와;
    상기 제1충진라인 중 상기 펌프의 후방에 구비되고, 촉매제의 역류를 방지하는 제1역류방지밸브;를 포함하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스충진부는
    상기 제2충진라인의 타측단에 연결되고, 비활성기체를 수용하면서 선택적으로 토출하는 가스용기와;
    상기 제2충진라인 중 상기 가스용기와 인접하게 구비되고, 상기 가스용기에서 토출된 비활성기체의 유량을 조절하는 압력조절기;를 포함하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매제는
    증류수와,
    백금(Pt), 탄소 담지 백금(Pt/C), 탄소나노튜브 담지 백금(Pt/CNT), 백금합금, 탄소 담지 백금합금(PtCo/C, PtRu/C, PtIr/C, PtNi/C, PtY/C), 탄소나노튜브 담지 백금합금(PtCo/CNT, PtRu/CNT, PtIr/CNT, PtNi/CNT, PtY/CNT), 탄소분말(Carbon black), 탄소나노튜브 파우더(CNT powder), 나피온 아이오노머(Nafion ionomer) 중 어느 하나의 물질 또는 복수 개의 물질이 혼합된 것을 특징으로 하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 백금합금은
    백금-코발트(PtCo), 백금-루세늄(PtRu), 백금-이리듐(PtIr), 백금-니켈(PtNi), 백금-이트륨(PtY) 중 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비활성기체는
    질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 중 어느 하나의 기체인 것을 특징으로 하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템.
  7. a)촉매제 및 비활성기체와, 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충시스템을 준비하는 단계;
    b)준비된 촉매제를 제1충진라인으로 유동시키는 단계;
    c)준비된 비활성기체로 연료전지의 상대전극을 충진하면서, 그 비활성기체의 일부로 연료전지의 대상전극에 제1충진라인으로 유동된 촉매제를 충진하는 단계;
    d)연료전지의 대상전극 및 상대전극으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지하는 단계; 및
    e)연료전지의 대상전극의 유출구를 개방하여, 대상전극 및 상대전극 내부의 압력을 대기압으로 조절하면서, 상기 대상전극의 잔류 촉매제 및 비활성기체를 배출시키는 단계;를 포함하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 d)단계인 연료전지의 대상전극 및 상대전극으로 비활성기체를 지속 충진하여, 대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 대기압력 이상으로 해당 시간동안 유지하는 단계에서,
    대상전극 및 상대전극의 내부 압력을 1[bar] 이상으로 3분 이상 유지하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 e)단계인 연료전지의 대상전극의 유출구를 개방하여, 대상전극 및 상대전극 내부의 압력을 대기압으로 조절하면서, 상기 대상전극의 잔류 촉매제 및 비활성기체를 배출시키는 단계를 실시한 후,
    상기 a)단계에서 e)단계를 연속 반복 실시하는 열화된 고분자 전해질 연료전지 촉매 보충방법.
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