KR20070079531A - Membrane electrode assembly activation process - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 활성화 공정 및 종래의 활성화 공정에 따라 활성화한 전해질막 전극 접합체의 성능 비교 곡선도,1 is a performance comparison curve of an electrolyte membrane electrode assembly activated according to an activation process and a conventional activation process according to an embodiment of the present invention,
도 2는 직접 메탄올 연료전지의 전해질막 전극 접합체의 작용을 나타내는 개략도.2 is a schematic view showing the action of an electrolyte membrane electrode assembly of a direct methanol fuel cell.
본 발명은 연료전지에 사용되는 전해질막 전극 접합체의 활성화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 전해질막 전극 접합체가 작동 초기부터 최대 출력을 발생할 수 있도록 활성화하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of activating an electrolyte membrane electrode assembly used in a fuel cell, and more particularly, to a method of activating an electrolyte membrane electrode assembly used in a direct methanol fuel cell so as to generate a maximum output from an initial operation. .
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연 료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell is a polymer electrolyte type and direct methanol fuel cell operating at room temperature or below 100 ° C, a phosphate fuel cell operating at around 150 to 200 ° C, a molten carbonate fuel cell operating at a high temperature of 600 to 700 ° C, and 1000 ° C. It is classified into the solid oxide fuel cell etc. which operate at the high temperature mentioned above. Each of these fuel cells has basically the same operation principle of generating electricity, but different fuel types, catalysts, and electrolytes.
이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 비교적 저온에서 동작이 가능하고, 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않아서 콤팩트하게 구성할 수 있기 때문에 휴대용 전자기기의 전원으로 사용하기 위한 개발이 활발하다. Among them, the direct methanol fuel cell (DMFC) can operate at a relatively low temperature, and since methanol is used as a direct fuel, it can be compactly constructed without using a reformer that generates hydrogen by reforming raw fuel. As a result, development for use as a power source for portable electronic devices is active.
직접 메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 부분은 전해질막 전극 접합체이며, 통상적으로 전해질막 전극 접합체는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질 막이 개재된 형태로 구성된다. 애노드 전극에는 연료공급장치를 통해 메탄올이 공급되고, 캐소드 전극에는 공기공급장치를 통해 통상의 공기에 포함된 산소가 공급되며, 전해질막 전극 접합체에서는 메탄올과 산소를 이용하여 전기를 발생하게 된다.In the direct methanol fuel cell, a portion where electricity is generated is an electrolyte membrane electrode assembly, and typically, the electrolyte membrane electrode assembly is configured in such a manner that an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode. Methanol is supplied to the anode electrode through a fuel supply device, oxygen contained in normal air is supplied to the cathode electrode through an air supply device, and electricity is generated in the electrolyte membrane electrode assembly using methanol and oxygen.
한편 애노드 전극을 메탄올과 직접 대면시키고 캐소드 전극을 공기 중에 노출시킴으로서, 별도의 연료공급장치 또는 공기 공급장치를 부가하지 않고 전해질막 전극 접합체에 메탄올과 공기 중의 산소를 공급할 수 있다. 이러한 유형의 연료전지를 통상 패시브형 직접 메탄올 연료전지(passive type DMFC)라고 한다. 또한 연료공급장치는 생략하지만 공기공급장치는 부가하는 유형의 연료전지를 통상 세미 패시브형 직접 메탄올 연료전지(semi passive type DMFC)라고 한다. 패시브형 직접 메탄올 연료전지 또는 세미 패시브형 연료전지는 별도의 연료공급장치 및/또는 공기공급장치를 필요로 하지 않기 때문에 불필요한 전력의 소모를 최소로 할 수 있으 며, 상기 장치들을 생략함으로써 부피를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.Meanwhile, by directly facing the anode electrode with methanol and exposing the cathode electrode in the air, methanol and oxygen in the air can be supplied to the electrolyte membrane electrode assembly without the addition of a separate fuel supply device or air supply device. This type of fuel cell is commonly referred to as passive type direct methanol fuel cell (passive type DMFC). Fuel cells of the type which omit the fuel supply but add the air supply are commonly referred to as semi-passive direct methanol fuel cells (semi passive type DMFC). Passive direct methanol fuel cells or semi-passive fuel cells do not require a separate fuel supply and / or air supply, thus minimizing unnecessary power consumption. It has the advantage of being compact.
한편 직접 메탄올 연료전지에서 사용하는 전해질막 전극 접합체의 경우, 제조 후 바로 전력을 생산하게 되면 정상출력을 얻지 못한다. 그래서 종래에는 전해질막 전극 접합체를 물이나 일정 농도의 메탄올에 담침하는 전처리 공정을 거쳐 전해질막 전극 접합체를 활성화한 후 사용하였다. 하지만 전술한 활성화 방법은 통상 수 일이 소요되고, 상기 전처리 공정 동안 정상적인 전력생산이 불가능한 문제점이 있다. On the other hand, in the case of the electrolyte membrane electrode assembly used directly in the methanol fuel cell, if the power is produced immediately after manufacturing, the normal output is not obtained. Thus, conventionally, the electrolyte membrane electrode assembly was used after activating the electrolyte membrane electrode assembly through a pretreatment step of immersing the electrolyte membrane electrode assembly in water or methanol at a predetermined concentration. However, the above-mentioned activation method usually takes several days, and there is a problem that normal power generation is impossible during the pretreatment process.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 직접 메탄올 연료전지에서 사용하는 전해질막 전극 접합체의 전처리 공정의 소요시간을 단축하는 활성화 방법을 제공함에 있다.The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, to provide an activation method for reducing the time required for the pretreatment process of the electrolyte membrane electrode assembly used in a direct methanol fuel cell.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention.
도 2는 직접 메탄올 연료전지의 전해질막 전극 접합체의 작용을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic view showing the action of an electrolyte membrane electrode assembly of a direct methanol fuel cell.
도 2를 참조하면, 직접 메탄올 연료전지의 전해질막 전극 접합체는 애노드 전극(10)과 캐소드 전극(20) 사이에 전해질막(30)이 개재된 형태로 구성된다. 애노 드 전극(10)에 공급된 메탄올(CH3OH) 및 물(H2O)(이하 메탄올과 물의 혼합물을 연료라 정의한다)은 촉매 상에서 이산화탄소(CO2), 수소 이온(H+) 및 전자(e-)로 분해된다. 상기 수소 이온은 전해질 막(30)을 통해 캐소드 전극(20)으로 이동하며, 상기 전자는 외부 전선을 통해 캐소드 전극(20)으로 이동한다. 캐소드 전극(20)에는 통상의 공기에 포함된 산소(O2)가 공급되며, 애노드 전극(10)에서 이동된 전자와 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. Referring to FIG. 2, the electrolyte membrane electrode assembly of the direct methanol fuel cell is configured in such a manner that an
애노드 전극(10)과 캐소드 전극(20)에서 일어나는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.The electrochemical reaction occurring at the
캐소드 전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Cathode: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O Total: CH 3 OH + 3/2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 활성화 공정 및 종래의 활성화 공정에 따라 활성화한 전해질막 전극 접합체의 성능 비교 곡선도이다.1 is a performance comparison curve of an electrolyte membrane electrode assembly activated according to an activation process and a conventional activation process according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도 1을 참조하여 직접 메탄올 연료 전지에 사용되는 전해질막 전극 접합체를 활성화 공정에 대하여 상세히 설명한다. 하지만 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an activation process of an electrolyte membrane electrode assembly used in a direct methanol fuel cell will be described in detail with reference to FIG. 1. However, the present invention is not limited only to the following examples.
<실시예><Example>
넓이가 25㎠ 인 전해질막 전극 접합체의 애노드 전극에 절대습도 90%로 가습된 수소(H2)를 100∼200ccm(Cubic Centimeter per Minute)의 유량으로 공급한다. 즉, 상기 전해질막 전극 접합체에 공급되는 상기 수소의 유량은 전해질막 전극 접합체 1㎠당 4∼8ccm이다. Hydrogen (H 2 ) humidified at an absolute humidity of 90% is supplied to the anode electrode of the electrolyte membrane electrode assembly having a width of 25 cm 2 at a flow rate of 100 to 200 cm (Cubic Centimeter per Minute). That is, the flow rate of the hydrogen supplied to the electrolyte membrane electrode assembly is 4 to 8 ccm per cm 2 of the electrolyte membrane electrode assembly.
상기 전해질막 전극 접합체에 상기 수소의 유량보다 적게 공급되면 충분한 전기가 생산되지 않을 수 있고, 상기 수소의 유량보다 많이 공급되면 미반응하는 수소가 적체되어 수소의 효율적인 이용을 저해하게 된다. 한편 상기 가습량보다 적게 가습된 수소를 공급하면 상기 전해질막 전극 접합체의 수화 시간이 늦어지며, 이로 인하여 활성화 공정에 더 많은 시간을 요하게 된다. 또한 상기 가습량보다 더 많이 가습된 수소를 공급하면 전해질막 전극 접합체의 표면에 물이 응축되어 수소 흐름을 방해할 수 있으며, 이로 인하여 상기 전해질막 전극 접합체에 수소가 불균일하게 공급되어 균일한 활성화 공정이 이루어질 수 없다.If the electrolyte membrane electrode assembly is supplied less than the flow rate of hydrogen may not be enough electricity is produced, if more than the flow rate of hydrogen unreacted hydrogen is accumulated to inhibit the efficient use of hydrogen. On the other hand, when supplying less humidified hydrogen than the humidification amount, the hydration time of the electrolyte membrane electrode assembly is delayed, thereby requiring more time for the activation process. In addition, when supplying more humidified hydrogen than the humidification amount, water may condense on the surface of the electrolyte membrane electrode assembly, thereby preventing hydrogen flow. As a result, hydrogen is uniformly supplied to the electrolyte membrane electrode assembly, thereby providing a uniform activation process. Can't be done.
상기 전해질막 전극 전합체의 애노드 전극에 상기와 같이 수소를 공급하고, 상기 전해질막 전극 접합체의 캐소드 전극에 공기를 공급하면, 출력전압이 0.4∼0.8V 사이에서 유지되도록 전기가 생산된다. 도 1을 참조하면, 이 경우 약 1∼2시간 만에, 보다 상세하게는 약 2시간 만에 상기 전해질막 전극 접합체의 최대 성능에 도달할 수 있다. When hydrogen is supplied to the anode electrode of the electrolyte membrane electrode assembly as described above and air is supplied to the cathode electrode of the electrolyte membrane electrode assembly, electricity is produced so that the output voltage is maintained between 0.4 to 0.8V. Referring to FIG. 1, in this case, the maximum performance of the electrolyte membrane electrode assembly can be reached in about 1 to 2 hours and more specifically in about 2 hours.
<비교예>Comparative Example
종래 방법과 같이, 상기 전해질막 전극 접합체의 애노드 전극에 3M 농도의 메탄올 연료를 공급하는 활성화 공정을 수행한다. 이 때 동시에 상기 전해질막 전극 접합체의 캐소드 전극에 공기를 공급한다. 그러면 도 1에 나타나는 바와 같이, 약 72시간 만에 상기 전해질막 전극 접합체의 최대 성능에 도달할 수 있다. 따라서 전술한 실시예의 경우 상기 비교예와 대비하여 상기 전해질막 전극 접합체의 활성화 시간을 대폭 단축할 수 있는 장점이 있다.As in the conventional method, an activation process of supplying 3 M concentration of methanol fuel to the anode electrode of the electrolyte membrane electrode assembly is performed. At this time, air is supplied to the cathode of the electrolyte membrane electrode assembly. 1, the maximum performance of the electrolyte membrane electrode assembly can be reached in about 72 hours. Therefore, in the case of the above-described embodiment, there is an advantage that the activation time of the electrolyte membrane electrode assembly can be significantly shortened in comparison with the comparative example.
본 발명에 따르면, 직접 메탄올 연료전지의 전해질막 전극 접합체를 초기에 사용할 때, 가습된 수소를 애노드 전극에 공급하여 전해질막 전극 접합체를 활성화 함으로서, 전해질막 전극 접합체의 활성화에 걸리는 시간을 단축시킬 수 있어서 보다 효율적으로 전해질막 전극 합성체를 이용할 수 있다.According to the present invention, when the electrolyte membrane electrode assembly of a direct methanol fuel cell is initially used, humidified hydrogen is supplied to the anode to activate the electrolyte membrane electrode assembly, thereby shortening the time taken to activate the electrolyte membrane electrode assembly. Therefore, the electrolyte membrane electrode composite can be used more efficiently.
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