KR20070095685A - 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 및 방법 - Google Patents

패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 및 방법 Download PDF

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KR20070095685A
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박준영
이진화
송인섭
김지래
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Abstract

본 발명은 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 및 특성회복방법에 관한 것으로서, 상기 캐소드 전극에 퍼징가스를 공급하기 위한 퍼징가스 공급부를 더 포함하고 또한 상기 퍼징가스 공급부로부터 퍼징가스를 상기 캐소드 전극에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하므로, 패시브형 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
퍼징가스, 압력강하, 플러딩현상

Description

패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ACTIVATING PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따라서 특성회복장치를 구비한 패시브형 연료전지 시스템의 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 특성회복과정을 순차적으로 나타낸 흐름도;
도 3은 종래예에 따라서 활성화처리되는 고체 고분자형 연료전지의 막전극 접합체의 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 전극막 조립체
12 : 멤브레인
14 : 캐소드 전극
16 : 애노드 전극
20 : 연료저장부
30 : 블로어
40 : 퍼징가스 공급부
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 2005-116360호
본 발명은 패시브형 연료전지 시스템의 특성을 회복하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 더 상세하게 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극에 퍼징가스를 공급하여 물과 불순물을 강제로 배출시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 환경문제나 자원문제를 해결하기 위한 방안으로서 천연가스 등의 탄화수소연료, 메탄올 등과 같은 수소함유연료로부터 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지 시스템에 대한 관심이 집중되어 왔다.
연료전지 시스템은 수소함유연료와 산화제인 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 발전장치이다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하는 발전부를 갖는다. 상기 발전부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다.
연료전지 시스템에 있어서, 단위전지의 배열상태, 예를 들어 단위전지가 적층되어 있는 상태와 단위전지가 평면에 배열되어 있는 상태에 따라서 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있다. 특히, 패시브형 연료전지에 있어서 캐소드 전극은 대기에 노출된 상태로 유지된다.
이러한 패시브형 연료전지가 작동하는 경우에 있어서, 대기에 노출되어 개방되어 있는 캐소드 전극 측에는 압력강하(pressure drop)가 없기 때문에 캐소드 플러딩(flooding) 현상에 의해서 발전효율이 저하되었다.
즉, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 캐소드 전극에서는 물이 생성되고 이러한 물이 캐소드 전극에서 배출되지 못하여 발전효율이 저하되었다.
한편, 일본 공개특허공보 2005-116360호(특허문헌 1)에는 애노드 전극에서 발생되는 이산화탄소의 체류현상에 의해서 야기되는 연료전지 시스템의 성능저하를 방지하기 위하여 애노드에 체류하는 기포를 배제하는 가스배제용 진동을 연료전지 본체에 주는 진동부여장치를 구비한 연료전지 시스템(도 3 참조)이 개시되어 있다.
그러나, 상술된 선행기술에 의해서도 캐소드 전극에서의 캐소드 플러딩 현상을 효과적으로 제거하기 위한 구성은 개시되어 있지 않는다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 캐소드 전극이 대기에 노출되어 있는 패시브형 연료전지 시스템에 있어서 발전부의 발전동작이 수행되는 동안 캐소드 전극에서 발생되는 물을 외부로 원활하게 배출시켜서 발전효율을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치는 상기 캐소드 전극에 퍼징가스를 공급하기 위한 퍼징가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 퍼징가스 공급부로부터 상기 애노드 전극에 퍼징가스를 공급하기 위한 공급유로를 더 포함한다.
상기 퍼징가스는 불활성 가스, 수소 또는 이의 혼합가스로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법은 상기 시스템의 발전동작이 이루어지도록 상기 전기 발생부를 가동시키는 단계와; 상기 전기 발생부의 출력을 검출하는 단계와; 검출되는 출력이 소정치 미만으로 저하되면 상기 발전동작을 정지시키는 단계와; 상기 전기 발생부에 퍼징가스를 공급하는 단계와; 상기 시스템의 발전동작이 이루어지도록 상기 전기 발생부를 다시 작동시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 퍼징가스는 상기 캐소드 전극 및/또는 애노드 전극에 공급된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라서 특성회복장치를 구비한 패시브형 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 연료전지 시스템의 특성회복과정을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
먼저, 패시브형 스택은 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전부를 포함한다. 상기 발전부는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자막(12)과, 고분자막(12)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(16) 및 캐소드 전극(14)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)(10)를 구비한 단위전지를 갖는다. 캐소드 전극(14)은 대기에 노출된 상태로 유지된다.
연료전지 시스템은 또한 상기 발전부가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징(미도시)을 갖는다. 상기 하우징에 있어서, 상기 발전부의 일측, 즉 상기 애노드 전극(16)의 하부에는 수소함유연료가 저장되는 연료저장부(20)이 제공되고, 상기 발전부의 타측, 즉 캐소드 전극(14)의 상부에는 대기중의 산소와 같은 산화제를 공급하기 위한 블로어(30; blower)가 제공된다.
상기 하우징의 연료저장부(20)에는 연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 메탄올 용액이 저장될 수 있다.
상술된 바와 같은 구조를 갖는 패시브형 발전부가 정상적으로 운전되는 경우에, 발전부의 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)에서 이루어지는 전기화학반응은 예를 들어 하기 반응식과 같다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O
전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
즉, 애노드 전극(16)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 멤브레인(12), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(14)에 전달된다. 캐소드 전극(14)에서는 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체(미도시)를 통해서 외부로 제공된다.
한편, 패시브형 연료전지 시스템의 발전부가 정상적으로 발전동작을 수행하는 동안에 캐소드 전극(14)에서 생성되는 물이 원활하게 외부로 배출되지 못하고 캐소드 전극(14)에 잔류하는 경우에는 산화제의 공급유로가 잔류하는 물에 의해서 막혀지게 된다. 이는 산화제의 원활한 공급을 방해하여 상기 발전부의 발전효율이 저하된다. 즉, 상기 집전체를 통해서 얻어지는 출력전압이 기준치 미만으로 저하된다.
따라서, 상기 집전체를 통한 출력전압이 기준치 미만으로 떨어지면 상기 발 전부에서의 발전동작을 정지시킨 후 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물을 강제로 배출시켜야 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물을 배출시켜서 저하된 출력전압을 향상시키기 위하여 퍼징가스를 캐소드 전극(14)에 주입하기 위한 퍼징가스 주입부(40)를 더 포함한다. 퍼징가스 주입부(40)로부터 캐소드 전극(14)에 퍼징가스를 주입하면 캐소드 전극(14)에 잔류하는 물이 강제로 배출되어 캐소드 전극(14)에는 산화제가 유입될 수 있는 경로가 회복된다.
상기 퍼징가스는 불활성 가스, 수소 또는 이들의 혼합가스로 이루어진다. 이는 연료전지 시스템의 특성회복과정동안 애노드 전극(16)에 잔류할 수 있는 수소함유연료와 상술된 퍼징가스 사이의 전기화학반응이 이루어져서 물이 계속 생성되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 퍼징가스 주입부(40)로부터 애노드 전극(16)에 퍼징가스를 공급하기 위한 공급경로를 더 포함할 수 있다.
따라서, 퍼징가스 주입부(40)로부터 퍼징가스를 캐소드 전극(14)과 애노드 전극(16)에 공급함으로써 전극막 조립체(10)의 캐소드 전극(14)과 애노드 전극(16)에 잔류하는 물과 불순물 등을 강제로 배출시켜 산화제와 수소함유연료의 유동경로를 회복시킨다.
이 후에, 상술된 바와 같이 전극막 조립체(10)의 전극(14, 16)들에 대한 활성화 작업이 수행된 후에 상기 발전부가 발전동작을 수행하도록 수소함유연료와 산화제를 공급한다. 이때, 수소함유연료와 산화제는 회복된 유입경로를 따라서 원활 하게 공급되므로 패시브형 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 패시브형 스택의 발전동작이 수행되는 동안 캐소드 전극에서 외부로 배출되지 못하고 잔류하는 물을 퍼징가스를 주입하여 강제로 배출시킴으로써 캐소드 전극에 있어서 산화제의 유입경로를 회복시키고 또한 애노드 전극에 잔류하는 불순물을 배출하여 수소함유연료의 유입경로를 회복시킴으로써 발전부에서의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 퍼징가스를 공급하기 위한 퍼징가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퍼징가스 공급부로부터 상기 애노드 전극에 퍼징가스를 공급하기 위한 공급유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 퍼징가스는 불활성 가스, 수소 또는 이들의 혼합가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복장치.
  4. 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법에 있어서,
    상기 시스템의 발전동작이 이루어지도록 상기 전기 발생부를 가동시키는 단계와;
    상기 전기 발생부의 출력을 검출하는 단계와;
    검출되는 출력이 소정치 미만으로 저하되면 상기 발전동작을 정지시키는 단계와;
    상기 캐소드 전극에 퍼징가스를 공급하는 단계와;
    상기 퍼징가스의 공급을 중단한 후에 상기 전기 발생부를 다시 작동시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 퍼징가스는 불활성 가스, 수소 또는 이들의 혼합가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 퍼징가스는 상기 전기 발생부의 애노드 전극에 공급되는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.
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