KR20070095686A - Apparatus for activating passive type fuel cell system - Google Patents

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Abstract

A method for recovering the characteristics of a fuel cell system is provided to recovery the moving pathway of an electron and an ion formed at a polymer membrane, thereby enhancing the efficiency of a fuel cell system. A method for recovering the characteristics of a fuel cell system having an electricity generation part provided with a polymer membrane(12) which comprises an anode(16) and a cathode(14) exposed to atmosphere at both ends, comprises the steps of stopping the generation of the electricity generation part; and applying voltage to the both ends of the anode and the cathode. Preferably the applied voltage is 0.35-0.45 V. Preferably the method comprises further the steps of detecting the output voltage of the electricity generation part; and comparing the detected voltage and the reference voltage.

Description

패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법{APPARATUS FOR ACTIVATING PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTEM}Characteristic recovery method of passive fuel cell system {APPARATUS FOR ACTIVATING PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 특성회복장치가 연료전지 시스템에 설치된 상태를 나타낸 도면;1 is a view showing a state in which a characteristic recovery apparatus according to the present invention is installed in a fuel cell system;

도 2는 본 발명에 따른 특성회복방법을 순차적으로 나타낸 도면.Figure 2 is a view sequentially showing a characteristic recovery method according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 전극막 조립체10: electrode film assembly

12 : 고분자막12: polymer film

14 : 캐소드 전극14 cathode electrode

16 : 애노드 전극16: anode electrode

20 : 연료저장부20: fuel storage unit

30 : 블로어30: blower

40 : 외부전원40: external power

50 : 전압검출수단50: voltage detection means

60 : 제어부60: control unit

본 발명은 패시브형 연료전지 시스템의 열화된 출력전압을 회복하기 위한 특성회복방법에 관한 것이고, 더 상세하게 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극의 양단에 전위차를 인가하여 고분자막에 형성되어 있는 전자와 이온의 이동경로를 회복시킴으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법에 관한 것이다.The present invention relates to a characteristic recovery method for recovering a deteriorated output voltage of a passive fuel cell system, and more particularly, to an electron formed in a polymer film by applying a potential difference across both an anode electrode and a cathode electrode exposed to the atmosphere. The present invention relates to a method for recovering characteristics of a passive fuel cell system that can improve power generation efficiency by restoring a migration path of ions and ions.

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.In general, interest in fuel cell systems that generate electricity by electrochemically reacting hydrogen obtained from hydrocarbon fuels such as natural gas and hydrogen-containing fuels such as methanol and oxygen in the air as a solution to environmental or resource problems. This has been concentrated.

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. A fuel cell system is a power generation device that generates electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel and oxygen as an oxidant. Such a fuel cell system basically has a power generation unit for generating electricity. The power generation unit has an electrolyte membrane having selective ion permeation characteristics, and a unit cell having an electrode membrane assembly (MEA) including anode and cathode electrodes provided on both surfaces of the electrolyte membrane.

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 전 극은 대기에 노출된 상태로 유지된다.In the fuel cell system, it can be classified into an active type and a passive type according to an arrangement state of unit cells, for example, a state in which unit cells are stacked and a state in which unit cells are arranged in a plane. In particular, in the passive fuel cell, the cathode electrode is kept exposed to the atmosphere.

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.In the case where such a passive fuel cell operates, there is no pressure drop on the cathode electrode side which is exposed to the atmosphere, and thus the power generation efficiency is lowered due to the cathode flooding phenomenon.

즉, 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해서 캐소드 전극에서는 물이 생성되고 이러한 물이 캐소드 전극에서 배출되지 못하는 경우에 물에 함유되어 있는 불순물이 고분자막의 이오노머에 형성되어 있는 전자와 이온의 이동경로를 막아서 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시켰다.That is, when water is generated at the cathode electrode by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and the water cannot be discharged from the cathode, impurities contained in the water are used to transfer electrons and ions in the ionomer of the polymer membrane. This reduces the power generation efficiency of the fuel cell system.

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 잔류하는 물에 함유되어 있는 불순물 등에 의해서 막혀있는 전자와 이온의 이동경로를 회복시켜서 발전효율을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above. In the passive fuel cell system in which the cathode electrode is exposed to the atmosphere, the present invention is contained in water remaining in the cathode electrode during the power generation operation of the power generation unit. It is an object of the present invention to provide a method for recovering characteristics of a passive fuel cell system that can improve the power generation efficiency by restoring the movement path of electrons and ions blocked by impurities.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 고분자막으로 이루어진 전기 발생 부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법은 상기 전기 발생부의 발전동작을 정지시키는 단계와, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 양단에 전압을 인가하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the method of recovering the characteristics of the passive fuel cell system having an electricity generating section made of a polymer film provided on both sides of the anode electrode and the cathode electrode exposed to the atmosphere is the power generation operation of the electricity generating section And stopping a voltage and applying a voltage to both ends of the anode electrode and the cathode electrode.

상기 전기 발생부의 출력전압을 검출하는 단계와, 검출전압과 기준전압을 비교하는 단계를 더 포함한다. The method may further include detecting an output voltage of the electricity generating unit and comparing the detected voltage with a reference voltage.

상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 양단에 인가되는 전압을 0.35~0.45V로 유지한다.The voltage applied to both ends of the anode electrode and the cathode electrode is maintained at 0.35 ~ 0.45V.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 특성회복장치가 연료전지 시스템에 설치된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 특성회복방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.1 is a view showing a state in which a characteristic recovery apparatus according to the present invention is installed in a fuel cell system, Figure 2 is a view showing a characteristic recovery method according to the present invention sequentially.

먼저, 패시브형 연료전지 시스템은 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.First, the passive fuel cell system includes a power generation unit that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, as shown in FIG. 1. The power generation unit includes a polymer membrane 12 having selective ion permeability and an electrode membrane assembly (MEA) 10 including an anode electrode 16 and a cathode electrode 14 provided on both surfaces of the polymer membrane 12, respectively. Has The cathode electrode 14 is kept exposed to the atmosphere.

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)가 제공되고, 상기 발 전부의 타측, 즉 캐소드 전극(14)의 상부에는 대기중의 산소와 같은 산화제를 공급하기 위한 블로어(30; blower)가 제공된다. The fuel cell system also has a housing (not shown) having an accommodation space in which the power generation unit is accommodated. In the housing, one side of the power generation unit, that is, the lower portion of the anode electrode 16 is provided with a fuel storage unit 20 for storing hydrogen-containing fuel, the other side of the foot, that is, the upper portion of the cathode electrode 14 A blower 30 is provided for supplying an oxidant such as oxygen in the atmosphere.

상기 하우징의 연료저장부(20)에는 연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 메탄올 용액이 저장될 수 있다. The fuel storage unit 20 of the housing may store a low concentration methanol solution, which is mixed with a hydrogen-containing fuel, for example, water, supplied from a fuel supply unit (not shown).

상술된 바와 같은 구조를 갖는 패시브형 연료전지 시스템이 정상적으로 운전되는 경우에, 발전부의 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)에서 이루어지는 전기화학반응은 예를 들어 하기 반응식과 같다.In the case where the passive fuel cell system having the structure as described above is normally operated, the electrochemical reaction performed at the anode electrode 16 and the cathode electrode 14 of the power generation unit is, for example, as follows.

애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_ Anode reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e _

캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2OCathode reaction: (3/2) O 2 + 6H + + 6e _ → 3H 2 O

전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2 Total reaction: CH 3 OH + (3/2) O 2 → 2H 2 O + CO 2

즉, 애노드 전극(16)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(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.That is, in the anode electrode 16, carbon dioxide and six hydrogen ions and electrons are generated by the reaction of methanol and water (oxidation reaction). The generated hydrogen ions are transferred to the cathode electrode 14 via the polymer membrane 12, for example, a hydrogen ion exchange membrane. In the cathode electrode 14, hydrogen ions, electrons transferred through an external circuit, and oxygen react to generate water (reduction reaction). In total, methanol and oxygen react to produce water and carbon dioxide, and also generate electricity. At this time, the generated electricity is provided to the outside through a current collector (not shown).

한편, 패시브형 연료전지 시스템의 발전부가 정상적으로 발전동작을 수행하는 동안에 캐소드 전극(14)에서 생성되는 물이 외부로 배출되어 산화제의 유입경로를 양호한 상태로 유지하게 된다. 그러나, 물이 원활하게 외부로 배출되지 못하고 캐소드 전극(14)에 잔류하는 경우에는 이러한 물에 함유되어 있는 불순물이 고분자막(12)의 이오노머에 형성되어 있는 이온과 전자의 이동통로(path)를 막아서 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시킨다.On the other hand, while the power generation unit of the passive fuel cell system normally performs the power generation operation, the water generated from the cathode electrode 14 is discharged to the outside to maintain the inflow path of the oxidant in a good state. However, when water is not discharged to the outside smoothly and remains on the cathode electrode 14, impurities contained in the water block the path of ions and electrons formed in the ionomer of the polymer membrane 12. It reduces the power generation efficiency of the fuel cell system.

따라서, 상기 집전체를 통한 출력전압이 기준치 미만으로 떨어지면 상기 발전부에서의 발전동작을 정지시킨 후 고분자막(12)에 형성되어 있는 이온과 전자의 이동통로를 회복시켜야 한다.Therefore, when the output voltage through the current collector falls below the reference value, the power generation operation in the power generation unit must be stopped and the movement path of ions and electrons formed in the polymer membrane 12 must be restored.

본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 저하된 출력전압을 향상시킬 수 있도록 고분자막(12)에 형성되어 있는 이동통로를 회복시키기 위하여 캐소드 전극(14)과 애노드 전극(16)의 양단에 전압을 인가하기 위한 외부전원(40)을 제공한다. 또한, 연료전지 시스템은 외부전원(40)의 작동을 제어하기 위한 제어부(60)를 더 포함한다.According to the present invention, the fuel cell system applies a voltage to both ends of the cathode electrode 14 and the anode electrode 16 to restore the movement path formed in the polymer membrane 12 so as to improve the reduced output voltage. It provides an external power source 40 for. In addition, the fuel cell system further includes a controller 60 for controlling the operation of the external power source 40.

전압검출장치(50)는 연료전지 시스템의 동작 중에 상기 발전부에서 발생되는 전압을 측정하고, 측정된 전압을 제어부(60)에 제공한다. 제어부(60)에서는 측정전압을 기준전압과 비교한다. 비교결과, 측정전압이 기준전압 미만으로 나타나면 제어부(60)에서는 연료전지 시스템의 발전동작을 정지시킨 후 외부전원(40)으로부터 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)에 전압을 인가한다. 바람직하게, 애노드 전극(16)에는 음극전압이 인가되고 캐소드 전극(14)에는 양극전압이 인가된다.The voltage detector 50 measures the voltage generated by the power generation unit during the operation of the fuel cell system and provides the measured voltage to the controller 60. The controller 60 compares the measured voltage with a reference voltage. As a result of the comparison, when the measured voltage is less than the reference voltage, the controller 60 stops the power generation operation of the fuel cell system and then applies a voltage to the anode electrode 16 and the cathode electrode 14 from the external power supply 40. Preferably, a cathode voltage is applied to the anode electrode 16 and a cathode voltage is applied to the cathode electrode 14.

결과적으로, 인가되는 전압에 의해서 전자가 캐소드 전극(14)에서 애노드 전극(16)으로 인위적으로 흐르게 되며 이는 고분자막(12)을 구성하고 있는 나피온의 이오노머를 재배열시키게 된다. 그리고, 이오노머의 재배열에 의해서 전자와 이온의 이동경로로 회복된다.As a result, electrons flow artificially from the cathode electrode 14 to the anode electrode 16 due to the applied voltage, which rearranges the ionomer of Nafion constituting the polymer film 12. The rearrangement of the ionomer restores the electron and ion migration paths.

한편, 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)의 양단에 인가되는 전압은 약 0.35~0.45V로 유지하는 것이 바람직하다. 이는 외부전원(40)에 의해서 인가되는 전압이 이보다 높으면 전극막 조립체(10)가 망가지게 되는 반면에 이보다 낮으면 전자의 인위적인 흐름이 약하게 되어 이오노머의 재배열 효과가 미미하기 때문이다.On the other hand, the voltage applied to both ends of the anode electrode 16 and the cathode electrode 14 is preferably maintained at about 0.35 ~ 0.45V. This is because when the voltage applied by the external power source 40 is higher than this, the electrode membrane assembly 10 is broken, while when the voltage is lower than this, the artificial flow of electrons is weakened, and the rearrangement effect of the ionomer is insignificant.

이 후에, 상술된 바와 같이 전극막 조립체(10)에 대한 특성회복작업이 수행된 후에 외부전원(40)을 차단하여 전압이 인가되는 것을 정지시킨다. 그리고, 상기 발전부가 발전동작을 수행하도록 수소함유연료와 산화제를 공급한다. 이때, 고분자막(12)에 형성되어 있는 전자와 이온의 이동경로가 회복된 상태로 유지되어 있으므로 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.After that, after the characteristic recovery operation for the electrode film assembly 10 is performed as described above, the external power supply 40 is cut off to stop the voltage from being applied. Then, the power generation unit supplies hydrogen-containing fuel and oxidant to perform the power generation operation. At this time, since the paths of movement of electrons and ions formed in the polymer membrane 12 are maintained in a restored state, power generation efficiency of the fuel cell system may be improved.

본 발명에 따르면, 애노드 전극과 캐소드 전극의 양단에 전압을 인가하여 고분자막을 구성하는 이오노머를 재배열하여 전자와 이온의 이동경로가 회복됨으로써 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by applying a voltage to both ends of the anode electrode and the cathode electrode, the ionomer constituting the polymer membrane is rearranged to restore the electron and ion movement paths, thereby improving power generation efficiency of the fuel cell system.

Claims (3)

애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 고분자막으로 이루어진 전기 발생부를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법에 있어서,In the method of recovering the characteristics of a passive fuel cell system having an anode and a cathode electrode exposed to the atmosphere, each having an electricity generating section made of a polymer film provided on each side, 상기 전기 발생부의 발전동작을 정지시키는 단계와;Stopping a power generation operation of the electricity generating unit; 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 양단에 전압을 인가하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.A method for recovering characteristics of a passive fuel cell system, comprising applying a voltage to both ends of the anode electrode and the cathode electrode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전기 발생부의 출력전압을 검출하는 단계와, 검출전압과 기준전압을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.Detecting the output voltage of the electricity generation unit and comparing the detected voltage with a reference voltage. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극의 양단에 인가되는 전압은 0.35~0.45V인 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법.The voltage applied to both ends of the anode electrode and the cathode electrode is characterized in that the recovery method of the passive fuel cell system, characterized in that 0.35 ~ 0.45V.
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