KR20080046306A - Apparatus and method for activating electric generator of fuel cell system - Google Patents

Apparatus and method for activating electric generator of fuel cell system Download PDF

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Abstract

A method for activating the electricity generation part of a fuel cell system, and its apparatus are provided to reduce the activation time with omitting nitrogen purging step. A method for activating the electricity generation part of a fuel cell system comprises the steps of supplying the fuel containing hydrogen of high concentration to an anode; supplying an oxidant to a cathode; stopping the supply of an oxidant; and charging the anode with the fuel containing hydrogen of high concentration. Preferably the concentration of the fuel containing hydrogen of high concentration is 3-10 M or 10-40 vol%; and the charging step is carried out at a room temperature for 12-24 hours.

Description

연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치 및 활성화 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ACTIVATING ELECTRIC GENERATOR OF FUEL CELL SYSTEM}Activation device and method for activating the electricity generation part of fuel cell system {APPARATUS AND METHOD FOR ACTIVATING ELECTRIC GENERATOR OF FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 연료전지 시스템의 전기 발생부를 개략적으로 도시한 도면;1 is a view schematically showing an electricity generating unit of a fuel cell system;

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치를 도시한 도면;2 is a view showing an activation device for an electric generator of a fuel cell system according to the present invention;

도 3은 활성화 과정에서 질소퍼징의 수행여부에 따른 전기 발생부에서의 발전성능을 비교하여 나타낸 그래프로서, (a)는 질소퍼징한 예의 그래프, (b)는 질소퍼징없는 예의 그래프;3 is a graph showing the generation performance in the electricity generating unit according to whether or not performing nitrogen purging in the activation process, (a) is a graph of the nitrogen purging example, (b) is a graph of the example without nitrogen purging;

도 4는 본 발명에 따른 활성화 처리후의 전기 발생부에서의 출력을 나타낸 그래프;4 is a graph showing the output at the electricity generating unit after the activation process according to the present invention;

도 5는 종래예의 활성화 처리후의 전기 발생부에서의 출력을 나타낸 그래프.Fig. 5 is a graph showing the output of the electricity generating unit after the activation process of the conventional example.

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

22 : 제1유입부22: first inlet

24 : 제1배출부24: first discharge unit

26 : 제2유입부26: second inlet

100 : 전기 발생부100: electricity generating unit

210 : 수소함유연료 공급부210: hydrogen-containing fuel supply unit

220 : 산화제 공급부220: oxidant supply unit

230 : 저장탱크230: storage tank

240 : 제어부240: control unit

본 발명은 연료전지 시스템을 구성하고 있는 전기 발생부의 발전성능을 개선시킬 수 있는 활성화 장치 및 방법에 관한 것이고, 더 상세하게 활성화 과정의 시간을 단축시키면서 발전성능을 균일화시킬 수 있는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an activation device and method that can improve the power generation performance of the electricity generating unit constituting the fuel cell system, and more specifically, to the electric power of the fuel cell system capable of uniformizing the power generation performance while shortening the time of the activation process. It relates to an activation device and method for the generator.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료로서 수소함유연료의 수소와 산화제인 산소 사이의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전 시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소가 사용되거나 또는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 수소함유 물질에 함유되어 있는 수소가 사용될 수 있다. 상기 산소는 순수한 산소가 사용되거나 또는 통상의 공기에 포함된 산소가 사용될 수 있다.In general, a fuel cell system is a power generation system that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen of a hydrogen-containing fuel as a fuel and oxygen as an oxidant. The hydrogen may be pure hydrogen or hydrogen contained in a hydrogen-containing material such as methanol, ethanol, natural gas and the like. The oxygen may be pure oxygen or oxygen included in ordinary air.

이러한 연료전지 시스템은 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 연료전지 또는 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이 상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등에 따라서 분류될 수 있다.Such fuel cell systems include polymer electrolyte fuel cells or direct methanol fuel cells operating at room temperature or below 100 ° C., phosphoric acid fuel cells operating near 150 to 200 ° C., and molten carbonate types operating at high temperatures of 600 to 700 ° C. Fuel cells, solid oxide fuel cells operating at high temperatures above 1000 ° C, and the like. Each of these fuel cells operates on basically similar principles but can be classified according to the type of fuel used, catalyst, electrolyte, and the like.

상기 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는, 비교적 저온에서 동작이 가능하고, 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 수소함유연료로서 직접 사용하기 때문에 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료전지는 휴대용 전자 기기 등의 전원으로 사용이 가능하다.The direct methanol fuel cell (DMFC) can operate at a relatively low temperature and is more compact because methanol is directly used as a hydrogen-containing fuel without using a reformer that reforms raw material fuel to generate hydrogen. Can be configured. The direct methanol fuel cell can be used as a power source for portable electronic devices.

직접 메탄올 연료전지는 기본적으로 전기를 생성하는 전기 발생부를 갖는다. 상기 전기 발생부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다. Direct methanol fuel cells basically have an electricity generator that generates electricity. The electricity generator has a unit cell including an electrolyte membrane having selective ion permeation characteristics and an electrode membrane assembly (MEA) including anode and cathode electrodes provided on both surfaces of the electrolyte membrane.

직접 메탄올 연료전지에 있어서, 전기를 생산하기 위해서는, 상기 애노드 전극에는 메탄올을 공급하고 상기 캐소드 전극에는 통상의 공기에 포함된 산소가 공급된다. 상기 메탄올은 애노드 전극의 촉매 상에서 물과 반응하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자로 분해된다. 상기 수소이온은 상기 전해질막을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동하며, 상기 전자는 외부 전선을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동한다. 상기 캐소드 전극에서는 상기 애노드 전극에서 이동되어 온 상기 전자와 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. 상술된 전자의 흐름에 의해서 전기가 생성된다.In a direct methanol fuel cell, in order to produce electricity, methanol is supplied to the anode electrode and oxygen contained in normal air is supplied to the cathode electrode. The methanol is decomposed into carbon dioxide, hydrogen ions and electrons by reaction with water on the catalyst of the anode electrode. The hydrogen ions move to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons move to the cathode electrode through an external wire. In the cathode, the electrons, hydrogen ions, and oxygen, which are moved from the anode, react with each other on a catalyst to generate water. Electricity is generated by the flow of electrons described above.

그런데, 상기 직접 메탄올 연료전지 시스템에는 메탄올 수용액이 계속 유입되고 상기 화학반응 후 물이 지속적으로 생성되기 때문에, 전지를 계속 운전하게 되면 전지의 구성재료인 카본 재료 등에 포함된 불순물이 용출되어 상기 전극의 촉매에 축적될 수 있다. 또한 상기 직접 메탄올 연료전지에 공급되는 공기에 포함된 대기오염물질이 상기 전극의 촉매에 축적될 수도 있다. 그 결과 촉매가 불순물에 오염되어 촉매 반응 싸이트가 점차 줄게 되어, 장시간에 걸쳐 직접 메탄올 연료전지를 운전하게 되면 연료전지성능이 점차 저하되는 문제점이 있다. 특히 이러한 문제는 장시간 연료전지의 운전을 중단한 후에 재가동할 때 두드러지며, 초기 기동시간이 불필요하게 장시간 소요되며 연료를 불필요하게 소모하는 문제점이 있었다.However, since the aqueous methanol solution is continuously introduced into the direct methanol fuel cell system and water is continuously generated after the chemical reaction, when the battery is continuously operated, impurities contained in carbon material, which is a constituent material of the battery, are eluted, Can accumulate in the catalyst. In addition, air pollutants contained in the air supplied directly to the methanol fuel cell may accumulate in the catalyst of the electrode. As a result, the catalyst is contaminated with impurities, and thus the catalytic reaction site is gradually reduced, and when the methanol fuel cell is directly operated for a long time, fuel cell performance is gradually degraded. In particular, this problem is remarkable when restarting after stopping the operation of the fuel cell for a long time, there is a problem that the initial startup time unnecessarily takes a long time and consumes fuel unnecessarily.

종래에는 직접 메탄올 연료전지의 발전성능을 회복시키기 위한 활성화 방안이 제안되었지만, 연료전지의 활성화 과정에 많은 시간이 소요되었다.Conventionally, an activation scheme for restoring the power generation performance of a direct methanol fuel cell has been proposed, but it takes a long time for the activation process of the fuel cell.

본 발명은 상술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 활성화 과정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, and an object thereof is to provide an apparatus and method for activating an electricity generating unit of a fuel cell system which can shorten the time required for the activation process.

본 발명의 다른 목적은 복수개의 단위전지가 적층되어 있는 전기 발생부의 보관상태를 개선시킴으로써 발전성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for activating an electricity generating unit of a fuel cell system which can improve power generation performance by improving a storage state of an electricity generating unit in which a plurality of unit cells are stacked.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에서 이루어지는 수소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지의 전기발생부를 활성화시키는 방법은 상기 애노드 전극에 고농도 메탄올을 공급하여 유동시키는 제1단계와; 상기 캐소드 전극에 산화제를 공급하여 유동시키는 제2단계와; 상기 산화제의 공급을 중단하는 제3단계와; 상기 애노드 전극을 고농도 메탄올로 충진시키는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, according to the present invention, a method of activating an electric generator of a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and an oxidant in each of an anode electrode and a cathode electrode supplies high concentration methanol to the anode electrode. The first step of flowing; Supplying an oxidant to the cathode and flowing the second electrode; Terminating the supply of the oxidant; Characterized in that the fourth step of filling the anode electrode with a high concentration of methanol.

상기 제1단계는 20~40분 동안 이루어지고, 상기 고농도 메탄올은 3M~10M 농도를 가질 수 있다. 또한, 상기 고농도 메탄올은 10~40 vol%의 농도를 가질 수 있다.The first step is made for 20 to 40 minutes, the high concentration methanol may have a concentration of 3M ~ 10M. In addition, the high concentration methanol may have a concentration of 10 to 40 vol%.

상기 제4단계는 12~24시간 동안 상온에서 유지된다.The fourth step is maintained at room temperature for 12 to 24 hours.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수소함유연료용 제1유입부 및 제1배출부와 산화제용 제2유입부 및 제2배출부를 갖고, 산소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지의 전기발생부를 활성화시키는 장치는 상기 제1유입부에 유체소통이 가능하게 연결된 고농도 수소함유연료 공급부와; 상기 제2유입부에 유체소통이 가능하게 연결된 산화제 공급부와; 상기 제1배출부를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 제1개폐수단과; 상기 제2유입부를 개폐시킬 수 있는 제2개폐수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, a fuel having a first inlet and a first outlet for hydrogen-containing fuel, a second inlet and a second outlet for an oxidant, and generating electricity through an electrochemical reaction between oxygen and an oxidant An apparatus for activating an electricity generating portion of a battery includes: a high concentration hydrogen-containing fuel supply portion in fluid communication with the first inlet portion; An oxidant supply portion connected to the second inlet portion to enable fluid communication; First opening and closing means for selectively opening and closing the first discharge portion; And a second opening and closing means capable of opening and closing the second inflow portion.

상기 제1개폐수단과 제2개폐수단의 개폐동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함한다.It further comprises a control unit for controlling the opening and closing operation of the first opening and closing means and the second opening and closing means.

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

도 1을 참조하면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 복수개의 단위전지가 적층되어 있는 전기 발생부(100)와, 전기 발생부(100)에 산화제를 공급하는 산화제 공급부(미도시)와, 전기 발생부(100)에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부(미도시)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system supplies an oxidant to an electricity generator 100 and a electricity generator 100 in which a plurality of unit cells that generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked. An oxidant supply unit (not shown) and a fuel supply unit (not shown) for supplying hydrogen-containing fuel to the electricity generating unit 100.

상기 수소함유연료로서 예를 들어, 에탄올, 메탄올 및 천연가스 등과 같은 탄화수소계열의 연료가 사용되고, 상기 산화제로서 통상적으로 산소, 산소함유가스 또는 공기가 사용된다.As the hydrogen-containing fuel, for example, a hydrocarbon-based fuel such as ethanol, methanol and natural gas is used, and oxygen, oxygen-containing gas or air is usually used as the oxidant.

전기 발생부(100)의 단위전지는 선택적 이온투과성을 갖는 고분자 전해질막(12)과, 고분자 전해질막(12)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(14) 및 캐소드 전극(16)으로 이루어진 전극막 조립체(10; MEA)를 구비한다. 또한, 상기 단위전지는 애노드 전극(14)과 캐소드 전극(16)에 수소함유연료와 산화제를 각각 공급하는 바이폴라 플레이트(17, 18)를 포함한다. 바이폴라 플레이트(17, 18)에는 수소함유연료를 애노드 전극(14)에 공급하기 위한 연료공급유로(17a)와 산화제를 캐소드 전극(16)에 공급하기 위한 산화제 공급유로(18a)가 각각 제공된다.The unit cell of the electricity generating unit 100 is an electrode membrane assembly including a polymer electrolyte membrane 12 having selective ion permeability and an anode electrode 14 and a cathode electrode 16 provided on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 12, respectively. (10; MEA). In addition, the unit cell includes bipolar plates 17 and 18 for supplying hydrogen-containing fuel and an oxidant to the anode electrode 14 and the cathode electrode 16, respectively. The bipolar plates 17 and 18 are provided with a fuel supply passage 17a for supplying hydrogen-containing fuel to the anode electrode 14 and an oxidant supply passage 18a for supplying an oxidant to the cathode electrode 16, respectively.

애노드 전극(14)에 있어서, 상기 연료 공급부로부터 공급되는 소정 농도의 수소함유연료, 예를 들어 메탄올은 하기 반응식 2의 산화반응을 통해서 수소이온과 전자로 분해되면서 이산화탄소를 생성한다.In the anode 14, a hydrogen-containing fuel, such as methanol, of a predetermined concentration supplied from the fuel supply part is decomposed into hydrogen ions and electrons through an oxidation reaction of Scheme 2 below to generate carbon dioxide.

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

이때, 수소함유연료의 일부는 상술된 애노드 전극에서의 산화반응에 참여하지 못하고 미반응연료 상태로 회수되어 재활용될 수 있다.At this time, a part of the hydrogen-containing fuel may not participate in the oxidation reaction at the above-described anode electrode and may be recovered and recycled in an unreacted fuel state.

한편, 캐소드 전극(16)에 있어서, 상기 산화제 공급부로부터 공급되는 산화제, 예를 들어 산소는 하기 반응식 1의 환원반응이 이루어진다. On the other hand, in the cathode electrode 16, the oxidizing agent, for example, oxygen supplied from the oxidant supply unit is subjected to a reduction reaction of the following Scheme 1.

캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O ‥‥‥‥ (1)Cathode reaction: (3/2) O 2 + 6H + + 6e _ → 3H 2 O ‥‥‥‥ (1)

따라서, 전기 발생부(100)에 있어서, 상기 연료 공급부로부터 소정 농도의 수소함유연료, 예를 들어 메탄올 수용액이 바이폴라 플레이트(17)의 연료공급유로(17a)를 통해서 애노드 전극(12)에 공급되고 또한 상기 산화제 공급부로부터 산화제, 예를 들어 산소가 바이폴라 플레이트(18)의 산화제 공급유로(18a)를 통해서 캐소드 전극(16)에 공급되면, 애노드 전극(14)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 그리고, 상기 수소이온은 고분자 전해질막(12), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(16)에 전달된다. 또한, 캐소드 전극(16)에서는 수소이온과 전자 그리고 산소이온이 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소가 생성되면서 전기가 생산된다.Therefore, in the electricity generation unit 100, hydrogen-containing fuel, for example, an aqueous methanol solution, of a predetermined concentration is supplied from the fuel supply unit to the anode electrode 12 through the fuel supply passage 17a of the bipolar plate 17. In addition, when an oxidant, for example oxygen, is supplied from the oxidant supply part to the cathode electrode 16 through the oxidant supply passage 18a of the bipolar plate 18, the anode electrode 14 reacts with carbon dioxide and 6 by reaction of methanol and water. Hydrogen ions and electrons are produced (oxidation reaction). The hydrogen ions are transferred to the cathode electrode 16 via the polymer electrolyte membrane 12, for example, a hydrogen ion exchange membrane. In addition, in the cathode electrode 16, hydrogen ions, electrons and oxygen ions react to generate water (reduction reaction). Overall, electricity is produced by the reaction of methanol and oxygen to produce water and carbon dioxide.

도 1을 다시 참조하면, 전기 발생부(100)에는 상기 연료 공급부로부터 수소함유연료가 유입되는 제1유입구(22)와, 상기 산화제 공급부로부터 산화제가 유입되 는 제2유입구(26)가 제공된다. 또한, 전기 발생부(100)에는 상술된 산화반응에 참여하지 못한 미반응연료가 배출되는 제1배출구(24)와, 물 또는 이산화탄소가 배출되는 제2배출구(28)가 제공된다.Referring back to FIG. 1, the electricity generating unit 100 is provided with a first inlet 22 through which hydrogen-containing fuel flows from the fuel supply unit, and a second inlet 26 through which oxidant flows from the oxidant supply unit. . In addition, the electricity generating unit 100 is provided with a first discharge port 24 through which unreacted fuel not participating in the above-described oxidation reaction is discharged, and a second discharge port 28 through which water or carbon dioxide is discharged.

상술된 바와 같은 수소와 산소의 전기화학반응이 장시간 이루어지게 되면, 연료전지 시스템의 발전성능이 저하되므로, 이를 개선시키기 위하여 활성화 과정이 요구된다.When the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen is performed for a long time as described above, since the power generation performance of the fuel cell system is lowered, an activation process is required to improve this.

이때, 본 발명에 따르면 연료전지 시스템의 전기 발생부를 활성화시키기 위한 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 전기 발생부(100)의 제1유입부(22)에 유체소통이 가능하게 연결된 수소함유연료 공급부(210)와, 전기 발생부(100)의 제2유입부(26)에 유체소통이 가능하게 연결된 산화제 공급부(220)와, 전기 발생부(100)의 제1배출부(24)를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 제1개폐수단(234)과, 전기 발생부(100)의 제2유입부(26)를 개폐시킬 수 있는 제2개폐수단(224)으로 이루어진다.In this case, according to the present invention, the apparatus for activating the electricity generating unit of the fuel cell system includes a hydrogen-containing fuel supply unit capable of fluid communication with the first inlet unit 22 of the electricity generating unit 100 as shown in FIG. 2. (210), an oxidant supply unit (220) connected in fluid communication with the second inlet (26) of the electricity generating section (100), and the first discharge section (24) of the electricity generating section (100) selectively. The first opening and closing means 234 that can be opened and closed, and the second opening and closing means 224 that can open and close the second inlet 26 of the electricity generating unit 100.

수소함유연료 공급부(210)에는 전기 발생부에서 이루어지는 전기화학반응에 실제 소요되는 수소함유연료의 농도보다 상대적으로 높은 농도를 갖는 고농도 수소함유연료가 제장된다. 상기 고농도 수소함유연료는 예를 들어 3M~10M 메탄올 또는 10~40 vol%의 메탄올이 사용될 수 있다.The hydrogen-containing fuel supply unit 210 is provided with a high-concentration hydrogen-containing fuel having a concentration relatively higher than the concentration of the hydrogen-containing fuel actually required for the electrochemical reaction in the electricity generating unit. The high concentration hydrogen-containing fuel may be used, for example 3M ~ 10M methanol or 10 ~ 40 vol% methanol.

수소함유연료 공급부(210)는 제1공급관(212)을 통해서 전기 발생부(100)의 제1유입부(22)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 제1공급관(212)은 제1유입부(22)에 분리가능하게 연결될 수 있다.The hydrogen-containing fuel supply 210 is fluidly connected to the first inlet 22 of the electricity generating unit 100 through the first supply pipe 212. The first supply pipe 212 may be detachably connected to the first inlet portion 22.

산화제 공급부(220)는 제2공급관(222)을 통해서 전기 발생부(100)의 제2유입 부(26)에 유체소통이 가능하게 연결된다. 제2공급관(222)은 제2유입부(26)에 분리가능하게 연결된다. 한편, 제2공급관(222)에는 제2개폐밸브(224)가 제공된다. 제2개폐밸브(224)를 개폐시킴으로써 산화제 공급부(220)로부터 공급되는 산화제의 공급여부를 제어하게 된다. 즉, 제2개폐밸브(224)가 개방되어 있으면, 산화제가 산화제 공급부(220)로부터 전기 발생부(100)의 캐소드 전극(18)으로 공급된다. 그러나, 제2개폐밸브(224)가 폐쇄되어 있으면, 산화제의 공급이 중지된다.The oxidant supply unit 220 may be fluidly connected to the second inlet unit 26 of the electricity generating unit 100 through the second supply pipe 222. The second supply pipe 222 is detachably connected to the second inlet 26. On the other hand, the second supply pipe 222 is provided with a second opening and closing valve 224. By opening and closing the second open / close valve 224, it is possible to control whether or not the oxidant supplied from the oxidant supply unit 220 is supplied. That is, when the second open / close valve 224 is open, the oxidant is supplied from the oxidant supply unit 220 to the cathode electrode 18 of the electricity generating unit 100. However, when the second open / close valve 224 is closed, the supply of the oxidant is stopped.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 활성화 장치에 있어서, 수소함유연료 공급부(210)로부터 제1공급관(212)을 통해서 전기 발생부(100)의 제1유입부(22)로 유입되는 고농도의 수소함유연료는 바이폴라 플레이트(17)의 연료공급유로(17a)를 통해서 애노드 전극(17)으로 공급된 후에 전기 발생부(100)의 제1배출부(24)를 통해서 외부로 배출된다. 이때, 전기 발생부(100)의 제1배출부(24)에는 제1배출관(232)을 통해서 배출되는 수소함유연료를 저장하기 위한 저장탱크(230)가 연결된다. 따라서, 제1배출부(24)를 통해서 배출되는 수소함유연료는 제1배출관(232)을 통해서 저장탱크(230)로 유입되어 저장된다. 제1배출관(232)에는 제1배출부(24)를 통한 수소함유연료의 배출여부를 제어하기 위한 제1개폐밸브(234)가 제공된다. As described above, in the activation device according to the present invention, a high concentration of hydrogen introduced from the hydrogen-containing fuel supply unit 210 to the first inlet 22 of the electricity generating unit 100 through the first supply pipe 212. The contained fuel is supplied to the anode electrode 17 through the fuel supply passage 17a of the bipolar plate 17 and then discharged to the outside through the first discharge part 24 of the electricity generating unit 100. At this time, the storage tank 230 for storing the hydrogen-containing fuel discharged through the first discharge pipe 232 is connected to the first discharge portion 24 of the electricity generating unit 100. Therefore, the hydrogen-containing fuel discharged through the first discharge part 24 is introduced into the storage tank 230 through the first discharge pipe 232 and stored. The first discharge pipe 232 is provided with a first open / close valve 234 for controlling whether the hydrogen-containing fuel is discharged through the first discharge part 24.

제1개폐밸브(234)가 개방상태로 유지되어 있는 동안에, 수소함유연료 공급부(210)로부터 공급된 후에 전기 발생부(100)의 애노드 전극(14)에서 사용되고 남은 수소함유연료(상대적으로 낮은 농도의 수소함유연료)는 제1배출부(24)를 통해서 저장탱크(230)로 배출된다. 그러나, 제1개폐밸브(234)가 폐쇄되어 있으면, 제1배출부(24)를 통한 수소함유연료의 배출은 중지되므로 전기 발생부(100)의 애노드 전 극(14)은 고농도 수소함유연료가 충진되어 있는 상태로 유지된다.While the first opening / closing valve 234 is kept open, the hydrogen-containing fuel (relatively low concentration) remaining at the anode electrode 14 of the electricity generating unit 100 after being supplied from the hydrogen-containing fuel supply unit 210. Hydrogen-containing fuel) is discharged to the storage tank 230 through the first discharge portion (24). However, when the first opening / closing valve 234 is closed, the discharge of the hydrogen-containing fuel through the first discharge unit 24 is stopped, so that the anode electrode 14 of the electricity generating unit 100 has a high concentration of hydrogen-containing fuel. It remains charged.

도면부호 240은 개폐밸브(224, 234) 각각의 개폐동작을 제어하기 위한 제어부이다.Reference numeral 240 is a control unit for controlling the opening and closing operations of each of the opening and closing valves (224, 234).

따라서, 상술된 바와 같이, 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(100)가 장시간 운전되어 결과적으로 발전성능이 떨어지면, 이를 회복시키기 위하여 전기 발생부(100)를 본 발명에 따른 활성화 장치에서 활성화 처리한다.Therefore, as described above, when the electricity generation unit 100 that generates electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen is operated for a long time, and as a result, the power generation performance is reduced, the present invention generates the electricity generation unit 100 to recover it In the activation device according to the activation process.

먼저, 전기 발생부(100)의 제1유입부(22)에 제1공급관(212)을 통해서 수소함유연료 공급부(210)를 유체소통이 가능하게 연결하고 또한 제2유입부(26)에 제2공급관(222)를 통해서 산화제 공급부(220)를 유체소통이 가능하게 연결한다. 또한, 제1배출부(24)에 제1배출관(232)을 통해서 저장탱크(230)를 유체소통이 가능하게 연결한다. 이때, 개폐밸브(224, 234)들은 개방된 상태로 유지한다.First, the hydrogen-containing fuel supply unit 210 is connected to the first inlet unit 22 of the electricity generating unit 100 through a first supply pipe 212 so as to allow fluid communication. The oxidant supply unit 220 is connected to the fluid supply via the supply pipe 222. In addition, the storage tank 230 is fluidly connected to the first discharge part 24 through the first discharge pipe 232. At this time, the open / close valves 224 and 234 are kept open.

이 후에, 수소함유연료 공급부(210)로부터 고농도 수소함유연료를 전기 발생부(100)의 애노드 전극(14)에 공급하고 또한 산화제 공급부(220)로부터 산화제, 예를 들어 산소를 전기 발생부(100)의 캐소드 전극(16)에 공급한다. 이때, 제1개폐밸브(234)는 개방된 상태로 유지되어 있으므로, 애노드 전극(14)에는 수소함유연료 공급부(210)로부터 고농도 수소함유연료가 지속적으로 공급되고 또한 애노드 전극(14)에서 사용되고 남은 저농도의 수소함유연료는 제1배출부(24)를 통해서 제1배출관(232)을 경유하여 저장탱크(230)로 배출된다.Thereafter, the high concentration hydrogen-containing fuel is supplied from the hydrogen-containing fuel supply unit 210 to the anode electrode 14 of the electricity generation unit 100, and the oxidant, for example, oxygen is supplied from the oxidant supply unit 220. Is supplied to the cathode electrode (16). At this time, since the first opening / closing valve 234 is maintained in an open state, a high concentration of hydrogen-containing fuel is continuously supplied from the hydrogen-containing fuel supply unit 210 to the anode electrode 14 and is used and left in the anode electrode 14. The low concentration of hydrogen-containing fuel is discharged to the storage tank 230 via the first discharge pipe 232 through the first discharge portion 24.

제1개폐밸브(234)는 약 20~50분 정도 개방된 상태로 유지된다. 결과적으로, 수소함유연료 공급부(210)로부터 고농도 수소함유연료는 제1개폐밸브(234)가 개방되어 있는 시간 동안 전기 발생부(100)의 애노드 전극(14)에 공급된다. 이 후에, 제1개폐밸브(234)가 폐쇄되어 있으면, 제1배출부(24)를 통한 고농도 수소함유연료의 배출이 중지되고, 결과적으로 애노드 전극(14)에는 고농도 수소함유연료가 충진된 상태로 유지된다.The first opening and closing valve 234 is maintained in an open state for about 20 to 50 minutes. As a result, the high concentration hydrogen-containing fuel from the hydrogen-containing fuel supply unit 210 is supplied to the anode electrode 14 of the electricity generating unit 100 during the time that the first opening / closing valve 234 is opened. After that, when the first opening / closing valve 234 is closed, the discharge of the high concentration hydrogen-containing fuel through the first discharge portion 24 is stopped, and as a result, the anode electrode 14 is filled with the high concentration hydrogen-containing fuel. Is maintained.

바람직하게, 제1개폐밸브(234)를 폐쇄시키기 전에, 제2개폐밸브(224)를 폐쇄하여 산화제가 산화제 공급부(220)로부터 전기 발생부(100)의 캐소드 전극(16)으로 유입되는 것을 중지시킨다.Preferably, before closing the first open / close valve 234, the second open / close valve 224 is closed to stop the oxidant from flowing from the oxidant supply 220 to the cathode electrode 16 of the electricity generating unit 100. Let's do it.

제1개폐밸브(234)가 폐쇄된 후 약 12~24시간이 경과하게 되면, 제1공급관(212)을 제1유입부(22)로부터 분리시키면서 제1개폐밸브(234)를 개방하여, 전기 발생부(100)의 애노드 전극(14)에 충진되어 있는 수소함유연료를 저장탱크(230) 측으로 배출시킨다.When about 12 to 24 hours have elapsed since the first opening / closing valve 234 is closed, the first opening / closing valve 234 is opened while the first supply pipe 212 is separated from the first inlet 22. The hydrogen-containing fuel filled in the anode electrode 14 of the generator 100 is discharged to the storage tank 230 side.

상술된 바와 같은 활성화 장치에서의 전기 발생부에 대한 활성화 작업이 수행된 후에, 전기를 생성하도록 전기 발생부(100)를 정상운전시킨다.After the activation operation for the electricity generator in the activation apparatus as described above is performed, the electricity generator 100 is normally operated to generate electricity.

도 5를 참조하면, 종래예에 따라서 활성화 처리한 후에 전기 발생부를 정상운전시켰을 때, 목표 발전성능에 도달하기 위해서, 상기 활성화 처리는 약 4일 동안 실시되었다. 그러나, 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 활성화 장치에서 전기 발생부(100)를 활성화 처리하였을 때, 전기 발생부(100)가 목표 발전성능에 도달하기 위한 활성화 처리는 약 2일 동안 실시되었다.Referring to Fig. 5, when the electric generator is normally operated after the activation process according to the conventional example, the activation process was performed for about 4 days in order to reach the target power generation performance. However, as shown in FIG. 4, when the electricity generation unit 100 is activated in the activation device according to the present invention, the activation process for the electricity generation unit 100 to reach the target power generation performance is performed for about 2 days. .

도 3을 참조하면, 종래에 하루에 1회 활성화를 시킨 후 물을 순환하고 불활 성 기체인 질소를 이용하여 퍼징하는 활성화 과정을 나타낸다. 그러나, 이러한 활성화 과정에 있어서, 전기 발생부의 활성화 속도를 저해하고 오히려 디액티베이션(deactivation)시키는 역효과가 나타나게 된다. 따라서, 이러한 활성화 과정은 제외시키면 최고 성능값 자체가 상승하고 활성화 단계도 단순화되어 시간 단축을 수행할 수 있게 된다. 도 3의 막대 그래프에서 까만색의 막대 그래프는 작동온도 50℃에서의 성능 측정결과이며, 그 옆의 회색 막대 그래프는 70℃에서의 성능 측정 결과이다. 이러한 결과의 값들은 모두 0.4V에서의 전력 밀도(power density) 값을 나타낸 것이다.Referring to FIG. 3, the activation process of circulating water and purging with nitrogen, which is inert gas, is performed after activating once per day. However, in this activation process, the adverse effects of inhibiting and rather deactivating the activation rate of the electricity generating unit appear. Therefore, excluding the activation process increases the highest performance value itself and simplifies the activation step, thereby reducing the time. In the bar graph of FIG. 3, the black bar graph is a performance measurement result at an operating temperature of 50 ° C., and the gray bar graph beside it is a performance measurement result at 70 ° C. FIG. The values of these results all represent power density values at 0.4V.

또한, 도 5에 있어서, 회색의 막대 그래프는 60℃에서의 성능 측정결과이고 백색의 막대 그래프는 70℃에서의 성능 측정결과이다. 마찬가지로, 이러한 결과의 값들은 모두 0.4V에서의 전력 밀도 값을 나타낸 것이다.In addition, in FIG. 5, the gray bar graph shows the performance measurement at 60 ° C and the white bar graph shows the performance measurement at 70 ° C. Likewise, the values of these results all represent power density values at 0.4V.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.The foregoing is merely illustrative of the preferred embodiments of the present invention and those skilled in the art to which the present invention pertains recognize that modifications and variations can be made to the present invention without departing from the spirit and gist of the invention as set forth in the appended claims. shall.

본 발명에 따르면, 질소퍼징과정을 생략하면서도 활성화 시간을 단축시키면서 전기 발생부의 발전성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the power generation performance of the electricity generating unit while reducing the activation time while omitting the nitrogen purging process.

Claims (12)

애노드 전극과 캐소드 전극 각각에서 이루어지는 수소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기발생부를 구비한 연료전지를 활성화시키는 방법에 있어서,In the method for activating a fuel cell having an electricity generating unit for generating electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxidant formed in each of the anode electrode and cathode electrode, 상기 애노드 전극에 고농도 수소함유연료를 공급하여 유동시키는 제1단계와; Supplying a high concentration of hydrogen-containing fuel to the anode and flowing the first electrode; 상기 캐소드 전극에 산화제를 공급하여 유동시키는 제2단계와; Supplying an oxidant to the cathode and flowing the second electrode; 상기 산화제의 공급을 중단하는 제3단계와; Terminating the supply of the oxidant; 상기 애노드 전극을 고농도 수소함유연료로 충진시키는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.And a fourth step of charging the anode electrode with a high concentration of hydrogen-containing fuel. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1단계는 20~40분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.The first step is the activation method for the electricity generating unit of the fuel cell system, characterized in that made for 20 to 40 minutes. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고농도 수소함유연료는 3M~10M 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.The high concentration hydrogen-containing fuel is 3M ~ 10M concentration, characterized in that the activation method for the electricity generation unit of the fuel cell system. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 고농도 수소함유연료는 10~40vol% 농도인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.The high-concentration hydrogen-containing fuel is a power generation method for the electricity generation unit of the fuel cell system, characterized in that the concentration of 10 ~ 40vol%. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제4단계는 12~24시간 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.The fourth step is a method for activating the electricity generating unit of the fuel cell system, characterized in that maintained for 12 to 24 hours. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제4단계는 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 방법.The fourth step is an activation method for an electricity generating unit of a fuel cell system, characterized in that at room temperature. 수소함유연료용 제1유입부 및 제1배출부와 산화제용 제2유입부 및 제2배출부를 갖고, 산소와 산화제의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 연료전지의 전기발생부를 활성화시키는 장치에 있어서,A device having a first inlet and a first outlet for a hydrogen-containing fuel, a second inlet and a second outlet for an oxidant, and for activating an electric generator of a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between oxygen and an oxidant. In 상기 제1유입부에 유체소통이 가능하게 연결된 고농도 수소함유연료 공급부와; A high concentration hydrogen-containing fuel supply unit in fluid communication with the first inlet unit; 상기 제2유입부에 유체소통이 가능하게 연결된 산화제 공급부와; An oxidant supply portion connected to the second inlet portion to enable fluid communication; 상기 제1배출부를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 제1개폐수단과; First opening and closing means for selectively opening and closing the first discharge portion; 상기 제2유입부를 개폐시킬 수 있는 제2개폐수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.And a second opening and closing means for opening and closing the second inlet. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제1개폐수단과 제2개폐수단의 개폐동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.And a control unit for controlling the opening and closing operations of the first opening and closing means and the second opening and closing means. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제1배출부로부터 배출되는 고농도 수소함유연료를 저장하기 위한 저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.And a storage tank for storing the high concentration hydrogen-containing fuel discharged from the first discharge unit. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제1개폐수단은 상기 제1배출부와 상기 저장탱크 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.And the first opening and closing means is located between the first discharge portion and the storage tank. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 고농도 수소함유연료는 3M~10M 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.The high concentration hydrogen-containing fuel has a concentration of 3M ~ 10M, the activation device for an electricity generating unit of a fuel cell system. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 고농도 수소함유연료는 10~40vol%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 전기 발생부용 활성화 장치.The high concentration hydrogen-containing fuel has a concentration of 10 ~ 40vol% of the electricity generation unit activation device for a fuel cell system.
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