KR20080047078A - Method of activating stack for direct oxidation fuel cell - Google Patents

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신승식
김태근
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Abstract

A method for activating the stack of a direct oxidation fuel cell is provided to maximize the performance of a battery within a short time. A method for activating the stack of a direct oxidation fuel cell which comprises at least one membrane electrode assembly provided with an anode and a cathode facing each other and a polymer electrolyte membrane located between the anode and the cathode, comprises the step of injecting the humidification hydrogen to an anode. Preferably the relative humidity of the humidification hydrogen is 20-100 % and the amount of the humidification hydrogen injected to the anode is 1.0-3.0 lambda.

Description

직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법{METHOD OF ACTIVATING STACK FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL}Activation method of stack for direct oxidation fuel cell {METHOD OF ACTIVATING STACK FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a schematic structure of a fuel cell system of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지의 성능을 나타낸 그래프이다.2 is a graph showing the performance of a fuel cell manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지의 활성 시간에 따른 전지 성능을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the cell performance according to the active time of the fuel cell prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단시간에 전지 성능을 극대화할 수 있는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for activating a stack for a direct oxidation fuel cell, and more particularly, to a method for activating a stack for a direct oxidation fuel cell capable of maximizing cell performance in a short time.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen, which is fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또 는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a structure in which

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, the fuel is ionized by an oxidation reaction, and electrons are generated, and the generated electrons are oxidized according to an external circuit. Reaching the cathode, which is the pole, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 단시간에 전지 성능을 극대화할 수 있는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for activating a stack for a direct oxidation fuel cell that can maximize cell performance in a short time.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 적어도 하나 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법으로서, 상기 스택의 애노드 전극에 가습 수소를 주입하는 공정을 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a direct oxidation fuel comprising at least one membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. A method for activating a stack for a battery, the method for activating a stack for a direct oxidation fuel cell comprising a step of injecting humidified hydrogen into an anode electrode of the stack.

상기 가습 수소는 상대 습도가 20 내지 100%인 것이 바람직하다.The humidified hydrogen preferably has a relative humidity of 20 to 100%.

상기 애노드 전극에 주입되는 가습 수소의 양은 1.0 내지 3.0λ인 것이 바람직하다.The amount of humidified hydrogen injected into the anode electrode is preferably 1.0 to 3.0λ.

상기 연료 전지는 패시브형 연료 전지인 것이 바람직하다.It is preferable that the fuel cell is a passive fuel cell.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

직접 산화형 연료 전지 시스템은 애노드 전극에는 연료를, 캐소드 전극에는 산화제를 주입하여 전기화학적 반응을 유도하여 전기를 발생시키는 시스템이다. 이때, 연료와 산화제의 주입 방식에 따라 액티브 타입(Active type)과 패시브 타입(Passive type, 또는 Air breathing 타입이라 함)으로 구분할 수 있다. 액티브 타입은 연료와 산화제의 공급 시 펌프를 사용하여 공급하는 방식이며, 패시브 타입은 연료는 확산 방식 또는 펌프를 사용하여 공급하고, 산화제는 대류(convection) 현상에 의하여 공급하는 방식이다.In the direct oxidation fuel cell system, a fuel is injected into an anode electrode and an oxidant is injected into a cathode electrode to induce an electrochemical reaction to generate electricity. In this case, the fuel and oxidant may be classified into an active type and a passive type (called a passive type or an air breathing type). The active type is a method of supplying a fuel and an oxidant by using a pump. The passive type is a method of supplying fuel by a diffusion method or a pump and the oxidant is supplied by a convection phenomenon.

패시브 타입의 연료 전지의 경우, 액티브 타입의 연료 전지에 비하여 단시간에 막-전극 어셈블리의 성능을 극대화할 수 있는 방법으로 알려진 것이 거의 없으며, 알려진 방법 중 하나인 메탄올 용액 또는 물을 이용한 활성 방법은 전지가 최대 성능에 도달하는데, 적어도 20시간 내지 72시간의 장시간이 소요되며, 또한 이 방식으로는 전지 성능을 극대화하는데 어려움이 있다.In the case of passive fuel cells, there are few known methods for maximizing the performance of membrane-electrode assemblies in a short time as compared to active fuel cells. One of the known methods, the active method using methanol solution or water, It takes a long time of at least 20 hours to 72 hours to reach the maximum performance, and there is also a difficulty in maximizing battery performance in this manner.

이에 본 발명에서는 액티브형 연료 전지는 물론, 패시브형 연료 전지의 성능을 단시간에 극대화할 수 있는 활성 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides an active method that can maximize the performance of a passive fuel cell as well as an active fuel cell in a short time.

본 발명의 활성 방법은, 스택을 구성하는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극에 가습 수소를 주입하는 공정으로 구성된다.The activation method of the present invention comprises a step of injecting humidified hydrogen into the anode electrode of the membrane-electrode assembly constituting the stack.

여기서 가습 수소란, 일정 부피의 수소 가스에 수분이 포함된 것을 의미하며, 상기 가습 수소에 함유된 수분의 함량은 상대 습도%로 표현할 수 있다. 본 발 명에서, 상기 가습 수소는 상대 습도가 20 내지 100%인 것이 바람직하고, 60 내지 90%인 것이 더욱 바람직하다. 가습 수소의 상대 습도가 상기 범위인 경우, 고분자 전해질 막 및 전극을 적절히 수화시킬 수 있는 장점이 있어 바람직하다.Here, the humidified hydrogen means that a certain volume of hydrogen gas contains water, and the content of moisture contained in the humidified hydrogen may be expressed by relative humidity%. In the present invention, the humidified hydrogen preferably has a relative humidity of 20 to 100%, more preferably 60 to 90%. When the relative humidity of the humidified hydrogen is in the above range, there is an advantage that the polymer electrolyte membrane and the electrode can be properly hydrated, which is preferable.

상기 가습 수소는 고분자 전해질 막과 전극을 수화시킴으로써 수소 이온 전도도를 높여, 단시간에 연료 전지 시스템의 활성을 향상시키고, 전지 성능을 극대화할 수 있다.The humidified hydrogen increases the hydrogen ion conductivity by hydrating the polymer electrolyte membrane and the electrode, thereby improving the activity of the fuel cell system in a short time and maximizing battery performance.

상기 가습 수소의 주입량은 1.0 내지 3.0λ(Stoichiometry)인 것이 바람직하고, 1.2 내지 1.5λ인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서의 λ란, 최고 출력을 얻기 위해서 애노드 전극에 공급되어야 하는 이론 주입량을 의미한다. The injection amount of the humidified hydrogen is preferably 1.0 to 3.0 lambda (Stoichiometry), more preferably 1.2 to 1.5 lambda. In the present invention, λ means a theoretical injection amount that must be supplied to the anode electrode in order to obtain the highest output.

가습 수소의 주입 양이 상기 범위 내일 때는 고분자 전해질 막 및 전극을 충분히 수화시킬 수 있어 바람직하다. 만약, 가습 수소의 주입량이 3.0λ을 초과하는 경우에는 유량 증가에 따른 기체의 상대 습도 감소로, 충분한 습도를 갖는 수소의 공급이 어려워 고분자 전해질 막 및 전극을 충분히 수화시키지 못하는 문제점이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다. 또한, 1.0λ 미만인 경우에는 수소양이 적어 충분한 전류 방전이 어려운 문제점이 있어 바람직하지 못하다.When the injection amount of humidified hydrogen is in the said range, since it can fully hydrate a polymer electrolyte membrane and an electrode, it is preferable. If the injected amount of humidified hydrogen exceeds 3.0λ, the relative humidity of the gas decreases as the flow rate increases, so that it is difficult to supply hydrogen with sufficient humidity, which may cause a problem that the polymer electrolyte membrane and the electrode cannot be sufficiently hydrated. I can't. In addition, when less than 1.0λ, the amount of hydrogen is small, which is difficult to cause sufficient current discharge, which is not preferable.

이와 같이 직접 산화형 연료 전지 시스템의 애노드 전극에 가습 수소를 주입하여 활성화시키면 2 내지 18시간 안에 연료 전지 시스템이 최대 성능에 도달할 수 있어, 종래 20 내지 72시간에 비하여 전지가 최대 성능에 도달하는 시간을 크게 단축할 수 있으며, 전지의 성능 또한 극대화할 수 있다.As such, when humidified hydrogen is injected into the anode electrode of the direct oxidation fuel cell system and activated, the fuel cell system can reach maximum performance within 2 to 18 hours. Thus, the battery reaches the maximum performance compared to the conventional 20 to 72 hours. Time can be greatly reduced, and battery performance can also be maximized.

본 발명의 스택에서, 막-전극 어셈블리를 구성하는 상기 캐소드 전극 및 상 기 애노드 전극은 촉매를 포함하는 촉매층과 전극 기재를 포함한다.In the stack of the present invention, the cathode electrode and the anode electrode constituting the membrane-electrode assembly comprise a catalyst layer comprising a catalyst and an electrode substrate.

상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.As the catalyst, any one that can be used as a catalyst may participate in the reaction of the fuel cell, and a platinum-based catalyst may be used as a representative example. The platinum-based catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and Ru). Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한, 상기 백금계 촉매를 담체에 담지 시키거나 또는 담체에 담지 시키지 않은 블랙(black) 형태로도 사용할 수 있음은 물론이다. 상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.In addition, the platinum-based catalyst may be used in a black form not supported on the carrier or not. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed with)) may be used, but is not limited thereto.

또한, 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌폴리머 등이 사용될 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated when the fuel cell is driven. As the fluorine-based resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, or the like may be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로 에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

본 발명의 막-전극 어셈블리에서, 고분자 전해질 막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.In the membrane-electrode assembly of the present invention, the polymer electrolyte membrane includes a polymer having excellent hydrogen ion conductivity, and representative examples thereof include a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. The polymer resin which has a cation exchange group selected can be mentioned.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include one or more selected from polymers, polyether-etherketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene)- 5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be mentioned. have.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 직접 산화형 연료 전지용 스택은 연료를 확산 방식으로 또는 펌프를 사용하여 공급하고, 산화제는 대류(convection) 현상으로 공급하는 패시브 타입에 더욱 적합하다.The stack for the direct oxidation fuel cell of the present invention is more suitable for a passive type in which fuel is supplied in a diffusion manner or using a pump, and an oxidant is supplied in a convection phenomenon.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(10)와, 상기 전기 발생부(10)로 연료를 공급하는 연료 공급부(30)와, 상기 전기 발생부(10)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(50)를 포함하여 구성된다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. The fuel cell system 100 of the present invention includes at least one electricity generator 10 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generator 10. 30 and an oxidant supply unit 50 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 10.

상기 전기 발생부(10)는 하나 이상의 막-전극 어셈블리를 포함하며, 상기 연료 공급부(30)와 접하는 면에는 세퍼레이터(15)를 배치하여 구성된다.The electricity generating unit 10 includes one or more membrane-electrode assemblies, and the separator 15 is disposed on a surface in contact with the fuel supply unit 30.

상기 전기 발생부(10)에서 연료 공급부(30)와 접하지 않는 면에는 산화제 공급부(50)가 위치한다. 상기 산화제 공급부(50)는 세퍼레이터의 역할을 하면서, 다수의 통기공(50a)을 통하여 상기 전기 발생부(10)로 산화제를 공급하는 역할도 한 다.The oxidant supply unit 50 is positioned on the surface of the electricity generator 10 that is not in contact with the fuel supply unit 30. The oxidant supply unit 50 serves as a separator, and also serves to supply an oxidant to the electricity generating unit 10 through a plurality of vent holes 50a.

상기 연료 공급부(30)는 상기 전기 발생부(10)에 밀착되게 배치되어, 펌프 등의 구동력에 의존하지 않고, 무부하 상태에서 연료를 상기 스택(10)으로 공급할 수 있다. The fuel supply unit 30 may be disposed in close contact with the electricity generating unit 10, and may supply fuel to the stack 10 under no load without depending on a driving force such as a pump.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey)촉매 88중량% 및 Pt 블랙(Johnson Matthey)촉매 88중량%에 나피온 수계 분산액 12중량%를 각각 첨가하여 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 각각 제조하였다. 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion aqueous dispersion were added to 88 wt% Pt black (Johnson Matthey) catalyst to prepare an anode electrode catalyst composition and a cathode electrode catalyst composition, respectively. .

상기 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극 및 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매 로딩량은 각각 4mg/cm2였다.The anode composition and the cathode composition were applied to a carbon paper electrode substrate to prepare an anode electrode and a cathode electrode. At this time, the catalyst loading of the anode electrode and the cathode electrode was 4 mg / cm 2, respectively.

제조된 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.The membrane-electrode assembly was prepared using the prepared anode electrode, cathode electrode, and commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane.

상기 제조된 막-전극 어셈블리를 폴리테트라플루오로에틸렌이 코팅된 유리 섬유(glass fiber) 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고, 구리 엔드(end) 플레이트 사 이에서 압착하여 단위 전지, 즉 스택을 제조하였다.The prepared membrane-electrode assembly is inserted between polytetrafluoroethylene-coated glass fiber gaskets, and then inserted into two separators having a gas flow channel and a cooling channel having a predetermined shape. The unit cell, ie stack, was prepared by pressing between copper end plates.

상기 스택의 애노드 전극에 상대 습도가 95%인 가습 수소를 1.2λ로 2시간 동안 공급하여 활성 시킨 후, 이 전지의 출력을 측정하였다.Humidified hydrogen with a relative humidity of 95% was supplied to an anode electrode of the stack at 1.2λ for 2 hours to activate, and then the output of the battery was measured.

(실시예 2)(Example 2)

상대 습도가 80%인 가습 수소를 1.0λ로 2시간 동안 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that humidified hydrogen having a relative humidity of 80% was supplied to the anode electrode of the stack at 1.0λ for 2 hours.

(실시예 3)(Example 3)

상대 습도가 75%인 가습 수소를 1.3λ로 2시간 동안 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that humidified hydrogen having a relative humidity of 75% was supplied to the anode electrode of the stack at 1.3λ for 2 hours.

(실시예 4)(Example 4)

상대 습도가 63%인 가습 수소를 1.5λ로 2시간 동안 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that humidified hydrogen having a relative humidity of 63% was supplied to the anode electrode of the stack at 1.5λ for 2 hours.

(실시예 5)(Example 5)

상대 습도가 47%인 가습 수소를 1.74λ로 2시간 동안, 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that humidified hydrogen having a relative humidity of 47% was supplied to the anode electrode of the stack at 1.74 lambda for 2 hours.

(실시예 6)(Example 6)

상대 습도가 33%인 가습 수소를 2.0λ로 2시간 동안, 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that humidified hydrogen having a relative humidity of 33% was supplied to the anode electrode of the stack at 2.0 lambda for 2 hours.

(실시예 7)(Example 7)

상대 습도가 55%인 가습 수소를 2.3λ로 2시간 동안, 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that humidified hydrogen having a relative humidity of 55% was supplied to the anode electrode of the stack at 2.3 lambda for 2 hours.

(실시예 8)(Example 8)

상대 습도가 60%인 가습 수소를 2.7λ로 2시간 동안, 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that humidified hydrogen having a relative humidity of 60% was supplied to the anode electrode of the stack at 2.7 lambda for 2 hours.

(실시예 9)(Example 9)

상대 습도가 87%인 가습 수소를 2.87λ로 2시간 동안, 스택의 애노드 전극에 공급한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that humidified hydrogen having a relative humidity of 87% was supplied to the anode electrode of the stack at 2.87 lambda for 2 hours.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

스택의 애노드 전극에 가습 수소를 주입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was conducted except that humidified hydrogen was not injected into the anode electrode of the stack.

상기 실시예 1 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조된 전지의 성능을 측정하였고, 이 중에서 실시예 1 및 비교예 1의 전지 성능 측정 결과 및 활성 시간에 따른 전지 성능 측정 결과를 도 2 및 도 3에 각각 그래프로 나타내었다.Performance of the batteries prepared according to Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 were measured, among which the battery performance measurement results of Example 1 and Comparative Example 1 and the battery performance measurement results according to the active time are shown in FIGS. 2 and 3. Represented in the graph respectively.

도 2를 참조하면 스택의 애노드 전극에 수소를 공급해준 실시예 1은, 비교예 1에 비하여 전지특성이 우수하게 나타났다.Referring to FIG. 2, Example 1, in which hydrogen was supplied to the anode electrode of the stack, showed better battery characteristics than Comparative Example 1. FIG.

도 3을 참조하면, 가습 수소를 공급하며, 전지를 활성시킨 실시예 1은 전지가 활성화되는데 2시간이 소요되었으며, 이때 출력 밀도가 10W/cm2로 높게 나타났고, 전지 활성 후 2시간 후(활성시작부터 4시간 째)의 출력 밀도는 25W/cm2로 매우 높게 나타났다. 또한, 전지가 최대 성능에 도달하는데 12시간이 소요되었고, 최대 성능에서의 출력 밀도는 30W/cm2이상으로 매우 높게 나타났다.Referring to FIG. 3, Example 1, in which the humidified hydrogen was supplied and the battery was activated, took 2 hours to activate the battery, and the output density was high as 10 W / cm 2 , and after 2 hours after battery activation ( At 4 hours from the start of activation, the power density was very high at 25W / cm 2 . In addition, it took 12 hours for the cell to reach maximum performance, and the output density at the maximum performance was very high, above 30 W / cm 2 .

그러나, 가습 수소의 공급 없이 전지를 활성시킨 비교예 1은, 활성화되는데 걸린 시간이 2시간으로 동일하나, 출력 밀도가 5W/cm2로 실시예 1에 비하여 낮게 나타났고, 전지 활성 후 2시간 후(활성시작부터 4시간 째)의 출력 밀도는 10W/cm2로 매우 낮게 나타났다. 또한, 전지가 최대 성능에 도달하는데 20시간의 장시간이 소요되었으며, 최대 성능에서의 출력 밀도는 20W/cm2로 실시예 1에 비하여 매우 낮게 나타났다. However, in Comparative Example 1 in which the cell was activated without supplying humidified hydrogen, the time taken for activation was equal to 2 hours, but the output density was 5 W / cm 2 , which was lower than that in Example 1, and 2 hours after the cell activation. The output density (at 4 hours from the start of activation) was very low, 10 W / cm 2 . Also, It took a long time of 20 hours for the battery to reach maximum performance, and the output density at the maximum performance was 20W / cm 2, which is very low compared to Example 1.

즉, 애노드 전극에 가습 수소를 공급해주면 전지를 활성시키면, 활성 시간의 단축은 물론 전지가 최대 성능에 도달하는 시간을 줄일 수 있고, 전지 성능이 월등히 향상됨을 확인할 수 있었다.In other words, when the battery is activated by supplying humidified hydrogen to the anode electrode, it can be confirmed that not only shortening the activation time but also reducing the time for the battery to reach maximum performance, and the battery performance is greatly improved.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명의 연료 전지용 스택의 활성 방법은, 전지 활성시에 가습 수소를 공급하여, 단시간에 전지의 성능을 극대화할 수 있다. In the fuel cell stack activation method of the present invention, by supplying humidified hydrogen at the time of battery activation, the battery performance can be maximized in a short time.

Claims (6)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 적어도 하나 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법으로,A method of activating a stack for a direct oxidation fuel cell comprising at least one membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 전극에 가습 수소를 주입하는 공정을 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법. A method of activating a stack for a direct oxidation fuel cell comprising the step of injecting humidified hydrogen into the anode electrode. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가습 수소의 상대 습도는 20 내지 100%인 것인 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법.The relative humidity of the humidified hydrogen is 20 to 100% of the activation method of the stack for a direct oxidation fuel cell. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 가습 수소의 상대 습도는 60 내지 90%인 것인 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법. The relative humidity of the humidified hydrogen is 60 to 90% of the method for activating a stack for a direct oxidation fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 애노드 전극에 주입되는 가습 수소의 양은 1.0 내지 3.0λ인 것인 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법.The amount of humidified hydrogen injected into the anode electrode is 1.0 to 3.0λ activation method for a direct oxidation fuel cell stack. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 가습 수소의 양은 1.2 내지 1.5λ인 것인 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법.The amount of the humidified hydrogen is 1.2 to 1.5λ activation method of a stack for a direct oxidation fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료 전지는 패시브형 연료 전지인 것인 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법.And the fuel cell is a passive fuel cell.
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