KR20090119066A - 연료전지 가속 활성화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 활성화 시간을 크게 단축시킴과 함께 수소 사용량을 감소시키면서도 연료전지 활성화가 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서 셀 전압을 일정수준의 OCV로 유지하는 제1단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하는 제2단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 일정수준의 OCV에서 임계수준까지 낮추어주는 제3단계와; OCV가 임계수준으로 떨어지면, 상기 공기극에 공기를 다시 공급하여 OCV를 일정수준까지 다시 상승시키는 제4단계와; 상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전류 또는 정전압 운전 모드로 운전하는 제5단계와; 상기 제1 내지 제5단계를 수회 반복하는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법을 제공한다.
연료전지, 가속, 활성화 방법, OCV, 연료극, 공기극, 셀전압, 정전류, 정전압
Description
본 발명은 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 활성화 시간을 크게 단축시킴과 함께 수소 사용량을 감소시키면서도 연료전지 활성화를 용이하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 수소(H2)와 산소(O2)를 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 포함하고 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 수소이온(H+)이 전달되는 전해질막(10: electrolyte membrane)을 사이에 두고, 양측으로 수소(H2)가 공급되는 연료극(12: anode)과 공기가 공급되는 공기극(14: cathode)이 배열되고, 촉매층을 포함하는 상기 연료극(12) 및 공기극(14)의 바깥쪽에는 가스확산층(16)이 배치되는 구조를 이루며, 이러한 막-전극 어셈블리와 분리판이 순차적으로 적층된 것을 연료전지 스택이라 한다.
상기 연료전지 스택의 전기발생원리를 첨부한 도 6을 참조로 살펴보면, 상기 연료극(12)에는 연료인 수소가 공급되고, 상기 공기극(14)에는 산화제인 공기가 공급되어, 상기 연료극(12)에서는 공급된 수소가 그 촉매층 산화 반응에 의해 수소이온과 전자로 분리되고, 이때 발생된 수소이온은 고분자 전해질막(10)을 통하여, 전자는 외부 회로를 통해 공기극(14)에 공급되며, 이에 공기극(14)에서는 공급된 산소와 전자가 만나 촉매층 환원반응에 의해 산소이온이 생성되고, 상기 수소이온과 산소이온이 결합하여 물이 생성되는 원리를 통해 전기를 발생시키게 된다.
상기와 같은 구성 및 전기 발생 원리를 갖는 연료전지 스택에 있어서, 연료전지 스택으로 조립 제작된 후 초기 운전시 전기 화학 반응에서 그 활성도가 떨어지므로, 연료전지 스택 조립 후 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화(Activation)라는 절차를 진행하게 된다.
프리-컨디셔닝(Pre-conditioning) 또는, 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하는 연료전지 활성화의 목적은 막-전극 어셈블리 및 스택 제조 과정에서 유입된 잔류 불순물의 제거, 반응에 참여하지 못하는 촉매 금속 반응 사이트의 활성화, 반응물의 촉매까지의 이동통로 확보, 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로의 확보 등에 있다.
연료전지 활성화를 위한 구체적인 활성화 항목은 촉매 반응 촉진, 멤브레인 수화, 전기적 접촉면 형성, 3상 계면 형성 등으로 나누어볼 수 있다.
상기 촉매 반응 촉진은 산화된 백금 촉매를 환원(PtxOy→ Pt metal)시키는 것으로서, 전압 주사법(CV scan)을 이용한 환원 방법과, 촉매를 수소가스에 노출시켜 환원시키는 방법이 있다.
상기 멤브레인 수화는 수소 이온의 전도도 향상을 위한 것으로서, 멤브레인 내부 기공에 물 분자가 존재하여 수소 이온 이동이 원할하게 이루어질 수 있도록 한다.
상기 전기적 접촉면 형성은 공기극 및 연료극 즉, 각 전극과 가스확산층간의 계면, 또는 가스확산층과 멤브레인간의 계면에서 전기적 접촉 저항을 감소시키는 것을 의미한다.
상기 3상 계면 형성(TPB; Triple Phase Boundary)은 전해질과 전극 촉매와 반응가스간의 계면을 형성하여 전기화학적인 반응을 촉진하는 것을 의미한다.
이와 같은 연료전지 활성화를 위한 종래의 방법중, 일반적으로 행해지고 있는 정전압과 사이클(Cycle) 운전에 의한 활성화 방법이 있는데, 이 경우에는 활성화 시간이 오래 걸리고, 수소 사용량이 많으며, 활성화를 위한 장비가 복잡하다는 단점이 있다.
이러한 일반적 활성화 방법의 단점을 극복하기 위한 종래기술로서, ⅰ)미국특허(US7,078,118 B2: UTC Fuel Cells)에는 전압 인가 반응 가스 제어 방법이 개시되어 있고, ⅱ)일본특허(JP2004-349050: Aisin Seiki Co. Ltd)에는 정전류 모드 운 전 및 부활 처리 기법이 개시되어 있으며, ⅲ)미국특허(US 6896982 B2: Ballard Power System)에는 공기극(Cathode)측 촉매를 수소 가스에 노출시켜 환원시키는 활성화 방법이 개시되어 있으며, ⅳ)미국특허(US 5601936: British Gas plc)에는 배터리를 이용한 전압 인가 활성화 방법이 개시되어 있으며, ⅶ)미국특허(US 6576356 B1: Plug Power Inc.)에는 멤브레인 수화를 이용한 활성화 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이들 종래기술들은 다음과 같은 단점이 있다.
1) 상기 전압 인가 반응 가스 제어의 경우에는 가스를 공기에서 질소로 변경해 주어야 하므로, 프로세스의 복잡함과 추가적인 질소의 공급을 위해 추가 장치의 필요 및 질소 가스의 공급의 이루어져야 하는 단점이 있다.
2) 상기 정전류 모드 운전 및 부활 처리 기법의 경우, 역시 질소와 같은 추가적인 가스의 추가 및 장치/배관이 필요한 단점이 있다.
3) 상기 공기극(Cathode)측 촉매를 수소 가스에 노출하여 환원시킴으로써 활성화 하는 방법은 공기극측에 수소 가스가 완전히 제거 되지 않았는데 공기를 공급할 경우 촉매의 손상을 가져올 수 있는 위험이 있으며, 잔존 수소 가스를 완전히 제거하기 위해서는 질소와 같은 비활성 가스로 퍼지를 해주어야 하는 단점이 있다.
4) 상기 배터리를 이용한 전압 인가 활성화 방법은 별도의 배터리와 함께 전자부하 역시 갈바닉 셀 및 커패시터(galvanic cell & capacitor)를 갖추어야 하므로 시스템이 복잡한 단점이 있다.
5) 상기 멤브레인 수화를 이용한 활성화 방법은 공기 대신 별도의 질소와 같은 비활성 가스를 사용해야 한다는 점과, 수화 과정 종료 후 추가로 별도의 활성화 과정을 거쳐야 되는 단점이 있고, 따라서 시스템이 복잡한 것과 함께 활성화 시간이 오래 걸린다는 문제점이 따른다.
본 발명은 MEA 수화 과정 및 활성화 전처리 과정이 필요하여 활성화가 장시간 소요되고, 활성화 소요 시간에 증대 따른 수소 사용량이 증대되며, 질소 및 배터리와 같은 추가 장치가 필요하는 등, 종래 기술에서 나타나는 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 별도의 추가장치없이 연료전지 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 활성화를 위한 수소사용량을 감소시킬 수 있는 저항체를 이용한 연료전지 가속 활성화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서 셀 전압을 일정수준의 OCV로 유지하는 제1단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하는 제2단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 일정수준의 OCV에서 임계수준까지 낮추어주는 제3단계와; OCV가 임계수준으로 떨어지면, 상기 공기극에 공기를 다시 공급하여 OCV를 일정수준까지 다시 상승시키는 제4단계와; 상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전류 또는 정전압 운전 모드로 운전하는 제5단계 와; 상기 제1 내지 제5단계를 수회 반복하는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법을 제공한다.
상기 제1단계 및 제4단계에서 일정수준의 OCV는 0.95~1.2V이고, 제1단계에서는 일정수준의 OCV가 수초간 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계에서, 임계수준의 OCV는 0.2V인 것을 특징으로 한다.
상기 제5단계에서, 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.8V 인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.6V 인 것을 특징으로 한다.
상기 제6단계에서, 제1단계 및 제5단계가 55분~60분 동안 50~60회 반복되는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 인가하여 연료전지의 셀전압을 OCV보다 낮은 일정수준으로 유지하는 제1단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하는 제2단계와; 상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 임계수준까지 낮추어주는 제3단계와; 상기 셀전압이 임계수준까지 떨어지면 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 다시 인가하여 셀전압을 다시 일정수준의 전압으로 상승시키는 제4단계와; 상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전압 또는 정전류 운전 모드로 운전하는 제5단계와; 상기 제1 내지 제5단계를 수회 반복하는 제6단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 가속 활성화 방법을 제공한다.
상기 제1단계 및 제4단계에서, 상기 셀전압은 OCV보다 낮은 0.8~1.23V인 것을 특징으로 한다.
상기 제3단계에서, 임계수준의 셀전압은 0.2V인 것을 특징으로 한다.
상기 제5단계에서, 정전압 또는 정전류 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.8V 인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 정전압 또는 정전류 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.6V 인 것을 특징으로 한다.
상기 제6단계에서, 제1단계 및 제5단계가 55분~60분 동안 50~60회 반복되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
연료극 및 공기극에 각각 수소 및 공기를 제공하되, 일정 시점에서 공기극에 대한 공기 차단과 더불어 셀전압을 낮추고, 다시 공기극에 공기를 공급하면서 셀전압을 본래 상태로 올려주는 등의 전압 변화를 준 다음, 정전류 또는 정전압 운전 모드로 연료전지를 운전함으로써, 별도의 추가장치없이 연료전지 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
또한, 연료전지 활성화 시간 단축에 따라, 활성화를 위한 수소사용량을 감소 시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 가속 활성화 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 그래프이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 활성화 방법은 연료전지에 공기를 공급 또는 차단하면서 셀전압을 상승 또는 하강시키는 전압 변화를 주고, 이후 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전이 전압변화가 없을 때까지 진행되는 방법으로 진행된다.
이러한 방법으로 진행되는 본 발명의 연료전지 활성화 방법은 약 55분 동안 진행되는 바, 기존의 활성화 방법중 연료전지에 부하조건을 주면서 사이클 운전 방식(도 4 참조)은 그 활성화 시간이 120~220분 정도 소요되고, 정전류 또는 정전압 운전 방식(도 3 참조)은 3시간 정도 소요되는 점을 감안하면, 그 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 활성화 시간 단축에 따라 수소 사용량을 감소시킬 수 있다.
물론, 첨부한 도 5의 그래프에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 활성화 방법은 활성화 시간을 단축시키면서도 기존의 활성화 방법과 동일한 활성화 결과를 나타낼 수 있다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 하며, 하기의 실시예에 국한되는 것은 아니다.
제1실시예
먼저, 제1단계로서 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 동시에 공급하되, 극히 미량만을 공급하면서 셀 전압을 0.95~1.2V 수준의 OCV로 10~20초 동안 유지시킨다.
다음으로, 제2단계로서 상기 공기극에 대한 공기 공급만을 차단하고, 제3단계로서 상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 0.95~1.2V의 OCV에서 임계수준 즉, 0.2V까지 낮추어준다.
연이어, 제4단계로서 상기 셀전압이 임계수준인 0.2V로 떨어지면, 상기 공기극에 공기를 다시 공급하여 셀전압을 0.95~1.2V의 OCV까지 다시 상승시킨다.
이어서, 상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전류 또는 정전압 운전 모드로 운전하는 제5단계가 진행된다.
이때, 상기 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.8V 사이에 위치하게 되며, 여기서 0.8V는 최소로 필요로 하는 전류 인가시 전압이고, 0.1V는 최대 가능한 운전 영역의 전압이다.
바람직하게는, 상기 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 최대 가능한 운전영역의 전압 0.1V 내지 최소로 필요로 하는 전류 인가시 전압 0.6V 사이에 위치하도록 한다.
마지막으로, 제6단계로서 상기 제1 내지 제5단계를 55분~60분 동안 50~60회 반복 진행되며, 셀전압에 변화가 없을 때까지 진행된다.
제2실시예
먼저, 제1단계로서 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 인가하여 연료전지의 셀전압을 OCV보다 낮은 0.8~1.23V 수준으로 유지시킨다.
일반적인 셀의 경우, OCV가 0.9V 근처이며, 따라서 전류를 소량 인가했을 경우 전압이 0.8 V로 유지될 수 있으며, 1.23V는 이론적인 전압을 나타낸다.
이어서, 제2단계로서 상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하고, 제3단계로서 상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 임계수준인 0.2V까지 낮추어준다.
이때, 공기만을 차단하고, 수소만 연료극에 공급할 경우 셀 전압은 0~0.2V 사이를 유지하게 된다.
다음으로, 제4단계로서 상기 셀전압이 임계수준까지 떨어지면 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 다시 인가하여 셀전압을 다시 0.8~1.23V 수준의 전압으로 상승시킨다.
연이서, 상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전압 또는 정전류 운전 모드로 운전하는 제5단계가 진행된다.
이때, 상기 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.8V 사이에 위치하게 되며, 여기서 0.8V는 최소로 필요로 하는 전류 인가시 전압이고, 0.1V는 최대 가능한 운전 영역의 전압이다.
바람직하게는, 상기 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 최대 가능한 운전영역의 전압 0.1V 내지 최소로 필요로 하는 전류 인가시 전압 0.6V 사이에 위치하도록 한다.
마지막으로, 제6단계로서 상기 제1 내지 제5단계를 55분~60분 동안 50~60회 반복 진행되며, 셀전압에 변화가 없을 때까지 진행된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 활성화 시간 및 수소사용량을 기존의 부하 사이클을 이용한 활성화 방법과 대비하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.
이와 같이, 연료극 및 공기극에 각각 수소 및 공기를 제공하되, 일정 시점에서 공기극에 대한 공기 차단과 더불어 셀전압을 낮추고, 다시 공기극에 공기를 공급하면서 셀전압을 본래 상태로 올려주는 등의 전압 변화를 준 다음, 정전류 또는 정전압 운전 모드로 연료전지를 운전함으로써, 위의 표 1에 나타낸 바와 같이 기존에 부하 사이클에 의한 활성화 방법에 비하여 연료전지 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있고, 수소 사용량을 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 가속 활성화 방법을 설명하는 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 가속 활성화 방법을 설명하는 그래프,
도 3은 종래의 정전압 혹은 정전류 운전만에 의한 활성화 방법을 설명하는 그래프,
도 4는 종래의 사이클 운전에 의한 활성화 방법을 설명하는 그래프,
도 5는 종래의 활성화 방법과 본 발명의 활성화 방법에 따라 진행된 활성화 결과를 나타내는 그래프,
도 6은 연료전지 및 그 동작 원리를 설명하는 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전해질막 12 : 연료극
14 : 공기극 16 : 가스확산층
Claims (5)
- 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서 셀 전압을 일정수준의 OCV로 유지하는 제1단계와;상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하는 제2단계와;상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 일정수준의 OCV에서 임계수준까지 낮추어주는 제3단계와;OCV가 임계수준으로 떨어지면, 상기 공기극에 공기를 다시 공급하여 OCV를 일정수준까지 다시 상승시키는 제4단계와;상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전류 또는 정전압 운전 모드로 운전하는 제5단계와;상기 제1 내지 제5단계를 수회 반복하는 제6단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법.
- 연료전지의 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 인가하여 연료전지의 셀전압을 OCV보다 낮은 일정수준으로 유지하는 제1단계와;상기 공기극에 대한 공기 공급을 차단하는 제2단계와;상기 공기극에 대한 공기 공급 차단후, 셀전압을 임계수준까지 낮추어주는 제3단계와;상기 셀전압이 임계수준까지 떨어지면 공기극에 공기를 공급하면서, 전류부하를 다시 인가하여 셀전압을 다시 일정수준의 전압으로 상승시키는 제4단계와;상기 연료극에 수소를, 공기극에 공기를 충분히 공급한 후, 연료전지를 정전압 또는 정전류 운전 모드로 운전하는 제5단계와;상기 제1 내지 제5단계를 수회 반복하는 제6단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1단계 및 제4단계에서 일정수준의 OCV는 0.95~1.2V이고, 상기 셀전압은 OCV보다 낮은 0.8~1.23V이며, 제1단계에서는 일정수준의 OCV가 수초간 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제3단계에서, 임계수준의 OCV는 0.2V이고, 임계수준의 셀전압은 0.2V인 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제5단계에서, 정전류 또는 정전압 운전모드의 운전 전압은 연료전지 셀당 0.1~0.8V 인 것을 특징으로 하는 연료전지 가속 활성화 방법.
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