KR20100069489A - 전기화학퍼지를 이용한 연료전지의 잔류산소 제거방법 - Google Patents

전기화학퍼지를 이용한 연료전지의 잔류산소 제거방법 Download PDF

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Abstract

고온 무가습 연료전지의 잔류산소 제거방법에서 연료전지 스택의 공기극 압력을 상기 공기극 외부보다 크게 하여 상기 공기극의 기밀을 유지한 다음, 상기 스택내 잔류산소를 제거하고, 상기 스택에 연료공급을 중지하여 상기 연료전지의 스택으로부터 잔류산소를 제거한다. 상기 기밀을 유지하는 과정은 상기 공기극으로부터 공기 유출을 차단하는 과정, 상기 공기극의 압력을 상기 공기극 외부 압력보다 큰 설정압력과 비교하는 과정 및 상기 공기극의 압력이 상기 설정압력과 같거나 커질 때까지만 상기 공기극에 공기를 공급하는 과정을 더 포함할 수 있다.

Description

전기화학퍼지를 이용한 연료전지의 잔류산소 제거방법{Method of removing resident oxygen of fuel cell using electrochemical purge}
본 발명의 일 실시예는 연료전지의 동작방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 가정용 고온 무가습 연료전지의 스택으로부터 잔류산소를 제거하는 방법에 관한 것이다.
가정용 연료전지 시스템의 운전방식은 DSS(daily start-up shut-down)방식이 일반적이다. 이 운전방식에서 연료전지시스템은 매일 기동과 정지를 반복한다. 상기 연료전지시스템이 정지될 때, 높은 셀 전압에 의해 공기극의 카본담체가 부식되는 것을 방지하기 위해, 질소퍼지를 이용하여 셀 전압을 일정 전압이하로 낮춘다.
질소퍼지를 사용하는 경우, 질소 봄베가 필요하며 별도의 배관 및 밸브가 필요하게 된다. 따라서 연료전지시스템의 부피와 부품수가 증가하게 된다.
또한, 질소퍼지 방식은 전극 내 미세 공극 안에 존재하는 산소를 제거하기 어렵다. 때문에 질소퍼지가 완료된 후, 잔류산소에 의해 카본부식이 진행될 수 있다.
연료전지의 동작이 잠시 정지한 상태에 있을 때, 곧 연료전지가 휴지상태에 있을 때, 연료전지 스택으로부터 잔류산소를 제거하는 방식에는 상기 질소퍼지(질소치환)를 통해 잔류산소를 제거하는 방식외에 첫째, 물을 전기분해하여 발생한 수소로 공기극을 충전한 후, 밀봉하는 기술을 이용한 방식과 둘째, 공기공급을 먼저 차단한 후, 정전류로 잔류산소를 제거하는 방식이 있을 수 있다.
첫째 방식의 경우, 잔류산소의 제거율은 높일 수 있으나, 고온 무가습 시스템에 적용하기 어렵고, 수소가 누설될 수 있으며, 산소가 연료전지 내부로 재 유입될 수 있다.
둘째 방식의 경우, 산소제거에 의한 분압 감소로 인해 공기극 내부에 부압(negative pressure)을 형성시켜 공기가 외부로부터 연료전지 내부로 유입될 수 있다. 또한, 국부적인 전류밀도 집중에 의해 부 반응(side reaction)이 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택내 부압 형성을 방지하면서 연료전지 스택의 전극내 미세 공극 안의 잔류산소를 제거할 수 있는 것으로 전기화학퍼지를 이용한 고온 무가습 연료전지의 잔류산소 제거방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 스택의 공기극 압력을 상기 공기극 외부보다 크게 하여 상기 공기극의 기밀을 유지한 다음, 상기 스택내 잔류산소를 제거하고, 상기 스택에 연료공급을 중지하는 연료전지의 잔류산소 제거방법을 제공한다.
상기 스택의 공기극 압력을 상기 공기극 외부보다 크게 하고, 상기 기밀을 유지하는 단계는 상기 공기극으로부터 공기 유출을 차단하는 단계, 상기 공기극의 압력을 상기 공기극 외부 압력보다 큰 설정압력과 비교하는 단계 및 상기 공기극의 압력이 상기 설정압력과 같거나 커질 때까지만 상기 공기극에 공기를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 공기 유출을 차단하는 단계는 공기극 입구 밸브를 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공기극의 압력이 상기 설정압력과 같거나 클 때, 공기극 입구 밸브를 차단하는 단계 및 상기 스택에 대한 공기 공급을 차단하는 단계를 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 스택내 잔류산소를 제거하는 단계는 상기 스택에 전압을 인가하는 단계, 상기 전압이 인가된 상기 스택의 전류를 측정 하는 단계, 상기 측정된 전류값을 설정전류값과 비교하는 단계 및 상기 측정된 전류값이 상기 설정전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정된 전류값이 상기 설정전류값과 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 실시한 다음,
상기 스택에 인가된 전압을 설정전압과 비교하는 단계 및 상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작아질 때까지 상기 스택에 인가되는 전압을 조정하는 단계를 더 실시할 수 있다.
상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 스택에 대한 전압인가를 중지할 수 있다.
또한, 상기 스택에 인가되는 전압을 조정하는 단계에서 조정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때,
상기 설정 전류값을 조정하는 단계, 상기 측정된 전류값과 상기 조정된 설정 전류값(이하, 제2 설정 전류값)을 비교하는 단계 및 상기 측정된 전류값이 상기 제2 설정 전류값과 같거나 작을 때, 상기 스택에 대한 전압인가를 중지하는 단계를 더 실시할 수 있다. 이때, 상기 제2 설정 전류값은 조정전의 상기 설정 전류값보다 작을 수 있다.
상기 조정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 스택에 상기 조정된 전압의 인가시간을 다른 전압을 인가할 때보다 길게 할 수 있다.
상기 스택에 연료공급을 중지하는 단계는 연료극 입출구의 밸브를 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 잔류산소 제거 개시 전, 상기 스택의 공기극 압력은 상기 잔류산소 제거 단계가 완료된 후, 상기 스택의 공기극 압력이 상압 이상이 되는 압력으로 유지할 수 있다.
상기 잔류산소 제거 개시 전, 상기 스택의 공기극 압력은 1.27atm-2atm로 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 스택내 잔류산소를 제거하는 단계는,
상기 스택을 부하에 연결하여 상기 부하에 전류를 인가하는 단계, 상기 스택의 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 전압과 설정 전압을 비교하는 단계 및 상기 측정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 부하에 대한 전류인가를 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 부하에 대한 전류인가를 중지한 다음,
상기 스택의 전압을 다시 측정하는 단계, 다시 측정된 상기 스택의 전압(이하, 2차 측정전압)과 상기 설정전압을 비교하는 단계 및 상기 2차 측정전압이 상기 설정전압보다 클 때, 상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전류는 맥동 전류일 수 있다.
상기 전압은 DC-DC 컨버터를 이용하여 인가할 수 있다.
상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거하는 단계는,
상기 스택에 전압을 인가하는 단계, 상기 전압 인가에 따른 상기 스택의 전 류를 측정하는 단계, 상기 측정된 전류값을 설정 전류값과 비교하는 단계 및 상기 측정된 전류값이 상기 설정 전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정된 전류값이 상기 설정 전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 실시한 다음, 상기 스택에 인가된 전압을 상기 설정전압과 비교하는 단계 및 상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작아질 때까지 상기 스택에 인가되는 전압을 조정하는 단계를 더 실시할 수 있다.
상기 측정된 전압이 상기 설정전압에 도달되기 전에 상기 부하에 대한 전류인가를 중지하고, 상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거할 수 있다.
질소퍼지를 사용하지 않으므로, 연료전지 시스템의 부피를 줄일 수 있다.
전압 또는 전류인가 방식을 이용하는 바, 질소퍼지로 제거할 수 없는 전극의 미세 공극안의 잔류산소까지 제거할 수 있어 셀 열화를 방지할 수 있고, 잔류산소 제거시간, 곧 퍼지 시간을 줄일 수 있다.
연료전지의 스택내에 부압이 형성되지 않는 바, 잔류산소 제거동안 외부로부터 공기가 유입되지 않으므로 스택 내 잔류산소 제거효율을 높일 수 있으며 제거한 후의 정지상태 동안 외부로부터 공기가 유입되지 않으므로 스택의 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
연료전지 스택의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)을 낮출 수 있어 부 반 응을 방지할 수 있고, 이에 따라 공기극 카본 담체의 부식 및 촉매 응집을 방지할 수 있는 바, 연료전지 스택의 내구성을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 고온 무가습 연료전지의 잔류산소 제거방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 연료전지의 발전동작이 정지된 후, 공기극 출구 밸브를 차단한다(S1). '연료전지 동작의 정지'라 함은 여러 원인으로 인해 연료전지가 발전동작이 잠시 중지된 상태를 의미한다. 공기극 출구 밸브를 차단한 다음, 공기극 압력과 설정압력(P1)을 비교한다(S2). 설정압력(P1)은 잔류 산소 제거가 완료된 후에도 공기극의 압력이 상압이 될 수 있는 압력일 수 있다. 설정압력(P1)은 연료전지 스택의 내압으로 공기극 외부의 압력보다 높을 수 있다. 예컨대, 공기극 외부의 압력이 대기압이라면 설정압력(P1)은 대기압보다 높을 수 있다. 이러한 설정압력(P1)은, 예를 들면 1.27atm-2atm일 수 있다.
공기극 압력이 설정압력(P1)과 같거나 설정압력(P1)보다 클 경우(예), 공기극 입구밸브를 차단하고(S3), 공기공급을 중지하여(S4) 공기극에 공기가 유입되는 것을 차단한다. 공기극의 압력이 설정압력(P1)으로 유지될 수 있다면, 공기공급을 중지하는 동작이 공기극 입구밸브 차단 동작보다 먼저 실시될 수도 있다.
한편, 연료전지 시스템의 구축 및 제어를 단순화 하기 위해 압력계를 제거할 수 있다. 압력계가 없는 상태에서 상기 공기극 압력은 다음과 같은 방법으로 제어할 수 있다.
공기극 입구 밸브를 통해서 공기극에 유입되는 공기 유량은 알려져 있다. 그러므로 공기극 입출구 사이의 스택 공기극의 밀폐공간의 부피를 계산하면, 상기 공기극 압력이 설정압력(P1)에 도달되는 시간을 알 수 있다. 따라서 공기극 출구를 폐쇄한 후, 상기 시간 동안만 공기를 공급하고, 공기극 입구를 폐쇄하는 방법으로 공기극 압력이 설정압력(P1)에 도달되도록 제어할 수 있다.
이와 같이 압력계가 없이 공기극 압력을 설정압력(P1)에 도달시킬 수 있으므로, 연료전지 시스템의 부품을 줄일 수 있고, 부피도 줄일 수 있다. 또한 공기극 출구 폐쇄 후, 정해진 시간이 되었을 때, 공기극 입구를 폐쇄하는 것만으로 공기극 압력을 원하는 압력으로 유지할 수 있는 바, 간단히 공기극 압력을 제어할 수 있다.
계속해서, 공기공급을 중단(S4)한 다음, 연료전지 스택으로부터 잔류산소를 제거하기 위한 동작을 수행한다(S5). 이와 같이 공기극 압력이 설정압력(P1)보다 높을 때, 잔류산소를 제거하는 동작을 실시함으로써, 잔류산소 제거에 따라 스택내 압력이 대기압보다 낮아지는 부압이 발생되지 않는다. 따라서 상기 스택으로부터 잔류산소를 제거하는 과정에서 외부로부터 공기 유입을 방지할 수 있는 바, 잔류산소 제거효율을 높일 수 있으며 스택 정시 중의 공기 유입에 따른 스택 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
공기극 압력이 설정압력(P1)보다 작을 경우(아니오), 공기공급을 계속하고(S6), 비교단계(S2)를 반복한다.
연료전지 스택으로부터 잔류산소를 제거하기 위한 동작(S5)이 수행된 후, 연 료전지 스택내의 잔류 산소량과 설정된 잔류 산소량(RO1)을 비교한다(S7). 설정된 잔류 산소량(RO1)은 설정된 전류값에 해당하는 스택내 잔류 산소량일 수 있다. 예컨대, 상기 설정된 전류값이 50mA 또는 10mA일 때, 설정된 잔류 산소량(RO1)은 상기 스택으로부터 잔류산소를 제거하는 과정에서 측정되는 전류값이 50mA 또는 10mA 일 때, 상기 스택내에 잔류하는 산소량으로 간주할 수 있다.
스택내 잔류 산소량이 설정된 잔류 산소량(RO1)보다 작을 경우(예), 잔류산소 제거동작을 중지한다(S8). 이어서 연료공급을 중단하고(S9), 연료극 입출구 밸브를 차단한다(S10). 연료극 입출구 밸브를 차단하는 단계(S10)와 연료공급을 중단하는 단계(S9)의 실시순서는 바뀔 수 있다. 곧, 연료공급을 중단하는 동작보다 연료극 입출구 밸브를 차단하는 동작이 먼저 실시될 수 있다.
연료전지 스택내의 잔류산소의 양과 설정된 잔류 산소량(RO1)을 비교하는 단계(S7)에서, 잔류산소의 양이 설정된 잔류 산소량(RO1)보다 클 경우(아니오), 연료전지 스택으로부터 잔류산소를 제거하기 위한 동작(S5)을 계속한다.
다음, 도 1의 잔류산소 제거동작을 보다 구체화한 실시예들을 설명한다.
도 2는 도 1의 제5, 제7 및 제8 단계(S5, S7, S8)를 구체화하는 일 실시예를 보여준다.
도 1에서 공기공급을 중단한 후의 과정은 도 2에 도시한 과정을 따를 수 있다.
구체적으로, 도 1에서 공기공급을 중단한 후, 도 2의 과정을 따라 스택에 전압을 인가한다(SS5). 이때, 상기 스택에 인가하는 전압은 소정의 전압원, 예를 들 면 연료전지 시스템의 DC-DC 컨버터를 이용하여 인가할 수 있다. 상기 스택에 인가하는 전압은 잔류산소 제거 동안 스택내 카본담체의 백금촉매 둘레 영역의 산소 밀도 차에 기인하는 확산저항(diffusion resistance)에 의한 영향이 포함되어 있다. 이어서 스택에 전압을 인가하는 동안, 상기 스택으로부터 발생되는 전류를 측정한다(SS6). 그리고 측정된 전류값과 설정된 전류값(Io)을 비교한다(SS7). 비교단계(SS7)에서 측정된 전류값이 설정된 전류값(Io)보다 작을 경우(예), 스택에 인가한 전압과 설정 전압(Vo)을 비교한다(SS8). 이때, 설정 전압(Vo)은, 예를 들면 0.4V일 수 있다. 측정된 전류값이 설정된 전류값(Io)보다 클 경우(아니오), 인가전압을 그대로 유지하고(SS9), 다시 전류를 측정한다. 스택에 인가한 전압과 설정전압(Vo)을 비교하는 단계(SS8)에서, 인가전압이 설정전압(Vo)과 같거나 작을 경우(예), 스택에 대한 전압인가를 중지한다(SS10). 그러나 비교단계(SS8)에서, 인가전압이 설정전압(Vo)보다 큰 경우(아니오), 스택에 인가하는 전압을 조정한다(SS11). 이후, 스택에 대한 전압 인가 단계(SS5)에서 스택에 인가되는 전압은 전압 조정 단계(SS11)에서 조정된 전압이다. 전압 조정 단계(SS11)에서 실시되는 전압 조정은 스택에 인가되는 전압을 설정전압(Vo)에 가까워지도록 낮추는 조정이다. 예를 들면, 스택에 전압을 인가하는 단계(SS5)에서 스택에 인가하는 전압이 0.9V일 때, 스택에 대한 인가전압조정단계(SS11)에서는 스택에 인가될 다음 전압을 0.9V보다 낮게 조정할 수 있는데, 예를 들면 0.1V 정도 낮아진 0.8V로 조정할 수 있다.
스택에 대한 전압인가가 중지(SS10)된 후, 도 1의 연료공급중단(S9) 및 연료극 입출입 밸브를 차단하는 과정(S10)을 실시한다.
도 3은 도 1의 제5, 제7 및 제8 단계(S5, S7, S8)를 구체화하는 다른 실시예를 보여준다. 도 3은 도 2의 일부를 변형한 것이다. 따라서 도 3의 설명은 도 2와 다른 부분에 대한 것으로 한정한다.
도 3을 참조하면, 스택에 대한 인가전압 조정단계(SS11)에서 인가전압이 조정된 후, 조정된 인가전압과 설정전압(Vo)을 비교한다(SS12). 이러한 비교단계(SS12)에서의 비교결과, 조정된 인가전압이 설정전압(Vo)보다 큰 경우(아니오), 후속 과정은 도 2와 동일하게 진행될 수 있다.
그러나 조정된 인가전압이 설정전압(Vo)과 같거나 작을 경우(예), 설정 전류값을 조정한다(SS13). 설정 전류값 조정 단계(SS13)에서 새롭게 설정되는 전류값은 최초 설정된 전류값(Io)보다 작다. 예를 들면, 최초 설정된 전류값(Io)이 50mA일 때, 설정 전류값 조정단계(SS13)에서 새로 설정되는 전류값은 50mA보다 작은 값, 예를 들면 10mA가 될 수 있다. 이와 같이 설정 전류값이 조정된 후, 스택에 전압이 인가된다(SS5). 스택에 전압이 인가된 후, 설정 전류값이 조정되었는지를 판단한다(SS14). 설정 전류값이 조정되지 않았으면(아니오), 이후의 과정은 도 2와 동일하게 진행될 수 있다. 그러나 설정 전류값이 조정되었다면(예), 설정전압(Vo)과 같거나 작은 전압이 인가된 스택으로부터 전류를 측정한다(SS15). 이어서, 측정된 전류를 조정된 설정 전류값과 비교한다(SS16). 비교단계(SS16)에서, 측정된 전류값이 조정된 설정 전류값과 같거나 보다 작은 경우(예), 스택에 대한 전압인가를 중지한다(SS10). 그러나 전류측정단계(SS15)에서 측정된 전류값이 조정된 설정 전류값보다 큰 경우(아니오), 스택에 인가되는 전압을 유지하고(SS17), 다시 전류를 측정한 다(SS15).
도 2 및 도 3에서 스택에 전압을 인가하는 단계(SS5)에서 인가하는 전압이 정전압일 때, 전압은 ON/OFF의 맥동 형태로 인가할 수 있다. 이러한 경우, 스택으로부터 보다 신속히 잔류산소를 제거할 수 있고, 잔류산소 제거 효율도 높일 수 있다.
도 4는 도 1의 제5, 제7 및 제8 단계(S5, S7, S8)를 구체화하는 다른 실시예를 보여준다.
도 4에 도시한 잔류산소제거 동작방법은 도 2 또는 도 3과 같은 전압인가 방식이 아니라 전류인가 방식으로 잔류산소를 제거하는 과정을 포함한다.
도 4를 참조하면, 부하에 전류를 인가한다(S55). 부하에 전류를 인가하는 단계(S55)는 연료전지 스택을 외부 부하에 연결하여 스택에 공급되는 연료와 스택내 잔류산소의 반응으로 발생되는 전류를 상기 외부 부하에 인가한다. 이러한 결과로, 휴지 상태인 연료전지 스택으로부터 산소를 제거한다. 상기 외부 부하는 예를 들면 DC-DC 컨버터일 수 있다. 부하에 전류를 인가하는 단계(S55)를 실행하면서 연료전지 스택의 전압을 1차 측정한다(S66). 이어서 1차 측정된 스택의 전압과 설정된 전압(Vo1)을 비교한다(S77). 비교단계(S77)에서 1차 측정된 스택의 전압이 설정된 전압(Vo1)보다 작은 경우(예), 부하에 대한 전류인가를 중지한다(S88). 그러나 1차 측정된 스택의 전압이 설정된 전압(Vo1)보다 큰 경우(아니오), 부하에 대한 전류인가를 유지하고(S99), 1차 전압측정 과정(S66)을 다시 수행한다. 설정된 전압(Vo1)은 0.4V정도일 수 있다.
부하에 대한 전류인가 중지단계(S88) 이후, 스택에 대해서 2차로 전압을 측정한다(S66). 이어서 2차로 측정된 스택전압과 설정된 전압(Vo1)을 비교한다(S77). 비교 단계(S77)에서, 2차로 측정된 스택전압이 설정된 전압(Vo1)과 같거나 작은 경우(예), 연료공급중단 및 연료극 입출구 밸브를 차단한다(S9, S10). 2차로 측정된 스택전압이 설정된 전압(Vol1)보다 큰 경우(아니오), 후속 과정은 도 2 또는 도 3에 도시한 전압인가 방식의 잔류산소 제거방법에 따라 진행할 수 있다(S100).
도 4의 잔류산소 제거방법에서, 도 2 또는 도 3에 도시한 전압인가 방식의 잔류산소 제거 방법은 상기 1차로 측정된 스택의 전압이 설정전압(Vo1)에 도달되기 전에 실시할 수도 있다. 구체적으로, 부하에 전류를 인가하는 방식으로 상기 스택의 잔류 산소를 제거하다가 상기 1차로 측정된 스택의 전압이 설정전압(Vo1)에 도달되기 전에 부하에 대한 전류인가를 중지한다. 이후 상기 1차로 측정된 스택의 전압이 설정전압(Vo1)에 도달되기까지는 도 2 또는 도 3에 도시한 전압인가 방식에 따라 잔류산소를 제거할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 휴지 상태의 연료전지 스택으로부터 잔류산소를 제거하는 방법(이하, 본 발명의 방법)을 적용하여 연료전지 스택으로부터 잔류 산소를 제거할 때, 시간에 따른 스택의 전압-전류 변화를 보여준다. 도 5 내지 도 8에서 제3 그래프(46)는 종래의 방법인 질소퍼지 방법으로 잔류 산소를 제거할 때, 시간에 따른 스택의 전압 변화를 나타낸다.
도 5 및 도 6은 휴지 상태의 연료전지 스택에 정전압을 인가하여 잔류산소를 제거하는 방법을 적용하였을 때, 스택의 전압-전류 변화를 보여준다.
도 5는 도 2를 참조하여 설명한 잔류산소 제거방법을 적용하였을 때, 스택의전압-전류 변화를 보여준다. 도 2를 참조하여 설명한 잔류산소 제거방법을 적용할 때, 스택에 대한 인가전압은 0.9V에서 0.4V까지 0.1V씩 낮추면서 인가하였다. 그리고 인가되는 각 전압에 대한 컷-오프 전류(cut-off current), 곧 설정된 전류값(Io)은 50mA로 하였다.
도 5의 제1 그래프(40)는 스택에 인가하는 전압의 변화를 나타내고, 제2 그래프(44)는 스택에 인가되는 전압에 따라 스택으로부터 측정되는 전류의 변화를 나타낸다. 제1 그래프(40)에서 제1 부분(42)은 스택에 0.4V의 전압을 인가한 후, 상기 스택에 전압을 인가하지 않았을 때, 곧 정전압 부하를 제거하였을 때 나타나는 상기 스택의 전압 상승 부분을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 스택에 인가하는 전압을 낮추어 줌에 따라 산소 환원에 의한 전류가 관측되며 전류값은 스택내 산소고갈에 따른 확산저항에 의해 점차 감소한다.
도 5에서 제1 그래프(40)와 제3 그래프(46)를 비교하면, 스택의 셀 전압이 0.4V에 도달되는 시간은 본 발명의 방법보다 질소퍼지 방식이 2배 이상 긴 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 방법을 이용하면, 잔류산소 제거시간을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 방법의 경우, 제1 그래프(40)의 제1 부분(42)에서 볼 수 있듯이, 정전압 부하가 제거되었을 때, 스택의 전압상승 정도는 0.2V이하여서 스택의 OCV는 0.6V가 되지 않는다. 정전압 부하가 제거되었을 때, 스택 전압이 상승하는 것은 상기 확산 저항에 의해 감소되었던 셀 전압이 회복되기 때문이다.
반면, 질소퍼지 방식으로 잔류산소를 제거한 경우, 질소퍼지를 중단하였을 때, 전압이 0.4V 정도 상승하여 OCV는 0.8V정도가 된다. 셀 전압이 높을수록 공기극 카본 담체의 부식이 일어나기 쉬우므로 질소퍼지에 의한 산소제거는 본 발명의 방법보다 셀 열화를 일으키기 쉽다고 말할 수 있다.
도 6은 도 3을 참조하여 설명한 잔류산소 제거 방법을 적용하여 스택으로부터 잔류산소를 제거하였을 때, 스택의 전압-전류 변화를 보여준다.
도 6의 제1 및 제2 그래프(60, 62)를 참조하면, 스택에 대한 인가전압이 0.5V가 될 때까지의 과정은 도 5와 동일하다. 그러나 스택에 대한 인가되는 정전압을 0.4V로 조정한 후에는 설정된 전류값(Io), 곧 컷-오프 전류값은 50mA에서 10mA로 조정된다. 이렇게 해서 보다 많은 양의 잔류산소가 스택으로부터 제거되고, 정전압 부하가 제거되었을 때, 스택의 전압 상승은 0.1V이하여서 스택의 OCV는 0.5V이하로 유지됨을 알 수 있다.
도 5 및 도 6으로부터 본 발명의 방법은 질소퍼지 방식에 비해 잔류산소 제거 시간을 줄일 수 있고, 보다 많은 잔류산소를 제거할 수 있으며, OCV 상승을 방지할 수도 있음을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 4를 참조하여 설명한 잔류산소 제거방법을 적용하여 스택으로부터 잔류 산소를 제거하였을 때, 상기 스택의 전압-전류 변화를 보여준다.
도 7은 스택에 대한 설정전압(Vo1), 곧 컷 오프 전압을 0.4V로하고, 스택의전압이 설정전압(Vo1)이 될 때까지 스택으로부터 외부 부하에 500mA의 정전류를 인가하여 스택내 잔류산소를 제거하였을 때, 스택의 전압 변화를 보여준다. 도 7에서 제2 그래프(72)는 상기 외부 부하에 인가하는 정전류를 나타낸다.
도 7의 제1 그래프(70)를 참조하면, 스택의 전압이 설정전압(Vol)에 도달되는 시간이 질소퍼지 방법에 비해 매우 짧은 것을 알 수 있다. 그리고 정전류 인가를 중지한 후, 스택의 전압이 0.6V를 넘는다. 이와 같은 경우, 스택의 전압이 설정전압(Vol)에 도달된 후, 도 2 또는 도 3의 정전압 인가방식에 따라 잔류산소를 제거하면, 셀 퍼지 시간, 곧 잔류 산소 제거시간을 줄일 수 있고, 부 반응(side reaction)에 의한 셀 손상도 방지할 수 있다.
도 8은 외부 부하에 도 7의 경우보다 작은 50mA의 정전류를 인가하는 것을 제외하고, 나머지 조건은 도 7의 경우와 동일하게 하여 스택내 잔류산소를 제거하였을 때, 스택의 전압 변화를 나타낸다. 도 8에서 제2 그래프(82)는 상기 외부 부하에 인가하는 정전류를 나타낸다.
도 8의 제1 그래프(80)를 참조하면, 스택의 전압이 설정전압(Vo1)인 0.4V에 도달되는 시간이 질소퍼지 방법에 비해 짧고, 정전류 인가를 중지한 후, 스택의 전압은 0.6V를 넘지 않는 것을 알 수 있다. 도 8의 경우에도 스택의 전압이 설정전압(Vol)에 도달된 후, 도 2 또는 도 3의 정전압 인가방식에 따라 잔류산소를 제거하면, 잔류산소 제거시간을 줄일 수 있고, 부 반응에 의한 셀 손상도 방지할 수 있다.
도 7 및 도 8의 설명에서 정전류는 ON/OFF 방식의 맥동전류일 수 있다. 맥동전류를 사용하면 한계전류밀도 영역에 도달되지 않는 범위 내에서 반응을 진행할 수 있고, 그 결과 부 반응에 의한 셀 열화를 방지할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 예시한 메모리 소자의 범위를 한정하려는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 정전압 인가 방식으로 잔류산소 제거과정이 완료된 후, OCV에 해당하는 정전압을 인가하여 도 2 또는 도 3의 잔류산소 제거 방법을 추가로 실시할 수도 있을 것이다. 또한, 상술한 정전압 인가방식과 정전류 인가방식의 조합에서 도출될 수 있는 잔류산소 제거방법들 중, 상술하지 않은 방법을 이용하여 잔류산소를 제거할 수도 있을 것이다. 또한, 공기극 내압을 2atm 이상으로 유지할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 일 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 의한 연료전지의 잔류산소 제거방법들 나타낸 순서도들이다.
도 5는 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 잔류산소 제거방법을 적용한 경우, 시간에 따른 진행 경과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 2에 도시한 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 잔류산소 제거방법을 적용한 경우, 시간에 따른 진행경과를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 도 3에 도시한 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 잔류산소 제거방법을 적용한 것이되, 부하에 대한 인가 전류값을 각각 다르게 적용한 경우로써, 시간에 따른 진행경과를 나타낸 그래프들이다.

Claims (21)

  1. 연료전지의 스택의 잔류산소 제거방법에 있어서,
    상기 스택의 공기극 압력을 상기 공기극 외부보다 크게 하고 상기 공기극의 기밀을 유지하는 단계;
    상기 스택내 잔류산소를 제거하는 단계; 및
    상기 스택에 연료공급을 중지하는 단계를 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택의 공기극 압력을 상기 공기극 외부보다 크게 하고, 상기 기밀을 유지하는 단계는,
    상기 공기극으로부터 공기 유출을 차단하는 단계;
    상기 공기극의 압력을 상기 공기극 외부 압력보다 큰 설정압력과 비교하는 단계; 및
    상기 공기극의 압력이 상기 설정압력과 같거나 커질 때까지만 상기 공기극에 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기 유출을 차단하는 단계는 공기극 입구 밸브를 차단하는 단계를 더 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기극의 압력이 상기 설정압력과 같거나 클 때, 공기극 입구 밸브를 차단하는 단계; 및
    상기 스택에 대한 공기 공급을 차단하는 단계를 실시하는 연료전지의 잔류산소 제거 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정압력을 대기압보다 크게 유지하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택내 잔류산소를 제거하는 단계는,
    상기 스택에 전압을 인가하는 단계;
    상기 전압이 인가된 상기 스택의 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류값을 설정전류값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 전류값이 상기 설정전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 측정된 전류값이 상기 설정전류값과 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 실시한 다음,
    상기 스택에 인가된 전압을 설정전압과 비교하는 단계; 및
    상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작아질 때까지 상기 스택에 인가되는 전압을 조정하는 단계를 더 실시하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 스택에 대한 전압인가를 중지하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 스택에 인가되는 전압을 조정하는 단계에서 조정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때,
    상기 설정 전류값을 조정하는 단계;
    상기 측정된 전류값과 상기 조정된 설정 전류값(이하, 제2 설정 전류값)을 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 전류값이 상기 제2 설정 전류값과 같거나 작을 때, 상기 스택에 대한 전압인가를 중지하는 단계를 더 실시하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 설정 전류값은 조정전의 상기 설정 전류값보다 작은 연료전지의 잔류산소 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 조정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 스택에 상기 조정된 전압의 인가 시간을 다른 전압을 인가할 때보다 길게 하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택에 연료공급을 중지하는 단계는,
    연료극 입출구의 밸브를 차단하는 단계를 더 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 잔류산소 제거 개시 전, 상기 스택의 공기극 압력은 상기 잔류산소 제거 단계가 완료된 후, 상기 스택의 공기극 압력이 상압 이상이 되는 압력으로 유지하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 잔류산소 제거 개시 전, 상기 스택의 공기극 압력은 1.27atm-2atm로 유지되는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택내 잔류산소를 제거하는 단계는,
    상기 스택을 부하에 연결하여 상기 부하에 전류를 인가하는 단계;
    상기 스택의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 전압과 설정 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작을 때, 상기 부하에 대한 전류인가를 중지하는 단계를 더 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 부하에 대한 전류인가를 중지한 다음,
    상기 스택의 전압을 다시 측정하는 단계;
    다시 측정된 상기 스택의 전압(이하, 2차 측정전압)과 상기 설정전압을 비교하는 단계; 및
    상기 2차 측정전압이 상기 설정전압보다 클 때, 상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거하는 단계를 더 실시하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전류는 맥동전류인 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  18. 제 6 항에 있어서,
    상기 전압은 DC-DC 컨버터를 이용하여 인가하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거하는 단계는,
    상기 스택에 전압을 인가하는 단계;
    상기 전압 인가에 따른 상기 스택의 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류값을 설정 전류값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 전류값이 상기 설정 전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 포함하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 측정된 전류값이 상기 설정 전류값과 같거나 작을 때까지만 상기 전압을 인가하는 단계를 실시한 다음,
    상기 스택에 인가된 전압을 상기 설정전압과 비교하는 단계; 및
    상기 스택에 인가된 전압이 상기 설정전압과 같거나 작아질 때까지 상기 스 택에 인가되는 전압을 조정하는 단계를 더 실시하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 측정된 전압이 상기 설정전압에 도달되기 전에 상기 부하에 대한 전류인가를 중지하고, 상기 스택에 전압을 인가하는 방식으로 잔류 산소를 제거하는 연료전지의 잔류산소 제거방법.
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