KR20110108569A - 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법 - Google Patents

고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110108569A
KR20110108569A KR1020100027835A KR20100027835A KR20110108569A KR 20110108569 A KR20110108569 A KR 20110108569A KR 1020100027835 A KR1020100027835 A KR 1020100027835A KR 20100027835 A KR20100027835 A KR 20100027835A KR 20110108569 A KR20110108569 A KR 20110108569A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
polymer electrolyte
electrolyte fuel
electrode assembly
membrane electrode
Prior art date
Application number
KR1020100027835A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101191052B1 (ko
Inventor
박구곤
김민진
손영준
최영우
박석희
임성대
양태현
윤영기
이원용
김창수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020100027835A priority Critical patent/KR101191052B1/ko
Publication of KR20110108569A publication Critical patent/KR20110108569A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101191052B1 publication Critical patent/KR101191052B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극 접합체의 양면에 기체확산층이 적층된 적층체를 열간압착하며, 수증기를 공급하여 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 상기 적층체를 사이에 두고 서로 대향되는 내측면에 수증기를 공급하는 유로가 형성되되, 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체를 포함하는 두 개의 압착판을 이용하여 상기 적층체를 열간압착하며,
상기 두 개의 압착판의 유로와 각각 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부를 이용하여 상기 적층체에 수증기를 공급하는 수증기 공급 단계;를 포함하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 제공한다.

Description

고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법{METHOD FOR PRE-ACTIVATING POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL(PEFC)}
본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극 접합체의 양면에 기체확산층이 적층된 적층체를 열간압착하며, 수증기를 공급하여 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하여 최종 스택의 완성시 필요한 활성화 시간을 단축하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올, 천연가스, 액화석유가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기 중에 있는 산소의 전기화학적 반응에 의해서 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 차세대 청정 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지 등으로 구분될 수 있으며, 기본적으로 같은 원리에 의해 작동된다.
상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell(PEFC) or Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC))는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 1을 참고하여 이와 같은 고분자 전해질 연료전지의 주요 구성을 살펴보면, 상기 고분자 전해질 연료전지는 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(100)가 위치하는데, 상기 막전극 접합체(100)는 수소이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질 막(10) 및 상기 고분자 전해질 막(10) 양면에 산소와 수소가 반응할 수 있도록 도포된 전극촉매층, 즉 캐소드(Cathode)(20b) 및 애노드(Anode)(20a)로 구성되어 있다. 또한 상기 막전극 접합체(100)의 양측면, 즉 캐소드(20b) 및 애노드(20a)가 위치한 양측면에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(30a, 30b)이 위치하고, 기체확산층(30a, 30b)의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(40a, 40b)이 위치한다.
이러한 고분자 전해질 연료전지의 애노드(20a)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온과 전자가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 고분자 전해질 막(10)과 외부 도선을 통하여 캐소드(20b)로 이동하게 된다. 이와 동시에, 캐소드(20b)에서는 애노드(20a)로부터의 수소이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성하고, 이때 외부 도선을 따라서는 전자의 흐름에 의해, 고분자 전해질 막(10)을 통해서는 수소이온의 흐름을 통해 전기에너지가 생성된다.
이때, 수소와 산소가 새는 것을 막기 위해 가스켓(50)을 구비한다.
한편, 수소와 접촉되는 연료극은 애노드(20a) 및 상기 애노드(20a) 측면의 기체확산층(30a)을 포함하여 구성되고, 산소 또는 공기와 접촉되는 공기극은 캐소드(20b) 및 상기 캐소드(20b) 측면의 기체확산층(30b)을 포함하여 구성된다.
실제 자동차용 고분자 전해질 연료전지에서는 위에서 언급한 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 연료전지 단위체를 필요한 전위만큼 적층하여야 한다. 이렇게 적층하는 것을 스택(Stack)이라 하며, 그 스택 모형도는 첨부한 도 2에 도시된 바와 같다.
도 2는 통상적인 고분자 전해질 연료전지 스택(1000)을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2를 참고하여 그 주요 구성을 살펴보면, 고분자 전해질 연료전지 스택(1000)은 막전극 접합체(100), 기체확산층(30a, 30b) 및 분리판(40a, 40b)을 포함하여 구비하는 하나 이상의 연료전지 단위체와 이들 연료전지 단위체의 최외각에 위치하는 엔드 플레이트(70)를 포함하여 구성된다.
상기 스택(1000)은 다수의 분리판(40a, 40b)이 막전극 접합체(100) 및 기체확산층(30a, 30b)을 사이에 두고 적층 부착되는 하나 이상의 연료전지 단위체와 이들 연료전지 단위체의 최외각 분리판의 양측면에 밀착 고정되는 엔드 플레이트(70)를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 엔드플레이트(70)에는 (+) 또는 (-)의 하나의 단자가 형성되어 있다.
그런데 상기 고분자 전해질 연료전지의 연료극 및 공기극은 나피온과 같은 수소이온 전달체와 백금과 같은 촉매를 혼합하여 제조하는데, 고분자 전해질 연료전지 제작 후 초기 운전하여 전기화학 반응시 그 활성도가 떨어진다.
그 이유로는 첫째 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없기 때문이고, 둘째 촉매와 같이 삼상계면을 이루고 있는 나피온과 같은 수소이온 전달체가 운전 초기 쉽게 가수화가 되지 않기 때문이고, 셋째 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않았기 때문이며, 넷째 전극 제조시 불순물 함유에 의해 촉매의 활성이 감소되기 때문이다.
이 때문에 막전극 접합체 및 분리판을 이용하여 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결한 후 고분자 전해질 연료전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화(Activation)라는 절차가 필요하다.
이러한 활성화의 목적은 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화 하고, 고분자 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온의 이동도가 증가되도록 하는 것이다.
고분자 전해질 연료전지 스택 체결 후 상기 스택의 성능을 최대한 확보하기 위해 실시하는 활성화는 운전 조건에 따라 수시간 또는 수일이 걸릴 수 있고, 적절치 못한 활성화로 인해 연료전지가 최고의 성능에 도달하지 못한 채 운전될 수도 있다.
이러한 부적절한 활성화 절차는 고분자 전해질 연료전지 대량 생산시 생산 속도를 감소시키고, 많은 양의 수소 사용을 초래하여 스택 단가를 상승시키고, 낮은 스택 성능을 유지하게 되는 원인이 된다.
고분자 전해질 연료전지의 활성화는 보통 정전압, 정전류 순환(Cycle) 등의 부하변동을 통해서 진행되고, 각 막전극 접합체 제조사 및 스택 제조사별 특징적인 활성화 절차에 의해서 진행한다.
보통 활성화는 고분자 전해질 연료전지 스택의 활성화 조건에 따라 수시간에 걸쳐 진행하게 되는데, 이는 고분자 전해질 연료전지 차량을 양산하는데 많은 제약조건으로 작용하고, 스택을 생산하는 컨베이어 라인에서 활성화 절차까지 수시간을 멈춰있으면 시간당 생산할 수 있는 스택의 수는 한정된다.
또한, 수십장 내지 수백장의 연료전지 단위체들로 구성되는 상기 스택을 활성화 하기 위해서는 상당한 시간, 수소, 공기, 장비 및 노동력이 필요하다.
특히 상기 스택을 체결한 후 시간상 얼마 지나지 않은 스택의 경우 상기 스택을 연료전지 시스템에 정착한 상태에서 활성화를 진행할 경우, 충분한 가습조건 및 전기적 부하를 공급하기가 어려워서 활성화에 보다 많은 시간 및 에너지가 소요될 수 있다.
스택 생산성의 향상을 위해서는 활성화 시간을 줄이거나, 활성화 장치를 대량으로 설치하여 여러 개의 스택을 동시에 활성화 하면 되지만, 후자는 많은 시설투자가 필요하고, 비용이 높아진다는 문제점이 있다.
한편, 스택을 체결한 후 막전극 접합체 자체의 물리적 손상에 의한 누설현상 발견 시, 불량으로 검출되는 연료전지 단위체는 상기 스택을 분해하여 막전극 접합체 교체 후 정상적인 연료전지 단위체를 다시 적층하여 조립하는 것은 간단한 일이 아니다.
본 발명의 목적은 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 제공하여, 최종 조립된 고분자 전해질 연료전지 스택의 활성화에 필요한 시간, 에너지 및 스택 제조라인에서의 스택 생산 시간을 단축하고자 하는 것이다.
또한 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 연료극측 및 공기극측의 진공도 변화를 통해, 막전극 접합체 자체의 물리적 손상여부를 확인하여 스택 체결 전에 막전극 접합체의 누설현상에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 미리 검출하고자 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극 접합체의 양면에 기체확산층이 적층된 적층체를 열간압착하며, 수증기를 공급하여 막전극접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 제공한다.
상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 적층체를 사이에 두고 서로 대향되는 내측면에 수증기를 공급하는 유로가 형성되되, 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체를 포함하는 두 개의 압착판을 이용하여 상기 적층체를 열간압착하며, 상기 두 개의 압착판의 유로와 각각 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부를 이용하여 상기 적층체에 수증기를 공급하는 수증기 공급 단계;를 포함한다.
상기 수증기 공급 단계는 상기 적층체에 원활한 수증기 공급을 위해 수증기 또는 가압된 수증기를 공급하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 수증기 공급 단계 전 또는 후, 상기 유로와 연결되는 진공펌프 및 상기 두 개의 압착판에 구비되어 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측을 각각 밀폐하는 실링(sealing)부를 이용하여 상기 적층체를 진공상태로 조절하는 진공 단계;를 더 포함한다.
상기 열간압착의 온도는 70 내지 150℃이고, 상기 열간압착의 압력은 막전극 접합체 활성면적 기준으로 10 내지 200기압이며, 상기 열간압착의 시간은 1 내지 20분인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 수증기 공급 단계 전에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 1 단위공정으로, 상기 수증기 공급 단계 후에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 2 단위공정으로, 상기 1 단위공정 또는 상기 2 단위공정이 한회 이상 반복 수행된다.
상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 반복 수행 후, 상기 적층체를 진공상태로 조절하여 막전극 접합체 내부에 존재하는 과량의 수분을 제거하는 수분 제거 단계;를 더 포함한다.
또한, 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 반복 수행 중, 또는 상기 반복 수행이 완료된 후, 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측의 진공도를 다르게 설정하는 진공도 설정 단계; 상기 연료극측 및 공기극측의 진공도 변화를 확인하는 진공도 확인 단계; 막전극 접합체 자체 누설현상에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 검출하는 불량 막전극 접합체 검출 단계;를 더 포함한다.
이때, 상기 사전활성화는 고분자 연료전지 스택을 체결하기 전 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화 하는 단계에서 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물을 제거하고, 상기 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시키는 사전활성화 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 사전활성화 된 다수개의 막전극 접합체와 기체확산층의 일체물을 적층하여 스택을 체결하는 단계;를 포함하는 고분자 연료전지 스택 제조방법을 제공한다.
이에 따라 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결하기 전 단계에서 본 발명에 의한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하여, 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물을 제거하고, 상기 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시킨다.
또한, 이렇게 사전활성화 된 막전극 접합체와 기체확산층의 일체물로 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결하여 스택의 활성화에 필요한 시간의 단축 및 에너지의 절감 효과가 있다.
도 1은 고분자 전해질 연료전지의 원리를 설명하기 위한 기본 구성도.
도 2는 종래기술에 따른 고분자 전해질 연료전지 스택의 모형도를 나타내는 평면도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 일례를 나타내는 흐름도.
도 4는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 다른 일례를 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 또 다른 일례를 나타내는 흐름도.
도 6은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치의 일례를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 수증기를 공급하는 유로의 일례를 나타내는 평면도.
도 8은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치의 압착판의 일례를 나타내는 블록도.
도 9는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 열간압착과 동시에 진공상태로 조절 시 두 개의 압착판 및 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 적층된 적층체의 단면.
도 10은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서의 수증기 흐름도.
도 11은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 진공상태 조절에 의한 기체 흐름도.
도 12는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 시간에 따른 막전극 접합체와 기체확산층의 일체물의 저항 그래프.
도 13은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 따라 진행된 사전활성화 효과에 대한 결과를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 따라 진행된 사전활성화 효과에 대한 다른 결과를 나타내는 그래프.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 대해 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 일례를 나타내는 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 다른 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 5는 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 또 다른 일례를 나타내는 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치의 일례를 나타내는 구성도이다. 도 7은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 수증기를 공급하는 유로의 일례를 나타내는 평면도이고, 도 8은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치의 압착판의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 9는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 열간압착과 동시에 진공상태로 조절 시 두 개의 압착판 및 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 적층된 적층체의 단면이고, 도 10은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서의 수증기 흐름도이다. 도 11은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 위한 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치에서 진공상태 조절에 의한 기체 흐름도이고, 도 12는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 시간에 따른 막전극 접합체와 기체확산층의 일체물의 저항 그래프이다. 도 13은 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 따라 진행된 사전활성화 효과에 대한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 14는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 따라 진행된 사전활성화 효과에 대한 다른 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결하기 전 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시키는 사전활성화를 진행하여, 활성화 시간 및 스택 제조라인에서의 스택 생산 시간이 단축되도록 하는 점에 주안점이 있다.
또한, 본 발명은 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극 접합체의 양면에 기체확산층이 적층된 적층체를 열간압착하며, 수증기를 공급하여 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 제공한다.
본 발명을 상세하게 설명함에 있어, 상기 적층체는 두 전극촉매층 즉 캐소드 및 애노드 사이에 구비된 고분자 전해질 막을 포함하는 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 적층되어 구성된다.
상기 막전극 접합체는 상기 고분자 전해질 막의 양면에 캐소드 및 애노드가 접합되어 있고, 상기 적층체는 상기 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 단순 적층되어 있다.
상기 막전극 접합체는 해당분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 과불소화술폰산 계열의 고분자 전해질 막에 전극촉매층을 직접 코팅하거나 데칼(Decal) 방법으로 막전극 접합체를 제조할 수 있다.
상기 기체확산층은 반응기체를 전극촉매층에 전달되도록 하고, 전기화학반응으로 생성된 유체가 다시 이동하여 배출되도록 유체의 확산을 담당하고 있는 부분이며, 전기화학 반응에 의해 발생한 전자를 전달해 주는 기능을 한다.
상기 기체확산층은 통상적으로 사용되는 방법에 의해 탄소종이(carbon paper), 탄소천(carbon cloth), 탄소펠트(carbon felt) 등 기공률을 가진 다공성 재질을 사용하여 별도의 가공 없이 제조될 수 있다.
또한 기체유로가 되는 홈이 형성된 다공질 카본 페이퍼층과 발수성 카본 페이퍼를 적층하여 제조될 수 있다.
상기 적층체를 열간압착하면 종래의 단위체가 형성되는데, 상기 단위체에서 수소와 접촉되는 연료극은 상기 애노드 및 상기 애노드 측면의 기체확산층을 포함하여 구성되고, 산소 또는 공기와 접촉되는 공기극은 상기 캐소드 및 상기 캐소드 측면의 기체확산층을 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명에서는 상기 적층체의 고분자 전해질 막을 중심으로 상기 애노드 및 상기 애노드 측면의 기체확산층을 연료극측으로, 상기 캐소드 및 상기 캐소드 측면의 기체확산층을 공기극측으로 칭하여 설명한다.
본 발명에서 칭하는 연료극측 및 공기극측은 상기 적층체의 막전극 접합체와 기체확산층이 접합되어 일체화 되지 않은 점에서 종래의 단위체의 연료극 및 공기극과 구분되고, 상기 연료극측 및 공기극측의 표현은 본 발명의 사상이 보다 명확하게 전달될 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 활성화 방법은 상기 적층체를 열간압착하며, 상기 적층체에 수증기를 공급하는 수증기 공급 단계를 포함하여 수행된다.
상기 적층체를 열간압착하는 것은 상기 적층체의 막전극 접합체와 상기 막전극 접합체의 양면에 적층된 기체확산층을 접합하여 일체화하기 위한 것이다.
바람직하게, 상기 열간압착의 온도는 70 내지 150℃이고, 상기 열간압착의 압력은 막전극 접합체 활성면적 기준으로 10 내지 200기압인 것을 특징으로 하여 수행된다.
상기 70 내지 150℃의 온도는 상기 막전극 접합체 및 기체확산층이 열간압착 시 접합되어 일체화 되는 온도 범위이다.
또한, 바람직한 상기 열간압착의 압력은 막전극 접합체 활성면적을 기준으로 10 내지 200기압으로 한정된다.
상기 압력인가의 범위가 10 내지 200기압으로 한정되는 것은 막전극 접합체 및 기체확산층의 다양한 종류에 따라 상기 적층체를 접합하여 일체화 하는 데 있어 필요한 압력의 값이 달라질 수 있기 때문이다.
또한, 초소형 고분자 전해질 연료전지부터 자동차용 고분자 전해질 연료전지에 이르기까지 상기 고분자 전해질 연료전지의 크기 및 사용이 다양한 만큼 상기 막전극 접합체 활성면적도 0을 초과하는 500 ㎠ 이내에서 다양하다.
상기 수증기 공급 단계는 상기 적층체의 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시키기 위해 수행된다.
상기 수증기 공급 단계는 상기 적층체에 수증기를 공급하기 위한 수증기 공급부를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 수증기 공급 단계는 상기 적층체에 원활한 수증기 공급을 위해 수증기 또는 가압된 수증기를 공급하는 단계인 것을 특징으로 하며, 대기압 내지 6기압 이내의 압력으로 가압된 수증기를 공급하는 것이 바람직하다.
상기 수증기 공급 단계에서 상기 대기압 이상의 압력으로 가압된 수증기를 공급하는 것은 상기 고분자 전해질 막 및 전해질에 수증기가 잘 침투하도록 하기 위한 조건이고, 상기 6기압 이내의 압력으로 가압된 수증기를 공급하는 것은 상기 고분자 전해질 막 및 전해질이 공급되는 수증기로 인해 발생할 수 있는 순간적인 양 극 사이의 압력차이로 인하여 파괴되거나 손상되지 않도록 하는 범위 내의 조건을 의미한다.
상기 열간압착 중 수증기 공급시 막전극 접합체가 건조 조건에 노출되지 않기 위해서는, 각 온도 조건에서 상대습도가 100% 이상의 되도록 하는 압력조건으로 가압된 수증기를 상기 적층체에 공급하는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 수증기 공급 단계 전 또는 후, 상기 적층체를 진공상태로 조절하는 진공 단계;를 더 포함하여 수행된다.
상세하게, 도 3a 및 3b를 참고하면, 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 수증기 공급 단계 전에 상기 진공 단계를 수행하거나, 상기 수증기 공급 단계 후에 상기 진공 단계를 수행한다.
상기 진공 단계는 상기 적층체가 진공상태에 노출되도록 하여, 상기 적층체 내의 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물을 제거하기 위해 수행된다.
또한, 상기 진공 단계는 상기 적층체가 놓이는 공간을 밀폐하여 수행하는 것이 바람직하고, 상기 진공상태로 조절하기 위한 진공펌프가 구비되는 것이 더 바람직하다.
이때, 상기 진공 단계에서 상기 적층체를 진공상태로 조절한다는 것은 밀폐된 공간 내에 놓이는 상기 적층체가 진공상태에 노출되도록 상기 밀폐된 공간의 압력을 조절하는 것을 의미한다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 수증기 공급 단계 전에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 1 단위공정으로, 상기 수증기 공급 단계 후에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 2 단위공정으로, 상기 1 단위공정 또는 상기 2 단위공정이 한회 이상, 바람직하게 2회 내지 5회 반복 수행된다.
또한, 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 1 단위공정 또는 상기 2 단위공정의 반복 수행 후, 상기 적층체를 진공상태로 조절하여 막전극 접합체 내부에 존재하는 과량의 수분을 제거하는 수분 제거 단계를 더 포함하여 수행되는 특징이 있다.
상기 수분 제거 단계는 상기 수증기 공급 단계에서 공급되어 막전극 접합체 내부에 존재하는 과량의 수분을 제거하여, 수분량을 제어하는 단계이다.
상기 고분자 전해질 막의 경우 수분 함유량에 따라 물리적 크기변화가 일어나는 특성이 있으므로, 상기 활성화 공정이 수행되는 작업공간 및 막전극 접합체의 수분 조건을 제어하여, 실제 고분자 전해질 연료전지의 사용환경과 유사한 수분 조건을 맞추어 줄 필요가 있다.
이때, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 연료극측 및 공기극측을 같은 진공상태 혹은 다른 진공상태로 조절하여 상기 적층체 내의 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물 및 막전극 접합체 내부에 존재하는 과량의 수분을 제거하는 효과가 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 반복 수행 중, 또는 상기 반복 수행이 완료된 후, 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측의 진공도를 다르게 설정하는 진공도 설정 단계; 상기 연료극측 및 공기극측의 진공도 변화를 확인하는 진공도 확인 단계; 막전극 접합체 자체 누설현상에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 검출하는 불량 막전극 접합체 검출 단계;를 더 포함하여 수행되는 특징이 있다.
이때, 상기 진공도 설정 단계, 진공도 확인 단계 및 불량 막전극 접합체 검출 단계는 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측을 각각 밀폐하는 실링부에 의해 밀폐되는 영역인 실링영역에 있는 상기 적층체가 진공상태에 노출되도록 상기 실링영역의 압력을 조절하여 수행된다.
실례로, 연료극측 및 공기극측의 진공도가 각각 0.1 bar 및 0.05 bar로 다르게 설정될 때, 상기 진공도 설정 단계에서는 상기 실링영역 내에 있는 상기 적층체의 고분자 전해질 막을 중심으로 연료극측 및 공기극측의 진공도는 설정된 압력인 0.1 bar 및 0.05 bar로 각각 유지된다.
상기 진공도 확인 단계에서, 진공도 변화는 연료극측 및 공기극측 각각의 실링부와 연결되어 압력 측정 및 표기가 가능한 압력계를 통해 확인 가능하며, 상기 압력계는 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.
또한 상기 진공도 확인 단계에서, 연료극측의 진공도는 변화가 없으나 공기극측의 진공도의 변화가 상승하여 0.07 bar로 관찰될 시 막전극 접합체의 고분자 전해질 막은 정상이나 공기극측 외부에 누설이 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 진공도 확인 단계에서, 공기극측의 진공도는 변화가 없으나 연료극측의 진공도의 변화가 상승하여 0.12 bar로 관찰될 시 막전극 접합체의 고분자 전해질 막은 정상이나 연료극측 외부에 누설이 있음을 알 수 있다.
또한, 상기 진공도 확인 단계에서 연료극측의 진공도는 감소하여 0.75 bar를 나타낼 때, 공기극측의 진공도는 증가하여 0.75 bar를 나타낸다면, 연료극측 및 공기극측 외부의 누설은 없지만, 막전극 접합체의 고분자 전해질 막에 손상이 있어서 누설 현상이 있음을 확인할 수 있게 된다.
이렇게 연료극측 및 공기극측의 진공도 변화를 확인하여 막전극 접합체 자체 누설현상에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 검출하는 불량 막전극 접합체 검출 단계를 수행하여, 종래의 활성화 과정에서 불량인 것으로 분류되는 단위체의 검출 시 스택 전체를 분해하는 노력 및 에너지 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법에 있어서, 상기 1 단위공정 또는 상기 2 단위공정의 반복 수행 중, 상기 진공도 설정 단계, 진공도 확인 단계 및 불량 막전극 접합체 검출 단계를 수행한 후, 상기 수분 제거 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 진공도 설정 단계, 진공도 확인 단계 및 불량 막전극 접합체 검출 단계를 수행하는 것은 막전극 접합체 자체 누설에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 검출하기 위한 수행인 동시에, 설정하는 진공값의 설정에 따라 상기 진공 단계를 대신할 수 있는 수행이다.
더 상세하게, 상기 수증기 공급 단계 전에 상기 진공 단계를 수행하여 상기 1 단위공정의 반복 수행 중, 상기 진공 단계의 수행 대신 상기 진공도 설정 단계, 진공도 확인 단계 및 불량 막전극 접합체 검출 단계를 수행한 후, 상기 수증기 공급 단계를 수행하고, 마지막으로 상기 수분 제거 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 사전활성화는 고분자 연료전지 스택을 체결하기 전 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화 하는 단계에서 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물을 제거하고, 상기 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시키는 사전활성화 인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 상기 막전극 접합체 및 기체확산층을 접합하기 위해 적층체를 열간압착하면서, 수증기를 상기 적층체에 공급하여 상기 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 특징이 있다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 적층체를 사이에 두고 서로 대향되는 내측면에 수증기를 공급하는 유로가 형성되되, 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체를 포함하고, 상기 적층체를 열간압착하는 두 개의 압착판; 상기 두 개의 압착판과 연결되어 두 개의 압착판 중 한 개의 압착판에 압력을 인가하는 가압부; 상기 저항체와 각각 연결되어 상기 두 개의 압착판의 온도를 조절하는 온도조절부; 및 상기 두 개의 압착판의 유로와 각각 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부;를 포함하여 구성되는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치를 통해 수행되는 것이 바람직하다.
도 6을 참고하면, 상기 두 개의 압착판(310a, 301b)은 유로(150)가 형성되어 있고, 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체(390a, 390b)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 내측면(P1, P2)는 상기 제 1판(301a)과 제 2판(301b) 사이에 상기 적층체를 두고 서로 대향하는 상기 제 1판(301a) 및 제 2판(301b) 각각의 일 면을 의미한다.
또한, 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치의 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 내부에 각각 형성되는 유로(150)에는 수증기를 배출하는 하나 이상의 수증기 배출구(211) 이외 제 1배출구(222a, 222b) 및 수증기 유입구가 더 형성된다.
이때, 상기 수증기 유입구는 상기 두 개의 압연판(301a, 301b) 각각의 유로(150)에 형성되고, 상기 유로(150)는 상기 수증기 공급부(330)와 연결된다.
상기 수증기 배출구(211)는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)이 적층체와 각각 맞닿게 되는 면인 내측면(P1, P2)에 하나 이상 형성되어 있고, 상기 수증기 배출구(211)는 다수의 수증기 배출구(211)가 모두 균일한 직경과 간격으로 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)에 형성될 수 있다.
이때, 상기 수증기 배출구(211)는 두 개의 압착판의(301a, 301b)의 유로(150)를 통과하여 상기 내측면(P1, P2)으로 수증기가 배출되도록 형성된 것이며, 후술하게 되는 실링부(380)에 의해 밀폐된 영역에 존재하는 기체가 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 유로(150)를 통해 제거되도록 형성된 것이다.
도 7을 참고하면, 상기 유로(150)는 상기 두 개의 압착판(301a, 310b) 각각의 내부에 구비되고, 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 수증기 유입구 또는 제 1배출구(222a, 222b)에서 상기 두 개의 압착판(301a, 310b)의 일 면까지 좌우로 반복하여 꺾이면서 연결되는 서펜틴(serpentine) 형상일 수 있으며, 이러한 서펜틴 형상의 유로(150)는 하나의 유로(150)에 의해 형성되어 수증기가 고른 영역에 공급되도록 한다.
상기 두 개의 압착판(301a, 301b)에 형성된 각각의 유로(150)는 상기 적층체에 수증기를 공급하기 위해 형성되는 통로임과 동시에 후술하게 되는 실링부(380)에 의해 실링되는 밀폐영역의 진공을 제어하기 위한 통로이다.
상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치는 상기 유로(150)와 연결되는 진공펌프(370) 및 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)에 구비되어 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측을 각각 밀폐하는 실링(sealing)부(380)를 더 포함하여 구성된다.
도 8을 참고하면, 상기 실링부(380)는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 상기 내측면(P1, P2)에 사각판 모양의 4개의 실링재가 서로 양 모서리를 맞닿아 연결되어, 사각기둥을 형성하며 공간을 형성하고 있다.
상기 실링부(380)는 상기 실링부(380)에 의해 밀폐되는 영역인 실링영역 내에 있는 막전극 접합체의 양측면에 기체확산층이 적층된 적층체를 진공상태로 조절하기 위해 구비된다.
이때, 상기 실링부(380)를 이루는 재료는 탄성이 있는 고분자 타입 및 합성고무를 주성분으로 제조된 건성 타입의 실링재가 사용될 수 있고, 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.
또한, 상기 제 1배출구(222a, 222b)는 진공밸브(340e, 340f)가 구비된 진공관(365)에 의해 진공펌프(370)와 연결되고, 상기 진공관(365)에는 통풍(vent)을 위한 통풍관 및 통풍구가 구비될 수 있으며, 상기 통풍관에는 통풍밸브(340c, 340d)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 통풍관은 대기와 연결되어 있어, 상기 통풍관의 통풍밸브(340c, 340d)을 조절하여 진공상태를 해제할 수 있다.
한편, 상기 실링부(380)가 형성하는 공간 내에 다수의 수증기 배출구(211)가 균일한 직경과 간격으로 배열될 수 있다.
상기 적층체의 열간압연은 상술한 저항체 및 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)과 연결된 가압부(310)를 이용하여 수행되며, 상기 가압부(310)는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b) 중 한 개의 판과 연결되어 연결된 한 개의 판에 압력을 인가한다.
이때, 상기 가압부(310)는 해당분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않으며, 구체적으로 실린더 안의 피스톤을 유압으로 이동시키고, 피스톤에 고정된 연접봉으로 힘을 전달하는 유압실린더가 이용될 수 있다.
또한, 상기 적층체의 열간압연은 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)과 연결되어 구성되는 온도조절부(320)를 이용하여 수행되고, 상기 온도조절부(320)는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)이 포함하는 전기적 신호에 의해 발열하는 각각의 저항체(390a, 390b)와 연결되어 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 온도를 조절한다.
상기 온도조절부(320)에는 압착 온도 설정 시 상기 저항체(390a, 390b)에 소정의 전기적 신호가 인가됨에 따라 발생된 줄 열에 의한 온도를 측정하여 표기하는 온도센서가 포함될 수 있고, 상기 온도센서는 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.
상기 수증기 공급 단계는 수증기 공급부(330)를 이용하여 수행되고, 상기 수증기 공급부(330)는 수증기를 생성하는 수증기 생성부(331)와 상기 수증기 생성부(331)와 상기 두 개의 압착판(301a, 310b)의 유로(150)를 각각 연결하는 연결관(332a, 332b)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 수증기 생성부(331)에서 생성된 수증기는 상기 연결관(332a, 332b)을 통해 상기 두 개의 압착판(301a, 310b)의 유로(150)에 공급되고, 상기 유로(150)에 공급된 수증기가 적층체에 공급된다.
이때, 상기 압력을 조절하는 밸브(340a, 340b)는 상기 연결관(332a, 332b)의 임의의 위치에 구비되어 공급되는 수증기의 압력을 조절한다.
이때, 공급되는 수증기의 압력을 조절하기 위해, 상기 압력을 조절하는 밸브(340a, 340b)가 상기 연결관(332a, 332b)의 임의의 위치에 구비된다.
상기 밸브(340a, 340b)는 상기 두 개의 압착판(301a, 310b) 각각의 유로(150)의 수증기 유입구가 접하여 있는 상기 연결관(332a, 332b)의 위치에 구비되는 것이 상기 유로(150)에 공급되는 수증기를 조절하는 데 있어서 더 바람직하다.
상기 진공 단계는 상기 제 1배출구(222a, 222b)를 통해 유로(150)와 연결되는 진공펌프(370)를 이용하여 수행된다.
도 9를 참고하면, 두 개의 압착판(301a, 301b) 각각의 실링부(380a, 380b)는 서로 정확히 대응되도록 맞닿아 밀폐된 공간을 형성하고, 상기 적층체는 상기 실링부(380)의 밀폐된 진공상태의 공간 내에 놓여지게 된다.
더 상세하게, 상기 적층체는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 상기 내측면(P1, P2)에 구비되어 상기 적층체의 막전극 접합체(100) 및 기체확산층(30a, 30b)이 적층되는 양측면의 공간을 고분자 전해질 막(10)을 중심으로 구분하는 상기 실링부(380)에 의해 밀폐되며, 상기 진공펌프(370)를 이용하여 상기 적층체 내의 막전극 접합체(100) 제조시 함유되는 불순물 및 과량의 수분이 상기 두 개의 압연판(301a, 301b) 각각의 수증기 배출구(211) 및 유로(150)을 통해 상기 제 1배출구(222a, 222b)로 배출되어 제거된다.
이때, 사용되는 진공펌프(370) 및 진공관(365)은 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.
이렇게, 상술한 실링부(380)는 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)에 구비되어 상기 연료극측 및 공기극측을 각각 밀폐하며, 이때, 고분자 전해질 막(10)을 중심으로 연료극측 및 공기극측의 진공도를 다르게 조절 가능하도록 상기 실링부(380) 내에 장입되는 상기 적층체에 가스켓(50)이 구비되거나 고분자 전해질 막(10)의 양 끝이 실링부(380)와 맞닿아 연료극측 및 공기극측이 놓여 있는 공간이 구분되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 상기 가압부(310), 온도조절부(320), 수증기 공급부(330) 및 진공펌프(370)를 제어하는 제어부(350)를 이용하여 수행되며, 이때, 상기 제어부(350)는 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.
상기 적층체의 열간압착 시 상기 제어부(350)를 이용하여 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체(390a, 390b)와 각각 연결되는 온도조절부(320a, 320b)를 제어하여, 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)의 온도를 조절한다.
동시에, 상기 제어부(350)를 이용하여 상기 가압부(310)를 제어하여 상기 가압부(310)가 상기 두 개의 압착판(301a, 301b) 중 한 개의 판에 일정한 압력을 인가하게 되고, 상기 두 개의 압착판(301a, 301b)을 이용하여 상기 적층체를 열간압착한다.
상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치를 이용하여 상기 수증기 공급 단계를 도 10을 참고하여 설명하면, 수증기 생성부(331)에서 물을 증기화 하여 수증기를 생성하고, 상기 수증기 생성부(331)로부터 생성된 수증기가 상기 연결관(332a)을 통해 압착판(301a)의 유로(150a)에 공급되고, 이렇게 공급되는 수증기는 상기 압착판(301a)에 형성되는 수증기 배출구(211a)로 실선의 화살표의 흐름과 같이 배출되어 결국 상기 적층체에 균일하게 공급된다.
이때, 수증기 생성부(331)와 압착판(301a)의 유로(150a)와 연결되는 연결관(332a)에 있는 밸브(340a)는 열려 있는 상태이고, 상기 압착판(301a) 유로(150a)의 제 1배출구(222a)와 연결되는 진공관(365a)에 구비되는 진공밸브(340e)는 닫혀 있는 상태이다.
한편, 상기 다른 압착판(301b)에 수증기가 공급되는 경로는 상기 압착판(301a)에 수증기가 공급되는 경로와 동일하며, 단지 기호표기에는 차이가 있다.
또한, 도 11을 참고하여 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치를 이용하여 상기 진공 단계에서의 기체의 흐름을 설명하면, 진공펌프(370)에 의해 실링부(380a) 내의 기체가 압착판(301a)에 형성되는 하나 이상의 수증기 배출구(211a)를 통해 상기 압착판(301a)의 유로(150a)를 지나 진공펌프(370)로 이동하게 된다.
이때, 수증기 생성부(331)와 상기 압착판(301a)의 유로(150a)와 연결되는 연결관(332a)에 있는 밸브(340a)는 닫혀 있는 상태이고, 상기 압착판(301a) 유로(150a)의 제 1배출구(222a)와 연결되는 진공관(365a)에 구비되는 진공밸브(340e)는 열려 있는 상태이다.
한편, 진공상태 조절에 의한 다른 압착판(301b)에서의 기체의 흐름은 진공상태 조절에 의한 상기 압착판(301a)에서의 기체의 흐름과 동일하며, 단지 기호표기에는 차이가 있다.
위와 같은 구성으로, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결하기 전 단계에서 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치를 이용하여 막전극 접합체(100)의 양면에 기체확산층(30a, 30b)이 적층된 적층체를 열간압착하며, 진공 및 수증기 공급을 반복하여 상기 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 정렬 및 고정화와 동시에 활성화 하여, 막전극 접합체(100) 제조시 함유되는 불순물을 제거하고, 상기 막전극 접합체(100) 내에 포함된 고분자 전해질 막(10) 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시킨다.
이때, 진공 및 수증기 공급을 반복하는 것은 진공 및 수증기 공급이 교번 수행되는 것을 의미하거나 또는, 수증기 공급 및 진공이 교번 수행되는 것을 의미하고, 더 상세하게, 상기 1 단위공정 또는 2 단위공정이 반복 수행되는 것을 의미한다.
또한, 이렇게 활성화 된 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물로 고분자 전해질 연료전지 스택을 체결하여 스택의 활성화에 필요한 시간의 단축 및 에너지의 절감 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 활성화 된 다수개의 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물을 적층하여 스택을 체결하는 단계를 포함하는 고분자 연료전지 스택 제조방법을 제공한다.
상기 스택은 종래에 활성화를 실시하기 전의 스택과 구별되며, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 활성화 된 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물로 체결된 스택이다.
상기 고분자 연료전지 스택은 다수의 유로가 형성된 분리판을 상기 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)을 사이에 두고 적층 부착시키고, 하나 이상의 상기 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물과 이들 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물의 최외각 분리판의 양측면에 엔드플레이트가 밀착 고정되도록 하여, 상기 분리판과 엔드플레이트를 체결수단으로 묶거나 연결하여 제조된다.
이때, 상기 엔드플레이트에는 (+) 또는 (-)의 하나의 단자가 형성되어 있고, 수소와 산소가 새는 것을 막기 위해 가스켓(50)이 사용된다.
이하, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법을 이용하여 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물을 제조함과 동시에 사전활성화 하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 종래의 방법으로 제조된 막전극 접합체(100)의 양면에 종래의 방법으로 제조된 기체확산층(30a, 30b)이 적층된 적층체를 70℃에서 열간압착하며, 90℃의 수증기를 6분 동안 연료극측에 300 sccm 및 공기극측에 1200 sccm 공급한 후, 진공 단계를 수행하고, 가압된 수증기 공급 단계 및 진공 단계를 반복하는 사전활성화를 수행하였다.
이때, 상기 적층체에 수증기를 공급하는 공정만 진행하여도 사전활성화 효과가 있음을 확인하였다.
또한, 연료극측 및 공기극측에 공급되는 수증기의 유량이 다른 이유는 고분자 전해질 연료전지의 연료극과 공기극의 연료 이용률이 다르게 운전되기 때문이다.
도 12를 참고하여, 본 발명의 사전활성화 시간에 따른 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물의 저항변화를 살펴보면, 초기 약 5분 이내의 시간 동안 활성화가 진행될 때, 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의의 저항이 급격히 떨어지고, 그 이후에 상기 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 저항이 감소하는 정도가 낮아진다.
이는 상기 사전활성화가 진행되는 초기에 사전활성화 효과가 크다는 것을 의미하고, 이때, steaming time(수증기 공급 시간)은 사전활성화 시간을 의미하며, 동시에 상기 사전활성화 시간은 상기 열간압착 시간을 의미한다.
상기한 사전활성화 효과를 고려하여, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법의 상기 열간압착의 시간은 바람직하게 1 내지 20분인 것을 특징으로 하며, 상세하게, 상기 열간압착의 시간은 5분 내지 14분인 것이 바람직하다.
더 상세하게, 상기 열간압착의 시간이 5분 이상일 때 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 저항값이 초기 저항값 대비 약 50%로 낮아지고, 상기 열간압착의 시간이 14분 이상일 때 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 저항값이 거의 일정하게 유지하거나 약간 감소하므로, 상기와 같이 열간압착 시간의 범위를 한정할 수 있다.
본 발명의 고분자 전해질 활성화 방법의 효과를 검증하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 활성화 방법에 의한 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)로 체결된 스택의 전류밀도와 기존의 스택의 전류밀도를 특정 전압에서 비교하였다.
상기 스택의 전류밀도는 상기 스택의 체결 후, 0.8V(5분)→0.7V(5분)→0.8V(2분)→0.6V(15분)→0.8V(2분)→0.5V(15분)→0.8V(5분)→0.4V(5분) 순서로 진행되는 과정을 1 사이클로 하여, 상기 1 사이클을 반복하여 얻은 것이다.
이때, 상기 1 사이클의 반복 시, 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 막전극 접합체 활성면적은 50 ㎠이고, 동일한 막전극 접합체(100) 및 기체확산층(30a, 30b)을 사용하였으며, 상기 스택의 온도는 60℃이다.
또한, 상기 1 사이클의 반복 시, 연료 이용률은 연료극이 75%이고, 공기극이 50%이며, 상대습도는 50%이다.
도 13을 참고하여, 0.6V에서 본 발명의 실시예에 따른 사전활성화 방법에 의한 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물로 체결된 스택의 전류밀도와 기존의 스택의 전류밀도를 비교하면, 최종 전류밀도의 95% 수준에 도달하기 위해, 기존의 스택의 경우 약 6.2 사이클, 본 발명의 활성화를 수행한 스택의 경우 약 4.4 사이클이 소요됨을 확인하였다.
도 14를 참고하여, 0.4V에서 본 발명의 실시예에 따른 사전활성화 방법에 의한 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)로 체결된 스택의 전류밀도와 기존의 스택의 전류밀도를 비교하면, 최종 전류밀도의 95% 수준에 도달하기 위해, 기존의 스택의 경우 약 4.4 사이클, 본 발명의 활성화를 수행한 스택의 경우 약 2.1 사이클이 소요됨을 확인하였다.
이와 같이, 특정 전압에서 본 발명의 사전활성화 방법을 수행한 막전극 접합체(100)와 기체확산층(30a, 30b)의 일체물로 체결한 스택의 초기 전류밀도의 값이 클 뿐만 아니라, 소요되는 사이클 수도 약 50% 수준으로 단축되며, 상기 1 사이클 반복에 따라 빠른 전류밀도의 향상을 보임을 확인할 수 있었다.
본 발명의 고분자 전해질 사전활성화 방법은 종래의 활성화 방법과 비교할 때, 스택을 체결하기 전 단계에서 상기 사전활성화를 진행한다는 새로운 방법임과 동시에, 기존의 스택의 활성화에 투입되는 에너지, 시간을 절감한다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 고분자 전해질 연료전지 스택 10 : 고분자 전해질 막
20a : 애노드 20b : 캐소드
30a, 30b : 기체확산층 40a, 40b : 분리판
50 : 가스켓 70 : 엔드 플레이트
100 : 막전극 접합체 150a, 150b(150) : 유로
211a, 211b(211) : 수증기 배출구 222a, 222b : 제 1배출구
301a, 301b : 압착판 310 : 가압부
320 : 온도조절부 330 : 수증기공급부
331 : 수증기 생성부 332a, 332b : 연결관
340a, 340b : 밸브 340c, 340d : 통풍밸브
340e, 340f : 진공밸브 350 : 제어부
365a, 365b(365) : 진공관 370 : 진공펌프
380a, 380b(380) : 실링부 390a, 390b : 저항체
P1, P2 : 내측면

Claims (10)

  1. 고분자 전해질 연료전지 스택의 체결 전 단계에서 막전극 접합체의 양면에 기체확산층이 적층된 적층체를 열간압착하며, 수증기를 공급하여 막전극접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화와 동시에 사전활성화 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은
    상기 적층체를 사이에 두고 서로 대향되는 내측면에 수증기를 공급하는 유로가 형성되되, 전기적 신호에 의해 발열하는 저항체를 포함하는 두 개의 압착판을 이용하여 상기 적층체를 열간압착하며,
    상기 두 개의 압착판의 유로와 각각 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부를 이용하여 상기 적층체에 수증기를 공급하는 수증기 공급 단계;를 포함하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수증기 공급 단계는 상기 적층체에 원활한 수증기 공급을 위해 수증기 또는 가압된 수증기를 공급하는 단계인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법은
    상기 수증기 공급 단계 전 또는 후,
    상기 유로와 연결되는 진공펌프 및 상기 두 개의 압착판에 구비되어 상기 적층체의 연료극측 및 공기극측을 각각 밀폐하는 실링(sealing)부를 이용하여 상기 적층체를 진공상태로 조절하는 진공 단계;를 더 포함하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열간압착의 온도는 70 내지 150℃이고, 상기 열간압착의 압력은 막전극 접합체 활성면적 기준으로 10 내지 200기압이며, 상기 열간압착의 시간은 1 내지 20분인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 수증기 공급 단계 전에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 1 단위공정으로, 상기 수증기 공급 단계 후에 상기 진공 단계를 수행하는 것을 2 단위공정으로, 상기 1 단위공정 또는 상기 2 단위공정이 한회 이상 반복 수행되는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 반복 수행 후,
    상기 적층체를 진공상태로 조절하여 막전극 접합체 내부에 존재하는 과량의 수분을 제거하는 수분 제거 단계;를 더 포함하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 반복 수행 중, 또는 상기 반복 수행이 완료된 후,
    상기 적층체의 연료극측 및 공기극측의 진공도를 다르게 설정하는 진공도 설정 단계;
    상기 연료극측 및 공기극측의 진공도 변화를 확인하는 진공도 확인 단계;
    막전극 접합체 자체 누설현상에 의해 불량인 것으로 분류되는 막전극 접합체를 검출하는 불량 막전극 접합체 검출 단계;를 더 포함하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  9. 제 4항 내지 제 8항 중 선택되는 하나의 항에 있어서,
    상기 사전활성화는 고분자 연료전지 스택을 체결하기 전 막전극 접합체와 기체확산층의 정렬 및 고정화 하는 단계에서 막전극 접합체 제조시 함유되는 불순물을 제거하고, 상기 막전극 접합체 내에 포함된 고분자 전해질 막 및 전해질을 수화하여 수소이온의 이동도를 증가시키는 사전활성화 인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 선택되는 어느 한 항의 사전활성화 방법을 이용하여 사전활성화 된 다수개의 막전극 접합체와 기체확산층의 일체물을 적층하여 스택을 체결하는 단계;를 포함하는 고분자 연료전지 스택 제조방법.
KR1020100027835A 2010-03-29 2010-03-29 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법 KR101191052B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100027835A KR101191052B1 (ko) 2010-03-29 2010-03-29 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100027835A KR101191052B1 (ko) 2010-03-29 2010-03-29 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110108569A true KR20110108569A (ko) 2011-10-06
KR101191052B1 KR101191052B1 (ko) 2012-10-15

Family

ID=45026110

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100027835A KR101191052B1 (ko) 2010-03-29 2010-03-29 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101191052B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101326484B1 (ko) * 2012-08-09 2013-11-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 부분 활성화 방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101509734B1 (ko) * 2013-10-14 2015-04-07 현대자동차 주식회사 연료 전지 스택 접합 장치 및 방법
KR101648428B1 (ko) 2014-04-28 2016-09-01 주식회사휴비스 고분자전해질 연료전지를 사전활성화하는 열간압착장치
KR101698395B1 (ko) 2015-03-03 2017-01-20 주식회사휴비스 고분자전해질 연료전지를 사전활성화하는 열간압착시스템
KR102586433B1 (ko) 2018-04-26 2023-10-06 현대자동차주식회사 연료전지용 전해질막의 제조방법 및 이로 제조된 전해질막

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005251419A (ja) 2004-03-01 2005-09-15 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池用ｍｅａの製造方法
JP2008269909A (ja) 2007-04-19 2008-11-06 Toyota Motor Corp 燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法、および、膜電極接合体

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101326484B1 (ko) * 2012-08-09 2013-11-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 부분 활성화 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101191052B1 (ko) 2012-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101199530B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 장치
CA2659193C (en) Membrane electrode assembly, method for fabricating the same, and solid polymer electrolyte fuel cell using the same
Devrim et al. Development of 500 W PEM fuel cell stack for portable power generators
CN104617310B (zh) 一种带密封边框的燃料电池膜电极的制备方法
US8715470B2 (en) Separator plates, ion pumps, and hydrogen fuel infrastructure systems and methods for generating hydrogen
KR101191052B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지 사전활성화 방법
KR101698395B1 (ko) 고분자전해질 연료전지를 사전활성화하는 열간압착시스템
US20080197857A1 (en) Multi-mea test station and multi-mea test method using the same
EP3522277B1 (en) Method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell
US8586265B2 (en) Method of forming membrane electrode assemblies for electrochemical devices
KR102249209B1 (ko) 연료전지용 막전극접합체의 연속 검사장치 및 검사방법
JP6160476B2 (ja) 燃料電池のガス漏れ検査システム
JP6631144B2 (ja) 燃料電池の製造方法
WO2018062972A1 (ko) 연료전지용 막전극접합체의 제조방법
JP2002343377A (ja) 燃料電池用電解質膜−電極接合体およびその製造方法
EP1984967B1 (en) Method of forming membrane electrode assemblies for electrochemical devices
KR101509734B1 (ko) 연료 전지 스택 접합 장치 및 방법
KR100957302B1 (ko) 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법
KR20120115637A (ko) 막전극접합체 제조를 위한 핫 프레스 장치 및 이를 이용한 막전극접합체 제조 방법
KR101282618B1 (ko) 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치
CN107710482B (zh) 燃料电池堆和燃料电池堆的制造方法
KR101648428B1 (ko) 고분자전해질 연료전지를 사전활성화하는 열간압착장치
CN114902461B (zh) 燃料电池堆、燃料电池装置以及具有燃料电池装置的机动车
US20080090126A1 (en) Preservation Method Of Polymer Electrolyte Membrane Electrode Assembly Technical Field
US11316185B2 (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151008

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161007

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170921

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180918

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190909

Year of fee payment: 8