KR20120082188A - 고온 연료전지의 동작방법 - Google Patents

고온 연료전지의 동작방법 Download PDF

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KR20120082188A KR1020110003552A KR20110003552A KR20120082188A KR 20120082188 A KR20120082188 A KR 20120082188A KR 1020110003552 A KR1020110003552 A KR 1020110003552A KR 20110003552 A KR20110003552 A KR 20110003552A KR 20120082188 A KR20120082188 A KR 20120082188A
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박정옥
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Abstract

고온 연료전지의 동작방법에 관해 개시되어 있다. 고온 연료전지의 동작 방법은 운전 정지 상태의 연료전지 스택의 온도를 높인 다음, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 온도가 되었을 때, 상기 연료전지 스택을 기동시키면서 부하의 부하량의 일부를 상기 연료전지 스택에 인가한다. 이어서 상기 연료전지 스택의 온도가 제2 온도(>제1 온도)가 되었을 때, 상기 부하의 부하량의 나머지를 상기 연료전지 스택에 추가로 인가한다.

Description

고온 연료전지의 동작방법{Method of operating high temperature fuel cell system}
본 발명의 일 실시예는 연료전지에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 고온 연료전지의 동작방법에 관한 것이다.
고온에서 동작되는 연료전지, 예를 들면 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 저온에서 동작되는 일반 PEMFC에 비해 고온(100℃이상)에서 동작된다. 그리고 고온에서 동작되는 PEMFC(이하, 고온 PEMFC)는 무가습 조건에서 작동하므로, 가습장치가 불필요하여 물관리 등의 제어가 간단하고 연료전지의 신뢰성이 높은 것으로 알려져 있다. 또한, 고온 PEMFC는 가습장치가 불필요하고, 고온에서 동작되므로 연료극에서의 일산화탄소(CO) 피독에 대한 내성이 높아진다. 따라서 연료 개질기(fuel reformer) 또한 단순화할 수 있는 바, BOP(Balance-of-Plant) 가격을 낮출 수 있다.
고온 PEMFC용 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 인산 도핑계 MEA가 사용되고 있다. 인산 도핑계 MEA를 포함하는 고온 PEMFC의 동작 온도는 150℃~200℃이다. 고온 PEMFC의 기동 시간은 동작온도가 80℃인 저온 PEMFC에 비해 길다. 저온 PEMFC은 상온에서 바로 기동이 가능하고 기동 후 MEA내에서의 전기화학반응에 의한 반응열로 정상 운전 온도에 도달할 수 있다. 그러나 산도핑계, 특히 인산 도핑계 MEA의 수소이온 전도체인 인산은 상온에서 낮은 전도도를 갖는다. 따라서 저온 PEMFC에 부하를 인가하기 위해서는 PEMFC의 온도를 올려 줄 필요가 있다.
고온 PEMFC는 가정용 연료전지로 사용될 수 있다. 다만, 고온 PEMFC를 가정용으로 사용하기 위해서는 동작과 정지를 반복하는 DSS(Daily start and stop)모드로 고온 PEMFC를 운전하였을 때, 고온 PEMFC는 그 성능이 정상적으로 유지될 수 있어야 한다.
인산 도핑계의 MEA의 성능은 전극 내에서 이온 전도체인 인산의 분포와 분포량 등에 따라 달라질 수 있다. 고온 PEMFC를 운전할 때, 운전의 온-오프(ON-OFF)에 따라 연료전지 셀의 온도와 연료전지 셀 내의 습도가 변하게 되고 인산의 농도도 달라지게 된다. 농도가 달라진 인산이 MEA 밖으로 유출되면 연료전지 셀 전체의 인산량이 감소되고 이 결과, 연료전지 셀의 성능이 저하될 수 있다.
인산 유출은 연료전지가 연속운전 모드로 운전될 때보다 DSS 모드로 운전될 때 더욱 많아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 고온 연료전지(PEMFC)의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작방법은 운전 정지 상태의 연료전지 스택의 온도를 높이는 단계, 상기 연료전지 스택의 온도가 제1 온도가 되었을 때, 상기 연료전지 스택의 기동을 시작하면서 부하의 부하량의 일부를 상기 연료전지 스택에 인가하는 단계 및 상기 연료전지 스택의 온도가 제2 온도(>제1 온도)가 되었을 때, 상기 부하의 부하량의 나머지를 상기 연료전지 스택에 추가로 인가하는 단계를 포함한다.
이러한 동작 방법에서, 상기 제1 온도는 상기 연료전지 스택의 정상 운전 온도보다 낮을 수 있다. 상기 제1 온도는 60℃보다 높고 상기 연료전지 스택의 정상 운전 온도보다 낮을 수 있다.
상기 부하의 부하량 전부를 상기 연료전지 스택에 인가하는데 소요되는 시간은 1시간 이내일 수 있다.
상기 부하의 부하량의 일부를 상기 연료전지 스택에 인가하는 단계는 상기 부하량의 일부를 적어도 2회로 분할하여 단계적으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 부하량의 일부를 분할하여 단계적으로 인가하는 각 단계에서 상기 연료전지 스택내의 셀의 전위는 0.8V이하로 유지할 수 있다.
상기 연료전지 스택의 온도를 높이는 단계는 상기 연료전지 스택에 가열된 냉각수를 통과시키는 방법, 상기 연료전지 스택에 공급되는 가스의 온도를 높여 공급하는 방법, 상기 연료전지 스택 외부의 가열수단을 이용하는 방법 및 발열촉매를 이용하거나 분리판을 가열하여 상기 연료전지 스택 내부로부터 가열하는 방법 중 어느 한 방법으로 상기 연료전지 스택을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작방법은 연료전지를 기동시킬 때, 연료전지가 정상운전 온도에 도달되기 전에 연료전지에 부하를 가한다. 이때, 부하는 부하량을 분할하여 시간차를 두고 단계별로 인가할 수 있다. 이러한 방식으로 연료전지를 동작시킴에 따라 인산 유출에 따른 연료전지 셀의 열화를 줄일 수 있고, 부가적으로 연료전지의 기동 운전 시간도 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법을 단계별로나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법의 제1 구현예에서 정상 운전 온도에 도달되기 전에 부하의 부하량을 분할하여 단계별로 인가하는 경우를 나타낸 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법의 제1 구현예에서 도 2에 대한 비교예로써 정상 운전 온도에 도달되었을 때, 부하의 전체 부하량을 한번에 인가하는 경우를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법의 제1 구현예에서 DSS 모드로 운전된 제1 및 제2 MEA에 대한 전압 특성을 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법의 제2 구현예에서 제3 MEA의 동작이 기본 기동 모드와 저온 기동 모드로 운전될 때, 각 모드에서 시간에 따른 온도 변화와 인가되는 부하량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법의 제2 구현예에서 정상 운전 조건에서 운전되는 제3 MEA로부터 측정한 전압을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지의 동작 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 고온 연료전지, 예를 들면 고온 PEMFC의 동작 방법(이하, 연료전지 동작방법)을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 동작방법은 먼저 MEA를 포함하는 연료전지 스택을 가열한다(S1). 연료전지 스택의 가열은 여러가지 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 예를 들면, 연료전지 스택에 가열된 냉각수를 통과시키는 방법, 온도를 높여 공급가스, 예를 들면 공기와 연료를 공급하는 방법, 연료전지 스택 외부의 가열수단, 예컨대 히터나 버너 등을 이용하여 연료전지 스택을 가열하는 방법 또는 발열촉매를 이용하거나 분리판을 가열하여 연료전지 스택 내부로부터 가열하는 방법을 이용할 수 있다. 다음, 제2 단계로써, 연료전지 스택이 가열되기 시작한 후, 상기 가열에 의해 연료전지 스택의 온도가 제1 온도가 되었을 때, 연료전지 스택에 연료가스를 공급하여 연료전지의 기동운전을 시작한다(S2). 상기 제1 온도는 60℃보다 높고 정상운전 온도보다 낮을 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 온도는 70℃이상일 수 있고, 145℃일 수 있다. 제2 단계(S2)에서 기동운전이 시작되면서 부하(load)를 인가한다. 이때, 상기 부하는 연료전지 스택의 온도가 정상온도가 될 때까지 전체 부하량을 몇 단계로 나누어 시간차를 두고 인가한다. 예를 들면, 상기 부하의 부하량은 2단계 이상으로 나누어 차례로 인가할 수 있다. 이와 같은 경우에서 최초 단계에서 인가될 수 있는 부하량은 연료전지 스택 내의 각 셀의 전위가, 예를 들면 0.8V 이하가 되는 부하량이다. 최초 부하인가시에 인가될 수 있는 부하량은, 예를 들면 전체 부하량의 10%일 수 있다. 각 단계에서 부하량을 인가하는 시간은 동일하게 할 수도 있고, 인가하는 부하량에 따라 다르게 할 수도 있다. 예를 들면, 인가되는 부하량이 작을 수록 부하량을 인가하는 시간을 길게 할 수 있다. 반대로 연료전지 스택의 온도가 정상온도에 가까워 질수록 인가되는 부하량이 증가할 경우, 부하량을 인가하는 시간은 짧게 할 수 있다. 상기 부하의 총 부하량이 인가되는데 소요되는 총 시간은, 예를 들면 1시간 이내일 수 있고, 20분 이내 또는 40분 이내일 수 있다.
다음, 제3 단계로써, 연료전지 스택의 온도가 제2 온도가 되었을 때, 연료전지 스택의 정상운전을 시작하고, 부하의 전체 부하량이 인가되게 하며, 연료전지 스택의 가열을 중지한다(S3). 상기 제2 온도는 연료전지 스택의 정상운전 온도이다. 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 높다. 상기 제2 온도는, 예를 들면 150℃-160℃일 수 있다. 제3 단계(S3)가 주어진 시간 동안 실시된 후, 연료전지 스택은 정지될 수 있다. 연료전지 스택이 정지된 후, 다시 제1 내지 제3 단계(S1-S3)에 따라 연료전지 스택이 동작될 수 있다. 연료전지 스택의 이와 같은 동작과 정지는 반복될 수 있고, 연료전지 스택의 동작 시간이나 정지 시간은 연료전지가 사용되는 환경에 따라 혹은 연료전지를 사용하는 사용자의 필요에 따라 달라질 수 있다.
다음은 도 1의 연료전지 동작 방법을 보다 구체화한 일 실시예(이하, 제1 구현예)를 설명한다.
제1 구현예에 사용될 MEA는 2개를 제조하였는데, 그 중 하나는 본 발명의 동작 방법에 대한 검증용(이하, 제1 MEA)이고, 나머지 하나는 비교용(이하, 제2 MEA)이다.
상기 제1 및 제2 MEA는 구성과 재질이 동일하고, 다음과 같이 동일한 과정으로 제조하였다.
캐소드 전극(cathode electrode)의 제조를 위해 카본 담지 촉매인 PtCo/C (Pt 46.5%), 유기 바인더(organic binder)인 PVdF (5w% solution in NMP) 및 NMP 용매를 혼합하였다. 각 성분의 비율은 건조 후 잔류하는 고상성분 기준으로 PVdF는 2.5%로 고정하고, 카본 담지 촉매로 나머지 조성을 맞추었다. 이어서 믹서(mixer)를 통해 혼합하여 점도를 갖는 슬러리(slurry)를 제조한 다음, 카본페이퍼(SGL35BC) 위에 상기 슬러리를 코팅하였다. 상기 슬러리를 코팅 후 60℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 1시간 이상 건조하였다. 이어서 오븐에서 80℃에서 1시간, 120℃에서 30분, 150℃에서 10분 동안 건조하여 캐소드 전극을 준비하였다. MEA에 포함된 막(membrane)은 PPO막을 80℃에서 5시간 동안 인산에 함침하여 준비하였다.
애노드(anode) 전극은 카본 담지 촉매로 PtRu/C를 사용한 것을 제외하고, 캐소드 전극의 제조 과정과 동일한 과정으로 제조하였다.
MEA는 이렇게 제조한 캐소드 전극, 막 및 애노드 전극을 차례로 적층한 다음, 테스트용 셀에 넣어 총 3Nm의 토크로 체결하여 형성하였다. 이때, MEA의 반응면적은 검증의 편의를 위해 실제 반응면적보다 작은 7.84㎠로 하였다. MEA의 고유 동작 특성, 예를 들면 인산 유출 특성과 MEA의 반응면적은 서로 큰 연관성이 없으므로, 제1 구현예의 결과는 실제 반응면적을 갖는 연료전지에도 적용될 수 있을 것이다.
제1 구현예는 상술한 바와 같이 제조한 상기 제1 및 제2 MEA 각각을 다음과 같이 운전한 다음(동작시킨 다음), 정상 운전상태(예컨대, MEA 온도가 150℃, 0.2A/㎠의 정전류 발생조건)에서 상기 제1 및 제2 MEA의 성능 변화를 비교하여 각 MEA의 성능 변화 추이를 관찰하였다.
MEA를 포함하는 테스트 셀을 연료전지 평가장치에 연결하여 캐소드 전극에는 공기를, 애노드 전극에는 수소를 흘려주면서 정상 운전 상태(예를 들면, MEA 온도가 150℃, 100%부하에 해당되는 0.2A/㎠의 정전류 발생조건)로 1주일간 운전하여 MEA를 활성화(activation)하였다.
이와 같은 활성화 후, MEA의 동작(ON)과 정지(OFF)를 반복하였다. 곧, MEA를 DSS 모드 방식으로 운전하였다.
구체적으로, 상기 제1 MEA의 경우, MEA를 상기 정상 운전 상태로 3시간 운전한 다음, MEA를 정지하였다. 이때, 정지 조건에 따른 영향을 제거하기 위해 정지 시에 MEA의 양쪽 극을 쇼트(short)하였다. 이후, MEA의 온도가 40℃로 낮아지면, MEA의 온도를 높이기 시작하였다. MEA의 온도는 상기한 히팅 방법 중 하나의 방법이나 다른 방법을 사용하여 MEA를 히팅함으로써 높일 수 있다. MEA의 온도가 상기 정상 운전 상태의 온도보다 낮은 온도, 예를 들며 145℃가 되었을 때, MEA에 연료가스, 예를 들면 수소 또는 수소를 포함하는 가스를 공급하고 부하를 인가하였다. 이때, 상기 부하는 도 2에 도시한 방식으로 인가하였다.
도 2에서 가로 및 세로축은 각각 시간(분)과 온도(℃)를 나타낸다. 또한, 도 2에서 제1 그래프(G21)는 시간에 따른 제1 MEA의 온도 변화를 나타내고, 제2 그래프(G22)는 상기 제1 MEA의 온도가 정상 운전 온도가 될 때까지 상기 부하의 총 부하량이 상기 제1 MEA에 단계적으로 나누어 인가되는 경우를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 부하의 총 부하량은 7단계로 나뉘어 시간차를 두고 제1 MEA에 인가된다. 상기 부하를 인가하는 제1 단계에서 상기 부하의 총 부하량의 일부, 예를 들면 10% 정도가 상기 제1 MEA에 인가된다. 상기 부하를 인가하는 제1 단계는 상기 제1 MEA의 온도가 정상 운전 온도보다 낮은 온도일 때, 예를 들면 상기 제1 MEA의 온도가 145℃일 때 실시될 수 있으나, 상기 제1 MEA의 온도가 145℃보다 높은 온도일 때 실시될 수도 있다. 상기 부하의 부하량을 인가하는 마지막 단계에서 상기 제1 MEA의 온도는 정상 운전 온도가 된다. 상기 부하의 부하량을 인가하는 마지막 단계에서는 상기 부하의 총 부하량 중 제1 내지 제6 단계에서 인가되고 남은 부하량이 인가된다. 상기 마지막 단계에서 인가되는 부하량은 상기 총 부하량의 20%보다 작게 하였다. 상기 제1 MEA에 상기 부하의 총 부하량이 모두 인가되는 시간은 20분 이내로 하였다. 그리고 상기 부하량을 인가하는 각 단계는 2분 동안 유지하였다. 또한, 상기 각 단계에서 인가되는 부하량 중 최초 단계 부하량은 제1 MEA의 전위가 0.8V이하가 되는 부하량이 되도록 하였다.
상기 제2 MEA의 경우, 부하 인가 방식을 제외하고 나머지 조건은 상기 제1 MEA와 동일하게 하였다. 상기 제2 MEA에 대한 부하 인가 방식은 도 3에 도시한 바와 같다. 도 3에서 제1 그래프(G31)는 시간에 따른 상기 제2 MEA의 온도 변화를 나타내고, 제2 그래프(G32)는 상기 제2 MEA에 대한 부하 인가 방식을 나타낸다.
도 3의 제2 그래프(G32)를 참조하면, 상기 제2 MEA의 온도가 145℃가 되는 시점에서 부하의 총 부하량이 한번에 상기 제2 MEA에 인가된다.
상술한 제1 구현예에서 상기 제1 및 제2 MEA에 대한 동작과 정지를 반복하면, 상기 제1 및 제2 MEA를 DSS 모드로 운전한 결과가 된다.
도 4는 상기 제1 구현예에서 DSS 모드로 운전된 상기 제1 및 제2 MEA에 대한 전압 특성을 보여준다. 도 4에 도시한 전압 특성은 정상 운전 상태에서 측정한 것이다. 도 4에서 가로축은 제1 및 제2 MEA의 운전 싸이클 수, 곧 동작(ON) 및 정지(OFF)의 반복 횟수를 나타낸다. 예컨대, 가로축에서“50”은 동작 및 정지를 50회 반복한 것을 나타낸다. 도 4에서 세로축은 정상 운전 상태에서 측정한 전압을 나타낸다.
도 4에서 제1 그래프(G41)는 상기 제1 MEA에 대한 것이고, 제2 그래프(G42)는 상기 제2 MEA에 대한 것이다.
도 4의 제1 및 제2 그래프(G41, G42)를 비교하면, 상기 제2 MEA에 비해 상기 제1 MEA의 전압 감소율이 훨씬 낮은 것을 알 수 있다. 제1 구현예에서 상기 제1 MEA의 경우, 매 싸이클 당 전압 감소율은 35㎶였으나, 상기 제2 MEA의 경우는 매 싸이클 당 전압 감소율은 71.9㎶였다. 곧, 상기 제2 MEA의 전압 감소율이 상기 제1 MEA의 전압 감소율보다 컸다.
도 4의 결과는 MEA의 정지 후, 동작시에 MEA가 정상 운전 온도에 도달되기 전에 기동되고, 이때 부하를 인가하되, 인가되는 부하의 총 부하량을 몇 단계로 나누어 인가하는 MEA 동작 방법이 종래의 동작 방법보다 전압 감소 특성이 우수함을 보여준다.
MEA에서 인산 유출이 심할수록 MEA의 전압 감소 특성이 저하될 수 있다. 그리고 상기 제1 구현예에서 상기 제1 및 제2 MEA는 구성과 재질에서 동일하고, 제조 공정도 동일하며, 다만 동작 방법만 다르게 하였다.
이러한 점을 고려하면, 도 4의 결과는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지 동작방법에 따라 고온 연료전지를 운전할 때, 종래의 연료전지 동작 방법에 따라 고온 연료전지를 운전할 때보다 인산 유출이 적거나 인산 유출이 방지될 수 있음을 시사할 수 있다.
다음은 도 1의 연료전지 동작 방법을 보다 구체화한 다른 실시예(이하, 제2 구현예)를 설명한다.
상기 제2 구현예는 MEA를 상기 제1 구현예의 기동온도보다 낮은 온도에서 기동시키면서 부하의 부하량 일부를 인가하는 동작 방법이다.
상기 제2 구현예에 사용되는 MEA(이하, 제3 MEA)의 구성과 재료와 제조 방법은 상기 제1 및 제2 MEA와 동일하게 하였다. 다만, 상기 제3 MEA의 반응면적은 상기 제1 및 제2 MEA보다 넓게 하여 실제 연료전지 스택에 적용될 수 있는 넓이로 하였다. 상기 제3 MEA의 반응면적을 이와 같이 넓게 한 이유 중 하나는 상기 제3 MEA의 저온 기동 효과를 살펴보기 위함이다. 이에 따라 상기 제3 MEA는 반응면적이 120㎠이 되도록 제조하였다.
제2 구현예에서 상기 제3 MEA는 다음과 같이 운전하였다.
상기 제3 MEA의 활성화는 상기 제1 구현예와 동일하게 실시하였다.
활성화 후, 상기 제3 MEA를 DSS 모드로 운전하여 동작(ON)과 정지(OFF)를 반복하였다. 상기 제3 MEA의 동작과 정지를 반복함에 있어 처음 30회는 동작(ON)을 기본 기동 모드로 운전하였고, 다음 30회는 동작(ON)을 저온 기동 모드로 운전하였다. 이러한 방식으로 30회씩 반복하여 상기 제3 MEA의 동작과 정지를 총 270회 반복하였다.
도 5는 상기 제3 MEA의 동작이 상기 기본 기동 모드와 상기 저온 기동 모드로 운전될 때, 각 모드에서 시간에 따른 온도 변화와 인가되는 부하량의 변화를 보여준다.
도 5에서 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 부하의 부하량(%)과 MEA의 온도(℃)를 나타낸다. 가로축에서 제1 시간(T1)은 상기 기본 기동 모드로 상기 제3 MEA의 동작(ON)이 반복되는 시간이고, 제2 시간(T2)은 상기 저온 기동 모드로 상기 제3 MEA의 동작이 반복되는 시간이다. 제1 시간(T1) 동안 반복되는 상기 기본 기동 모드를 보면, 상기 기본 기동 모드에서는 상기 제3 MEA의 온도가 정상 운전 온도인 150℃가 될 때까지는 부하가 인가되지 않으며, 정상 운전 온도가 되었을 때, 부하의 부하량 전부가 한번에 상기 제3 MEA에 인가된다. 이때, 연료가스도 함께 공급된다.
반면, 제2 시간(T2) 동안 반복되는 상기 저온 기동 모드에서는 상기 제3 MEA의 온도가 상기 정상 운전 온도보다 낮은 80℃가 될 때, 연료가스가 공급되어 상기 제3 MEA의 기동이 시작된다. 그리고 상기 연료가스의 공급과 함께 부하의 부하량 일부, 예컨대 전체 부하량의 50%정도가 상기 제3 MEA에 인가된다. 부하량의 나머지는 상기 제3 MEA의 온도가 정상 운전 온도가 될 때, 상기 제3 MEA에 인가된다. 상기 저온 기동 모드에서 상기 연료가스의 공급과 상기 부하의 부하량 일부의 인가는 상기 제3 MEA의 온도가 60℃보다 높을 때, 시작될 수도 있다.
이와 같은 저온 기동 모드에서는 도 5에서 볼 수 있듯이 정상 운전 전에 부하의 부하량 일부가 상기 제3 MEA에 인가되면서 상기 제3 MEA의 온도가 보다 빠르게 상승한다. 이러한 결과로, 상기 저온 기동 모드에서 상기 제3 MEA의 온도가 정상 운전 온도에 도달되는 시간은 상기 기본 기동 모드보다 빨라지므로, 기동 운전 시간이 단축될 수 있다.
도 6은 상기 제2 구현예에서 정상 운전 조건에서 상기 제3 MEA로부터 측정한 전압을 보여준다.
도 6에서 가로축은 상기 제3 MEA의 반복 동작 싸이클 수, 곧 동작 및 정지의 반복 횟수를 나타내고, 세로축은 각 싸이클의 정상 운전 조건에서 측정한 상기 제3 MEA의 전압을 나타낸다. 그리고 도 6의 제1 그래프(G61)는 반복 동작 싸이클 수에 따른 정상 운전 조건에서의 상기 제3 MEA의 전압 변화를 나타낸다. 제1 그래프(G61)에서 반복 동작 싸이클 수, 30-60, 90-120, 150-180 및 210-240에 대응하는 구간(P2)(이하, 제2 구간)은 상기 제3 MEA가 상기한 저온 기동 모드로 운전되었을 때, 상기 제3 MEA로부터 측정한 전압을 나타내고, 제1 그래프(G61)의 나머지 구간(P1)(이하, 제1 구간)은 상기 제3 MEA가 상기한 기본 기동 모드로 운전되었을 때, 상기 제3 MEA로부터 측정한 전압을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제1 그래프(G61)는 음의 기울기를 갖는데, 이것은 반복 동작 싸이클의 수가 증가함에 따라 상기 제3 MEA로부터 측정되는 전압은 작아짐을 의미한다. 제1 그래프(G61)에서 제1 및 제2 구간(P1, P2)은 연속적으로 변화하고, 각 구간은 연속적으로 연결되어 제1 그래프(G61)를 구성한다. 각 구간은 제1 그래프(G61)와 동일한 기울기를 갖는다. 따라서 도 6의 결과는 상기 제3 MEA의 동작(ON)이 상기한 저온 기동 모드로 운전되더라도 상기 제3 MEA의 성능이 추가로 저하되지 않음을 시사한다.
한편, 도 6에서 각 구간(P1, P2)의 기울기를 고려할 때, 상기 제3 MEA가 기본 기동 모드로 운전될 때, 싸이클 당 전압 감소율은 0.285㎷이고, 저온 기동 모드로 운전될 때, 싸이클 당 전압 감소율은 0.276㎷이다.
상기 제2 구현예에서 상기 제3 MEA는 동작(ON)시의 운전 방식만 다르고, 나머지 조건은 동일하다. 그러므로 상기한 바와 같이 상기 제3 MEA가 저온 기동 모드로 운전될 때의 싸이클 당 전압 감소율이 기본 기동 모드로 운전될 때보다 작다는 것은 결국 상기 제3 MEA가 저온 기동 모드로 운전될 때의 인산 유출이 기본 기동 모드로 운전될 때보다 적다는 것을 시사한다고 볼 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
P1, P2:제1 및 제2 구간
T1, T2:제1 및 제2 시간

Claims (7)

  1. 운전 정지 상태의 연료전지 스택의 온도를 높이는 단계;
    상기 연료전지 스택의 온도가 제1 온도가 되었을 때, 상기 연료전지 스택의기동을 시작하면서 부하의 부하량의 일부를 상기 연료전지 스택에 인가하는 단계; 및
    상기 연료전지 스택의 온도가 제2 온도(>제1 온도)가 되었을 때, 상기 부하의 부하량의 나머지를 상기 연료전지 스택에 추가로 인가하는 단계;를 포함하는 연료전지의 동작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 온도는 상기 연료전지 스택의 정상 운전 온도보다 낮은 연료전지의 동작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 온도는 60℃보다 높고 상기 연료전지 스택의 정상 운전 온도보다 낮은 연료전지의 동작방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하의 부하량 전부를 상기 연료전지 스택에 인가하는데 소요되는 시간은 1시간 이내인 연료전지의 동작방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하의 부하량의 일부를 상기 연료전지 스택에 인가하는 단계는
    상기 부하량의 일부를 적어도 2회로 분할하여 단계적으로 인가하는 단계를 포함하는 연료전지의 동작방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 부하량의 일부를 분할하여 단계적으로 인가하는 각 단계에서 상기 연료전지 스택내의 셀의 전위는 0.8V이하로 유지하는 연료전지의 동작방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 온도를 높이는 단계는,
    상기 연료전지 스택에 가열된 냉각수를 통과시키는 방법, 상기 연료전지 스택에 공급되는 가스의 온도를 높여 공급하는 방법, 상기 연료전지 스택 외부의 가열수단을 이용하는 방법 및 발열촉매를 이용하거나 분리판을 가열하여 상기 연료전지 스택 내부로부터 가열하는 방법 중 어느 한 방법으로 상기 연료전지 스택을 가열하는 단계를 포함하는 연료전지의 동작방법.
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