KR20150015635A - Recovery method of coolant leak in polymer electrolyte membrane fuel cell - Google Patents

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김해리
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Abstract

The present invention relates to a method for restoring the capacity of fuel cells when antifreeze liquid and coolant are leaked in polymer electrolyte fuel cells, the method comprising steps of restoring the capacity of poisoned catalyst by injecting water into an entrance on an anode electrode and a cathode electrode of the fuel cell or by injecting air into an anode electrode and hydrogen into a cathode electrode, thereby restoring the capacity of the fuel cell, when antifreeze liquid and coolant are leaked in polymer electrolyte fuel cells, without decomposing stack and unit cells.

Description

고분자 전해질 연료전지에서 부동액 및 냉각수 누설 시 연료전지의 성능 회복 방법{Recovery method of coolant leak in polymer electrolyte membrane fuel cell}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for recovering performance of a fuel cell when an antifreeze and a cooling water are leaked from a polymer electrolyte fuel cell,

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에서 부동액, 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있는 새로운 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a new method for recovering the performance of a fuel cell without disassembling a stack and a unit cell in an antifreeze or cooling water leakage in a polymer electrolyte fuel cell.

고분자 전해질 연료전지는 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fue cell (SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), polymer electrolyte fuel cell(PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮은 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다(L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa, "Fuel Cell Systems", Plenum Press, New York, 1993). 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자 전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. A polymer electrolyte fuel cell (FEP) is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion-exchange properties as an electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell (SPFC), polymer electrolyte fuel cell (PEFC) fuel cell (PEMFC). Polymer electrolyte fuel cells with lower operating temperatures than other types of fuel cells have high efficiency, high current density and power density, short startup times and fast response to load changes (LJMJ Blomen and MN Mugerwa, " Fuel Cell Systems ", Plenum Press, New York, 1993). Especially, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no electrolyte loss, and it is possible to apply the methanol reformer, which is an established technology, and is less sensitive to the change of the reaction gas pressure. In addition, the design is simple, easy to manufacture, and various materials can be used for the fuel cell body material, and the volume and weight are smaller than those of a phosphoric acid fuel cell having the same principle of operation. In addition to these characteristics, the polymer electrolyte fuel cell can be applied to a wide variety of fields such as power source for non-polluting vehicles, locally installed power generation, space power, mobile power, and military power.

이러한 고분자 전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자 전해질 막과 전극(anode, cathode), 그리고 스택(stack)을 구성하기 위한 분리판(separator)으로 이루어져 있다. 특히 애노드와 캐소드의 두 전극을 고분자 전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자 전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.The main components of the polymer electrolyte fuel cell are a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode, and a separator for forming a stack. In particular, a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode and a cathode are adhered to a polymer electrolyte membrane by a hot-pressing method is called a membrane-electrode assembly (MEA) .

또한 연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지 (single cell)를 수십, 수백개씩 적층함으로써 구성되는데, 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판 (end plate)을 tie rod나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구, 냉각수 순환구, electric power output을 위한 커넥션(connection)이 설치되어 있다. 이러한 스택 외에도 연료 개질기, 공기압축기, 열 및 물 처리기, 전력 변환기 등으로 이루어진다.In addition, the fuel cell stack is formed by laminating several tens or hundreds of single cells where an electrochemical reaction takes place. In order to reduce the contact resistance between the unit cells and the stack, the end plates are tie rods Or air pressure. Both ends are equipped with connections for the outlet and inlet of the reactant gas, the coolant circulation and electric power output. In addition to these stacks, it consists of a fuel reformer, an air compressor, a heat and water processor, and a power converter.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에서 전기 생산과 함께 부수적으로 열이 발생되는 기관이다. 연료전지를 자동차 엔진으로 사용하기 위해서는 수십 kW급 스택이 사용되는데, 이렇게 대용량화로 인해 단위부피당 열 발생량이 많아짐에 따라 냉각의 중요성이 증대되고 있다. A fuel cell is an organ that generates electricity incidentally with the production of electricity in the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. In order to use a fuel cell as an automobile engine, a stack of several tens kW is used. As the capacity of the fuel cell is increased, the amount of heat generated per unit volume increases, so that the importance of cooling is increasing.

연료전지 스택에 사용되는 부동액 중 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)은 어는점 내림 현상과 낮은 어는점 등의 특성에 의해 부동액으로 많이 사용되고 있는데, 이러한 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 연료전지의 부동액으로 사용 시 스택 분리판 접착부 등의 경로를 통해 부동액이 누설되는 경우가 종종 발생할 수 있으며, 이러한 경우에는 수소와 산소의 화학적 반응에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 부동액이 누설되어 성능이 감소되면 스택을 분리하여 전해질막, 전극, 가스 확산층 및 바이폴라 플레이트를 교체하거나 수리해야 한다.Among the antifreeze used in the fuel cell stack, ethylene glycol is widely used as an antifreeze solution due to freezing point and low freezing point. When ethylene glycol is used as an antifreeze of a fuel cell, It is possible that leakage of the antifreeze may occur through the path of the adhesion part and the like. In this case, the chemical reaction of hydrogen and oxygen may be directly affected. Therefore, if the antifreeze is leaked and performance deteriorates, the stack must be separated to replace or repair the electrolyte membrane, electrode, gas diffusion layer, and bipolar plate.

이에 본 발명자들은 부동액 또는 냉각수가 누설되어 연료전지의 성능이 감소될 경우, 스택 및 단위전지를 분해하지 않고 물과 공기를 이용하여 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있는 새로운 방법을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors have found a new method of recovering the performance of a fuel cell using water and air without decomposing the stack and the unit cell when the performance of the fuel cell is reduced due to leakage of the antifreeze or cooling water, Completed.

대한민국 등록특허 제0766155호Korean Patent No. 0766155

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 목적은 고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시키는 방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for restoring the performance of a fuel cell without disassembling a stack and a unit cell when an antifreeze or cooling water is leaked in a polymer electrolyte fuel cell.

또한, 본 발명은 고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있는 고분자 연료전지의 성능 회복 장치를 제공하는 것이다. The present invention also provides a performance recovery device for a polymer fuel cell capable of restoring the performance of a fuel cell without disassembling the stack and the unit cell when the antifreeze or cooling water is leaked in the polymer electrolyte fuel cell.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시키는 방법으로서, 연료전지의 애노드 입구 및 캐소드 입구에 물을 주입하여 피독된 촉매의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 회복 방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a method for restoring the performance of a fuel cell without disassembling a stack and a unit cell in the case of leakage of antifreeze or cooling water in a polymer electrolyte fuel cell, And the performance of the poisoned catalyst is restored by injecting water into the fuel cell.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드 입구 및 캐소드 입구에 물을 1L 주입할 경우, 연료전지의 성능이 초기 성능 대비 70~80%로 연료전지의 성능이 회복될 수 있다. In one embodiment of the present invention, when 1 L of water is injected into the anode inlet and the cathode inlet, the performance of the fuel cell can be restored to 70 to 80% of the initial performance.

또한, 본 발명은 고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시키는 방법으로서, 애노드 전극에 공기를 주입하고 캐소드 전극에 수소를 주입하여 피독된 촉매의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 성능 회복 방법을 제공한다.The present invention also relates to a method of recovering the performance of a fuel cell without decomposing a stack and a unit cell when an antifreeze or cooling water is leaked in a polymer electrolyte fuel cell. The method includes injecting air into the anode electrode, And recovering the performance of the poisoned catalyst.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드 전극에 공기를 주입하고 캐소드 전극에 수소를 주입 시, 애노드에서 산소환원반응을 발생시켜 전극에 물을 생성하게 함으로써 피독된 촉매를 회복시킬 수 있다. In an embodiment of the present invention, when air is injected into the anode electrode and hydrogen is injected into the cathode electrode, an oxygen reduction reaction is generated at the anode to generate water in the electrode, thereby recovering the poisoned catalyst.

본 발명의 일실시예에 있어서, 공기 및 수소를 12시간 주입할 경우, 연료전지의 성능이 초기 성능 대비 90~99%로 연료전지의 성능이 회복될 수 있다. In an embodiment of the present invention, when air and hydrogen are injected for 12 hours, the performance of the fuel cell can be restored to 90 to 99% of the initial performance.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 부동액은 에틸렌 글리콜일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the antifreeze may be ethylene glycol.

또한, 본 발명은 고분자 전해질 막을 중심으로 양측에 다공질의 애노드와 캐소드가 장착되고, 상기 애노드와 캐소드에는 수소 유로와 공기 유로가 장착되는 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 상기 수소 유로나 공기 유로의 누설에 따른 연료전지 성능 감소 시 상기 애노드를 구성하는 가스입구와 상기 캐소드를 구성하는 가스입구에 물을 주입하여 성능을 회복시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 고분자 연료전지의 성능 회복 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell in which porous anodes and cathodes are mounted on both sides of a polyelectrolyte membrane, and a hydrogen passage and an air passage are mounted on the anode and the cathode, The performance of the polymer fuel cell can be restored by injecting water into the gas inlet constituting the anode and the gas inlet constituting the cathode when the performance of the fuel cell is degraded.

또한 본 발명은, 고분자 전해질 막을 중심으로 양측에 다공질의 애노드와 캐소드가 장착되고, 상기 애노드와 캐소드에는 수소 유로와 공기 유로가 장착되는 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 상기 수소 유로나 공기 유로의 누설에 따른 연료전지의 성능 감소시 상기 애노드를 구성하는 가스입구에 공기를 주입하고 상기 캐소드를 구성하는 가스입구에 수소를 주입하여 성능을 회복시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지의 성능 회복 장치를 제공한다.The present invention also provides a polymer electrolyte fuel cell in which a porous anode and a cathode are mounted on both sides of a polymer electrolyte membrane, and a hydrogen passage and an air passage are mounted on the anode and the cathode, The performance of the polymer fuel cell can be restored by injecting air into the gas inlet of the anode and injecting hydrogen into the gas inlet of the cathode. to provide.

본 발명은 연료전지의 부동액, 냉각수 누설 시 피독된 촉매를 회복시켜 연료전지의 성능 회복 방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 stack 및 단위 전지를 분해하지 않고 운전 방법, 물과 공기를 이용하여 연료전지의 성능을 회복시키므로 종래 연료전지에 비해 더 우수한 연료전지로 유용하게 사용될 수 있다.The present invention provides a method for recovering performance of a fuel cell by recovering a catalyst poisoned by leakage of an antifreeze or cooling water of a fuel cell. The performance of the fuel cell can be restored. Therefore, the fuel cell can be more effectively used as a fuel cell than the conventional fuel cell.

도 1은 전류-전압 반복 운전을 나타낸 그림이다.
도 2는 전류-전압 반복 운전에 의한 연료전지 성능 회복 실험 결과이다.
도 3은 물을 이용한 성능 회복 단계를 나타낸 그림이다.
도 4는 물 주입에 의한 연료전지 성능 회복 실험 결과이다.
도 5는 공기를 이용한 성능 회복 단계를 나타낸 그림이다.
도 6은 공기 주입으로 인한 물 생성반응을 통한 연료전지 성능 회복 실험 결과이다.
1 is a diagram showing a current-voltage repetitive operation.
FIG. 2 is a graph showing the results of fuel cell performance recovery experiments by current-voltage repetitive operation.
FIG. 3 is a view showing a performance recovery step using water. FIG.
FIG. 4 shows the results of fuel cell performance recovery experiments by water injection.
5 is a view showing a performance recovery step using air.
FIG. 6 is a graph showing the results of fuel cell performance recovery experiment through water production reaction by air injection.

본 발명은 연료(수소) 유입구와 공기 유입구를 통해 부동액이 누설되어 연료전지 내부로 유입될 경우, 스택 및 단위전지의 분해과정 없이 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있는 방법을 제공한다는 점에 특징이 있다. The present invention is characterized in that when the antifreeze leaks through the fuel (hydrogen) inlet and the air inlet and flows into the fuel cell, the performance of the fuel cell can be restored without disassembling the stack and the unit cell have.

연료전지 스택에 사용되는 부동액이 분리판 접착부 등의 경로를 통해 부동액이 누설될 경우, 누설된 부동액은 촉매에 의해 물 분자와 반응하여 포름산이 되며, 포름산 분자가 촉매의 활성 사이트에 흡착하게 되며, 활성 사이트에 흡착한 후 CO 형태로 변하면서 촉매의 활성 사이트를 피독하게 된다. 또한, 다른 활성 사이트는 물 분자와 만나 히드록시기를 형성하게 되며, 상기 촉매에 흡착된 CO와 히드록시기가 만나게 되면 이산화탄소와 프로톤을 형성하여 촉매 활성 사이트가 회복된다.When the antifreeze used in the fuel cell stack leaks through the path of the separator adhered part or the like, the leaked antifreeze reacts with water molecules by the catalyst to become formic acid, and the formic acid molecule adsorbs to the active site of the catalyst, After being adsorbed to the active site, it is transformed to CO form and poison the active site of the catalyst. Also, other active sites meet with water molecules to form hydroxy groups. When CO adsorbed on the catalyst and hydroxyl groups meet, carbon dioxide and protons are formed and the catalytically active sites are recovered.

한편, 본 발명자들은 상기 기술된 촉매의 피독과 해독 과정에 따른 결과를 통해 캐소드 보다 애노드에서 성능감소가 크게 나타나는 것을 확인하고, 이후 결과는 애노드의 결과를 사용하였다.On the other hand, the present inventors confirmed that the reduction in the anode performance was significantly greater than that of the cathode through the results of the poisoning and decryption of the catalyst described above, and the results were used as a result of the anode.

본 발명에서 제공하는 부동액 또는 냉각수 누설시 연료전지의 성능 회복방법은 다음과 같다.The performance recovery method of the fuel cell according to the present invention is as follows.

먼저, 촉매 활성 사이트를 회복하기 위해 전류-전압 반복 운전으로 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있다.First, the performance of the fuel cell can be restored by the current-voltage repetitive operation in order to recover the catalytic active site.

본 발명에 따른 상기 전류-전압 반복 운전 실험 결과, 전류 전압 반복 운전 시 확산으로 넘어오는 물의 양을 충분하게 하여 촉매 활성 사이트를 회복시켜 연료전지의 성능을 회복 할 수 있다.As a result of the current-voltage repetitive operation test according to the present invention, it is possible to restore the catalytic active site by restricting the amount of water flowing to the diffusion during the current voltage repetitive operation, thereby recovering the performance of the fuel cell.

여기서 상기 전류-전압 반복 운전을 보다 구체적으로 설명하면, 상기 전류-전압 반복운전은 순환 전압법으로 먼저 (1) 1600 mA/cm2의 수소 (417.9 mL/min)와 공기(1326.7 mL/min)의 유량을 첨가한다. 이때 25 cm2 전극 기준, 수소/공기의 유량은 전극 면적과 전극 갯수에 비례하며, 예컨대, @1600 mA/cm2 기준, 5 cm2 전극은 417.9/5, 1326.7/5 유량이고, 전극이 3개이면 417.9x5. 1326.7x5 유량이다. 또한, 수소와 공기의 유량은 양론비 1.5/2.0으로 산정하는데, 백금 촉매에서 수소산화반응과 산소환원반응에 필요한 수소와 공기의 양을 1.0로 계산한다. 일반적으로 최대 0.4V에서 1600 mA/cm2 이상 성능이 나오지 않는다. (2) 수소와 공기가 연료전지에 주입되면 개방전압(open circuit voltage, OCV)이 형성되는데, OCV는 보통 0.9~1.2V 사이에서 형성된다. (3) 이후 OCV가 평형상태에 도달하면 순환 전압법을 수행하는데, OCV~0.4 V를 반복하며 (0.9-0.8-0.7-0.65-0.6-0.55-0.5-0.45-0.4 V), OCV에서 0.4V로 내려갈 경우, 각 전압 구간에서 5초 유지 후 다음 전압으로 이동하고, 0.4V에 도달하면 0.4V에서 5분 유지 후 다음 전압으로 이동한다. 0,4V에서 OCV로 올라갈 경우, 각 전압 구간에서 10초 유지 후 다음 전압으로 이동하고, OCV에 도달하면 OCV에서 30초 유지 후 다음 전압으로 이동한다. OCV에서 다음 OCV 30초까지 1 cycle로 정하고, 각 전압에서 사용 가능한 최대 전류밀도를 확인한다. (4) 다음으로, 상기 조건을 약 12시간 유지하는데, 각 전압 구간에서 해당 전류밀도를 취합하여 전체적으로 전류밀도가 증가하는지 확인하고, 12시간이 경과 후 전류밀도의 변화가 없는 평형 상태가 되면 실험을 종료한다. 또한 12시간 경과, 전류밀도가 증가하는 경향을 보이면 평형 상태에 도달할 때까지 연장한다. 단, 장시간의 운전은 회복 효율이 감소하므로 적절한 시간을 선택하는 것이 좋다.(1) 1600 mA / cm 2 of hydrogen (417.9 mL / min) and air (1326.7 mL / min) of the current-voltage repetitive operation are described in more detail. Is added. At this time, the flow rate of the hydrogen / air is proportional to the electrode area and the number of electrodes based on a 25 cm 2 electrode. For example, the flow rate is @ 1600 mA / cm 2 , the 5 cm 2 electrode is 417.9/5, If it is 417.9x5. Lt; / RTI > Also, the flow rate of hydrogen and air is calculated as the stoichiometric ratio 1.5 / 2.0, and the amount of hydrogen and air required for the hydrogen oxidation reaction and the oxygen reduction reaction in the platinum catalyst is calculated as 1.0. Generally, the maximum performance is not more than 1600 mA / cm 2 at 0.4V. (2) When hydrogen and air are injected into the fuel cell, an open circuit voltage (OCV) is formed. OCV is usually formed between 0.9 and 1.2V. (3) After OCV reaches the equilibrium state, the circulating voltage method is repeated. OCV ~ 0.4 V is repeated (0.9-0.8-0.7-0.65-0.6-0.55-0.5-0.45-0.4 V), and OCV is 0.4V , The voltage is maintained for 5 seconds in each voltage section, then moved to the next voltage. When the voltage reaches 0.4 V, the voltage is maintained at 0.4 V for 5 minutes and then moved to the next voltage. If it goes from 0,4V to OCV, it keeps 10 seconds in each voltage interval and then moves to the next voltage. When it reaches OCV, it keeps 30 seconds in OCV and then moves to the next voltage. Set the OCV to 1 cycle for the next OCV of 30 seconds and check the maximum current density available for each voltage. (4) Next, the above condition is maintained for about 12 hours, and it is confirmed whether the current density increases as a whole by collecting the current density in each voltage section. If the current density becomes equal to the equilibrium state after 12 hours, Lt; / RTI > Also, after 12 hours, when the current density tends to increase, it extends until it reaches an equilibrium state. However, it is better to select the appropriate time because the recovery efficiency decreases for a long time operation.

본 발명에 따른 상기 전류-전압 방법에서 전류밀도는 1000 내지 1500mA/cm2 이고, 전압은 0.8 내지 1.0V일 수 있다. In the current-voltage method according to the present invention, the current density may be 1000 to 1500 mA / cm 2 , and the voltage may be 0.8 to 1.0 V.

본 발명에 따른 상기 전류-전압 방법은 10내지 14시간 수행할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 12시간 동안 반복 운전을 하여 연료전지의 성능 회복을 확인하였다.The current-voltage method according to the present invention can be performed for 10 to 14 hours. According to an embodiment of the present invention, the performance recovery of the fuel cell is confirmed by repeating the operation for 12 hours.

또한, 본 발명에서 제공하는 부동액 및 냉각수 누설 시, 연료전지의 성능 회복 방법은 애노드와 캐소드의 가스 입구를 통해 물을 주입하는 방법으로 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있다.Also, in the method of recovering the performance of the fuel cell during the leakage of the antifreeze and the cooling water provided by the present invention, the performance of the fuel cell can be restored by injecting water through the gas inlet of the anode and the cathode.

이러한 물을 이용한 연료전지 성능 회복 방법은 도 3에 기재된 시스템을 통해 수행될 수 있다.The fuel cell performance recovery method using such water can be performed through the system described in FIG.

나아가 본 발명에 따른 연료전지의 성능 회복 방법은 애노드에 공기를 주입하고 캐소드에 수소를 주입하여 산소환원반응을 발생시켜 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있다.Furthermore, the method of recovering the performance of the fuel cell according to the present invention can recover the performance of the fuel cell by injecting air into the anode and injecting hydrogen into the cathode to generate an oxygen reduction reaction.

상기 애노드에 공기를 주입하는 시간은 10내지 14시간이 바람직하다.
The time for injecting air into the anode is preferably 10 to 14 hours.

이상, 본 발명에 따른 연료전지의 성능 회복 방법은 기존 부동액 누설시 연료전지의 성능 회복 방법을 대체하여 새로운 연료전지 성능 회복 방법으로서 유용하게 사용될 수 있다.
As described above, the performance recovery method of the fuel cell according to the present invention can be effectively used as a new fuel cell performance recovery method in place of the performance recovery method of the fuel cell when the conventional antifreeze is leaked.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나. 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The following examples are merely preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited by the following examples.

<< 참조예Reference Example 1> 부동액에 의한 연료전지 촉매의  1> Fuel cell catalyst by antifreeze 피독과Poisoning 회복 메커니즘 Recovery Mechanism

에틸렌글리콜에 의한 연료전지 촉매의 피독과 회복 방법의 메커니즘을 살펴보면 다음과 같다.The mechanisms of poisoning and recovery of fuel cell catalysts by ethylene glycol are as follows.

(CH2OH)2 → (CH2OH)2 ads (1)(CH 2 OH) 2 → (CH 2 OH) 2 ads (1)

(CH2OH)2 ads → (:COH)2 (2)(CH 2 OH) 2 ads → (: COH) 2 (2)

(:COH)2 + 2H2O→(HCOOH)ads + 2H + 2e- (3)(: COH) 2 + 2H 2 O → (HCOOH) ads + 2H + 2e - (3)

Pt(HCOOH)ads→ Pt(CO)ads + H2O (4)Pt (HCOOH) ads → Pt (CO) ads + H 2 O (4)

Pt + H2O→ Pt(OH)ads (5) Pt + H 2 O → Pt ( OH) ads (5)

Pt(OH)ads + Pt(CO)ads → Pt + CO2+H+ (6)
Pt (OH) ads + Pt (CO) ads → Pt + CO 2 + H +

에틸렌글리콜의 피독 메커니즘은 상기 반응식과 같다. 에틸렌 글리콜은 Pt촉매에서 물 분자와 반응하여 포름산(Formic acid)로 변한다(상기 반응식 3 참조). 이 포름산(Formic acid)의 분자는 다시 Pt의 활성 사이트에 흡착하게 되고, CO형태로 변하면서 Pt의 활성 사이트를 피독하게 된다(상기 반응식 4 참조).The poisoning mechanism of ethylene glycol is the same as the above reaction formula. Ethylene glycol reacts with water molecules in the Pt catalyst to formic acid (see Scheme 3 above). This formic acid molecule is again adsorbed on the active site of Pt and changes to the CO form to attack the active site of Pt (see Scheme 4 above).

피독된 Pt를 회복하기 위해 물 분자가 필요하게 되며 회복 메커니즘은 상기 반응식(5-6)과 같다. 다른 Pt 활성 사이트는 물 분자와 만나 히드록시기(-OH)를 형성하게 되며, 여기서 Pt에 흡착된 CO와 OH가 만나 CO2와 프로톤을 형성하면서 Pt활성 사이트가 회복된다.Water molecules are required to recover the poisoned Pt, and the recovery mechanism is the same as in the above reaction formula (5-6). The other Pt active sites meet with water molecules to form hydroxyl groups (-OH), where the CO and OH adsorbed on the Pt react to form CO 2 and protons, restoring the Pt active site.

연료전지에서 에틸렌글리콜이 누설될 경우, 애노드와 캐소드 양쪽에 부반응이 발생하게 되고 Pt촉매의 CO 피독에 의해 촉매 기능을 상실 시켜 연료전지 성능이 감소하게 된다. 촉매가 오염될 경우 연료전지 스택을 분해하여 전극(MEA) 또는 스택 전체를 교체해야 하는 경제적 소모가 불가피하다. 본 발명에서는 애노드 전극의 결과값을 사용하였다.
When ethylene glycol leaks from the fuel cell, a side reaction occurs at both the anode and the cathode, and the CO function of the Pt catalyst is lost by the poisoning of the Pt catalyst, thereby reducing the fuel cell performance. If the catalyst is contaminated, it is inevitable that the fuel cell stack should be disassembled to replace the electrode (MEA) or the entire stack. In the present invention, the resultant value of the anode electrode was used.

<< 실시예Example 1> 1>

운전방법을 통한 성능 회복Performance recovery through driving method

연료전지는 안정적인 전류를 생성하기 위해 주로 정전류 모드(Constant Current mode : 부하에 관계없이 항상 일정한 전류를 흘려주는 것)를 사용한다. 연료전지 운전 중에 에틸렌글리콜의 누설로 인한 성능 감소가 나타나면 상기 참조예에 기재된 회복 메커니즘처럼 물 분자가 필요하게 된다. 애노드에서는 캐소드에서 생성되는 물분자가 전해질 막을 통해 확산하여 애노드로 넘어오게 된다. 하지만 이 물분자의 양은 매우 적다. 따라서 도 1과 같이 전압은 0.8내지 1.0 V로 전류는 1000 내지 1500mA/cm2의 전류-전압 반복으로 운전하여 확산으로 넘어오는 물의 양을 충분하게 하여 성능 회복을 도모한다.Fuel cells use a constant current mode (constant current flow regardless of load) to generate a stable current. If a decrease in performance due to leakage of ethylene glycol during operation of the fuel cell occurs, water molecules are needed like the recovery mechanism described in the above reference example. In the anode, water molecules generated at the cathode diffuse through the electrolyte membrane and pass to the anode. However, the amount of this water molecule is very small. Accordingly, as shown in FIG. 1, the voltage is operated at 0.8 to 1.0 V and the current is operated at the current-voltage repetition of 1000 to 1500 mA / cm 2 , so that sufficient amount of water is supplied to the diffusion to achieve performance recovery.

상기에서 기재한 전류-전압 반복 운전에 의한 연료전지 성능 회복 실험 결과, 도 2에서 나타낸 바와 같이 12시간 반복 운전 후 초기 성능 대비 약 61% 성능이 회복되는 것으로 나타났다. 따라서 부동액 및 냉각수가 누설될 경우, 전류-전압 반복 운전에 의해 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 2, the fuel cell performance recovery performance by the current-voltage repetition operation described above is shown to recover about 61% of the initial performance after 12 hours of repeated operation. Therefore, it can be seen that when the antifreeze and the cooling water leaks, the performance of the fuel cell can be improved by the current-voltage repetitive operation.

<< 실시예Example 2> 2>

물을 이용한 성능 회복Performance recovery using water

연료전지 운전 중에 부동액인 에틸렌글리콜이 누설되어 연료전지의 성능 감소가 나타나면 물을 이용하여 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있다. 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료전지 운전을 멈추고 애노드 전극과 캐소드 전극의 가스 입구를 통해 물 1L를 주입하여 물 분자를 풍부하게 해줌으로써 피독된 촉매를 회복시켜 연료전지의 성능을 회복시켰다.When the performance degradation of the fuel cell occurs due to leakage of the antifreeze ethylene glycol during operation of the fuel cell, the performance of the fuel cell can be restored by using water. That is, as shown in FIG. 3, the operation of the fuel cell was stopped and 1 L of water was injected through the gas inlet of the anode electrode and the cathode electrode to enrich the water molecules, thereby restoring the poisoned catalyst to restore the performance of the fuel cell.

이렇게 물을 이용한 성능 회복은 도 4에 나타낸 바와 같이, 물 1L 주입 후 초기 성능 대비 약 77%로 회복되는 것을 알 수 있었다. 따라서 부동액 및 냉각수의 누설 시 물을 이용한 성능 회복 방법이 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the performance recovery using the water was recovered to about 77% of the initial performance after 1 L of water injection. Therefore, it can be seen that the performance recovery method using water during the leakage of the antifreeze and cooling water can improve the performance of the fuel cell.

<< 실시예Example 3> 3>

공기를 이용한 성능 회복Performance recovery using air

연료전지 운전 중에 에틸렌 글리콜의 누설로 인한 성능 감소가 나타나면 도 5에 나타낸 바와 같이 1번의 애노드 전극에 수소 대신 공기를 주입하고 2번의 캐소드 전극에 공기 대신 수소를 주입하여 애노드에서 산소환원반응을 발생시켜 전극에 물이 생성하도록 하여 피독된 촉매를 회복시켜 연료전지의 성능을 회복시킬 수 있다.When a decrease in performance due to leakage of ethylene glycol occurs during the operation of the fuel cell, as shown in FIG. 5, air is injected instead of hydrogen into one anode electrode, hydrogen is injected into the two cathode electrodes instead of air to generate an oxygen reduction reaction at the anode Water can be generated in the electrode, and the performance of the fuel cell can be restored by restoring the poisoned catalyst.

이러한 방법에 따른 연료전지 성능 회복 결과는 도 6에 나타낸 바와 같으며, 12시간 공기 주입 후 초기 성능 대비 약 92%로 성능이 회복되는 것으로 나타났다. 따라서 부동액 및 냉각수의 누설 시 공기 주입으로 인한 물 생성 반응이 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
The results of the performance recovery of the fuel cell according to this method are shown in FIG. 6, and the performance is recovered to 92% of the initial performance after 12 hours of air injection. Therefore, it can be seen that the water generation reaction due to the air injection during the leakage of the antifreeze and the cooling water can improve the performance of the fuel cell.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (8)

고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시키는 방법으로서, 연료전지의 애노드 입구 및 캐소드 입구에 물을 주입하여 피독된 촉매의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지의 성능 회복 방법. A method for recovering the performance of a fuel cell without disassembling a stack and a unit cell in the case of leakage of an antifreeze or cooling water in a polymer electrolyte fuel cell, wherein water is injected into an anode inlet and a cathode inlet of the fuel cell, And recovering the performance of the polymer fuel cell. 제1항에 있어서,
상기 애노드 입구 및 캐소드 입구에 물을 1L 주입할 경우, 연료전지의 성능이 초기 성능 대비 70~80%로 연료전지의 성능이 회복되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the performance of the fuel cell is restored to 70 to 80% of the initial performance when injecting 1 L of water into the anode inlet and the cathode inlet.
고분자 전해질 연료전지에서 부동액 또는 냉각수 누설 시 스택(stack)과 단위전지를 분해하지 않고 연료전지의 성능을 회복시키는 방법으로서, 애노드 전극에 공기를 주입하고 캐소드 전극에 수소를 주입하여 피독된 촉매의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지의 성능 회복 방법.A method of recovering performance of a fuel cell without disassembling a stack and a unit cell in the case of leakage of an antifreeze or cooling water in a polymer electrolyte fuel cell, comprising the steps of injecting air into the anode electrode and injecting hydrogen into the cathode electrode And recovering the performance of the polymer fuel cell. 제3항에 있어서,
상기 애노드 전극에 공기를 주입하고 캐소드 전극에 수소를 주입 시,
애노드에서 산소환원반응을 발생시켜 전극에 물을 생성하게 함으로써 피독된 촉매를 회복시키는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 3,
When air is injected into the anode electrode and hydrogen is injected into the cathode electrode,
Generating an oxygen reduction reaction at the anode to produce water at the electrode, thereby recovering the poisoned catalyst.
제4항에 있어서,
공기 및 수소를 12시간 주입할 경우, 연료전지의 성능이 초기 성능 대비 90~99%로 연료전지의 성능이 회복되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the performance of the fuel cell is restored to 90 to 99% of the initial performance when air and hydrogen are injected for 12 hours.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부동액은 에틸렌 글리콜인 것을 특징으로 하는 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein said antifreeze is ethylene glycol.
고분자 전해질 막을 중심으로 양측에 다공질의 애노드와 캐소드가 장착되고, 상기 애노드와 캐소드에는 수소 유로와 공기 유로가 장착되는 고분자 전해질 연료전지에 있어서,
상기 수소 유로나 공기 유로의 누설에 따른 연료전지 성능 감소 시 상기 애노드를 구성하는 가스입구와 상기 캐소드를 구성하는 가스입구에 물을 주입하여 성능을 회복시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 고분자 연료전지의 성능 회복 장치.
A polymer electrolyte fuel cell in which porous anodes and cathodes are mounted on both sides of a polyelectrolyte membrane, and a hydrogen passage and an air passage are mounted on the anode and the cathode,
Characterized in that water is injected into the gas inlet constituting the anode and the gas inlet constituting the cathode when the performance of the fuel cell deteriorates due to the leakage of the hydrogen flow path or the air flow path, Performance recovery device.
고분자 전해질 막을 중심으로 양측에 다공질의 애노드와 캐소드가 장착되고, 상기 애노드와 캐소드에는 수소 유로와 공기 유로가 장착되는 고분자 전해질 연료전지에 있어서,
상기 수소 유로나 공기 유로의 누설에 따른 연료전지의 성능 감소 시 상기 애노드를 구성하는 가스입구에 공기를 주입하고 상기 캐소드를 구성하는 가스입구에 수소를 주입하여 성능을 회복시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지의 성능 회복 장치.
A polymer electrolyte fuel cell in which porous anodes and cathodes are mounted on both sides of a polyelectrolyte membrane, and a hydrogen passage and an air passage are mounted on the anode and the cathode,
When the performance of the fuel cell is degraded due to the leakage of the hydrogen flow path or the air flow path, air is injected into the gas inlet constituting the anode, and hydrogen is injected into the gas inlet constituting the cathode, A performance recovery device for a polymer fuel cell.
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