KR20170107679A - 연료전지 가속 활성화 방법 - Google Patents

연료전지 가속 활성화 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170107679A
KR20170107679A KR1020160031289A KR20160031289A KR20170107679A KR 20170107679 A KR20170107679 A KR 20170107679A KR 1020160031289 A KR1020160031289 A KR 1020160031289A KR 20160031289 A KR20160031289 A KR 20160031289A KR 20170107679 A KR20170107679 A KR 20170107679A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
activation
voltage pulse
cyclic
Prior art date
Application number
KR1020160031289A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101795222B1 (ko
Inventor
추현석
Original Assignee
현대자동차주식회사
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 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160031289A priority Critical patent/KR101795222B1/ko
Priority to US15/341,064 priority patent/US10256487B2/en
Publication of KR20170107679A publication Critical patent/KR20170107679A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101795222B1 publication Critical patent/KR101795222B1/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
    • H01M8/04228—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 during shut-down
    • 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
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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
    • Y02E60/521—
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

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 연료전지 스택의 활성화 시간을 단축시키는 동시에 수소 사용량을 절감할 수 있도록 한 순환 전압전류법을 이용한 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 일정한 전류를 인가하는 고전류 구간에 특정 전위 구간을 반복적으로 인가하는 순환 전압 전류법을 적용하여, 연료전지 스택의 활성화 속도를 기존에 비하여 보다 빠르게 증가시킬 수 있도록 함으로써, 활성화 소요 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있는 연료전지 가속 활성화 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 가속 활성화 방법{Method for accelerating activation of fuel cell}
본 발명은 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 활성화 시간을 단축시키는 동시에 수소 사용량을 절감할 수 있도록 한 순환 전압전류법을 이용한 연료전지 가속 활성화 방법에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템과, 실질적으로 수소 및 공기를 이용한 전기화학적 반응에 의하여 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택 등을 포함하여 구성된다.
상기 연료전지 스택은 수십에서 수백개의 유니트 셀 단위가 적층된 구조로 제작되며, 유니트 셀은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)과, 공기극 및 연료극의 바깥 부분에 적층되는 가스확산층과, 가스확산층의 바깥쪽에 적층되어 유로를 통해 연료 공급 및 물 배출을 하는 분리판 등을 포함하여 구성된다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 스택의 조립 제작 후, 초기 운전시에는 전기 화학 반응에서 그 활성도가 떨어지므로, 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위해서 반드시 연료전지 스택에 대한 활성화(Activation) 공정이 필수적으로 진행된다.
상기 활성화 공정은 프리-컨디셔닝(Pre-conditioning) 또는, 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하며, 그 주된 목적은 반응에 참여하지 못하는 연료전지 스택의 전극층인 촉매층을 활성화시키고, 전해질 막 등을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보하는데 있다.
또한, 상기 활성화 공정을 통하여, 연료전지 스택의 연료극 및 공기극으로 구성되는 Pt/C(Pt supported on Carbon) 전극의 전기화학 유효표면적(ECSA, Electrochemical Surface Area) 확장과 함께 연료전지 스택내의 전해질막 즉, 멤브레인(예, PFSA, Perflurosulfonic Acid Membrane) 내부의 이온전도도를 증가시킬 수 있고, 결국 연료전지 스택의 전기 생성을 위한 초기 출력을 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 활성화 공정에 의거, 연료전지 스택의 전극 제작 중에 혼입된 나피온의 열분해 부산물이 고가습 운전을 통하여 배출됨으로써, 물질전달 저항에 기인한 연료전지 스택의 성능 저하가 최소화되는 효과도 얻을 수 있다.
이러한 연료전지 활성화를 위한 다양한 방법이 제시되고 있으나, 주로 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 스택의 양산을 위해서는 활성화 소요시간 단축 및 수소 사용량의 절감 등과 같은 방안이 절실히 요구되는 실정에 있다.
이를 위해, 본원 출원인은 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하는 공정과, 일정 시간 동안 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정을 수회 이상 반복하여, 활성화 시간을 단축하는 동시에 활성화를 위해 사용되는 수소 소모량을 절감할 수 있도록 한 연료전지 스택의 활성화 가속 방법을 이미 특허출원[제10-2015-0067893호(2015.05.15)]한 바 있다.
그러나, 연료전지 스택의 본격적인 양산을 위해서는 활성화 소요 시간을 보다 단축시킬 수 있고, 활성화에 사용되는 수소 소모량을 보다 줄일 수 있는 활성화 방법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 일정한 전류를 인가하는 고전류 구간에 특정 전위 구간을 반복적으로 인가하는 순환 전압전류법을 적용하여, 연료전지 스택의 활성화 속도를 기존에 비하여 보다 빠르게 증가시킬 수 있도록 함으로써, 활성화 소요 시간 및 수소 사용량을 획기적으로 단축시킬 수 있는 연료전지 가속 활성화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하되 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정을 수회 이상 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법을 제공한다.
특히, 상기 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 10 ~ 20회 반복 실시하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 상한치 전압을 0.75V 이하로 규제하고, 하한치 전압을 0.55V 이상으로 규제하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 0.55 ~ 0.6V 구간에서 전류를 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 상한전압 대비 하한전압의 유지시간을 상대적으로 길게 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 전압전류 펄스의 촉매 환원(anodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도를 촉매 산화(cathodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도보다 느리게 유지시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 순환 전압전류 펄스 횟수는 활성화도(%)에 따라 차등적으로 적용되하되, 상기 활성화도(%)가 낮으면 낮을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 작게 유지하고, 상기 활성화도(%)가 높으면 높을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 크게 유지하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정은 연료전지 스택의 공기극 반응면에 일정 시간 동안 수소를 펌핑하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 고전류(동일 전류) 구간에 순환 전압전류 펄스를 연속적으로 인가함으로써, 기존 대비 연료전지 스택의 활성화 속도를 보다 빠르게 증가시킬 수 있고, 그에 따라 활성화 시간 또한 기존 대비 크게 단축시킬 수 있다.
둘째, 연료전지 스택의 활성화 시간을 크게 단축시킴에 따라 활성화 공정 중 사용되는 수소 소모량도 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 기존 연료전지 스택의 활성화 방법으로서, 전류 및 평균 전압에 대한 단위 프로파일을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가속 활성화 방법으로서, 전류 및 평균 전압에 대한 단위 프로파일을 나타낸 그래프,
도 3은 기존 연료전지 스택의 활성화 방법으로서, 전류 및 평균 전압에 대한 전체 프로파일을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가속 활성화 방법으로서, 전류 및 평균 전압에 대한 전체 프로파일을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가속 활성화 방법에 대한 성능 평가를 위한 실시예를 나타낸 그래프,
도 6은 도 5의 시험예 결과를 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1 및 도 3은 기존 연료전지 스택의 활성화 방법을 도시한 그래프를 나타낸다.
도 1 및 도 3에서 보듯이, 기존 연료전지 스택의 활성화 방법은 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하는 공정과, 일정 시간 동안 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정을 수회 이상 반복하여 진행된다.
기존 연료전지 스택의 활성화 방법은 도 1의 단위 프로파일에서 보듯이 동일한 수준의 고전류를 인가하고, 이와 함께 스택 셧다운의 진공 활성화 공정을 최적화함으로써, 도 3의 전체 프로파일에서 보듯이 활성화 시간이 약 35분 가량 걸리고, 활성화를 위한 수소 소모량이 약 0.6kg 소모된다.
그러나, 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 스택의 양산을 위해서 활성화 소요시간을 최대로 단축하는 동시에 수소 사용량을 최대로 절감하는 점 등이 선행되어야 하는 점을 비추어 볼 때, 기존 연료전지 스택의 활성화 방법으로는 연료전지 스택의 양산 조건을 충족시키지 못하는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 연료전지 스택의 활성화 공정에 순환 전압전류법을 적용하여, 연료전지 스택의 활성화 소요 시간 및 수소 사용량을 기존 대비 획기적으로 단축시킬 수 있는 가속 활성화 방법을 제공하는데 주안점이 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 가속 활성화 방법을 상세하게 살펴보기로 한다.
첨부한 도 2 및 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 도시한 그래프를 나타낸다.
본 발명의 가속 활성화 방법은 도 2 및 도 4에서 보듯이, 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하되 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 일정 시간 동안 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정을 수회 이상 반복하여 이루어진다.
바람직하게는, 본 발명의 가속 활성화 방법은 도 2에 도시된 활성화 공정의 단위 프로파일을 10 ~ 20회 반복 실시하여 이루어진다.
좀 더 상세하게는, 본 발명의 가속 활성화 방법은 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하되 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 일정 시간 동안 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 10 ~ 20회 반복 실시하여 이루어진다.
이렇게 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가함으로써, 기존 대비 연료전지 스택의 활성화 시간을 보다 단축시킬 수 있으며, 그 이유는 연속적으로 전압전류가 변화하게 되면 활성화 중 연료전지 셀을 구성하는 공기극의 백금 촉매 표면에 발생하는 생성수가 균일하게 재분포될 뿐만 아니라, 환원 반응을 위한 반복적인 전위 스윕(sweep)으로 인하여 공기극의 백금 내부(특히, 백금 에지부분)에 존재하는 산화물의 환원이 보다 용이해져 공기극의 백금 촉매 활성이 증대되기 때문이다.
이때, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 상한치 전압을 0.75V 이하로 규제하도록 하며, 그 이유는 초기 활성화의 반복적인 전압전류 펄스 운전으로 인한 초기 열화를 방지하고자 한 점에 있고, 특히 상한치 전압이 0.75V 이상이 되면 공기극의 백금 격자에 산소가 침투하여 자리교환(place exchange)에 따른 백금산화(Pt…O)가 생성되어 백금의 안정성이 떨어지기 때문이다.
또한, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 하한치 전압을 0.55V 이상으로 규제하도록 하며, 그 이유는 초기 활성화의 반복적인 전압전류 펄스 운전으로 인한 초기 열화를 방지하고자 한 점에 있고, 특히 0.55V 이하에서는 공기의 산소 환원 반응시 부반응으로 발생하는 과산화수소(H2O2) 인하여 전해질 막 또는 촉매 바인더의 열화가 초래되기 때문이다.
더욱 바람직하게는, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 하한치 전압과 상한치 전압 범위를 0.55V ~ 0.6V 으로 규제하는 것이 좋으며, 그 이유는 하기의 실시예 및 시험예를 통해 알 수 있듯이 활성화 가속화 효과가 가장 좋게 나타났기 때문이다.
한편, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 도 4에서 보듯이 상한전압 대비 하한전압의 유지시간을 상대적으로 길게 유지하는 것이 바람직하며, 그 이유는 공기극 백금에 존재하는 산화물의 환원을 위한 환원 구동력을 증가시키기 위함에 있다.
또한, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 도 4에서 보듯이 전압전류 펄스의 촉매 환원(anodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도를 촉매 산화(cathodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도보다 느리게 유지시키는 것이 바람직하며, 그 이유는 마찬가지로 공기극 백금에 존재하는 산화물의 환원을 위한 환원력을 증가시키기 위함에 있다.
바람직하게는, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 단위 프로파일내 순환 전압전류 펄스 횟수는 활성화도(%)에 따라 차등적으로 적용하되, 활성화도(%)가 낮으면 낮을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 작게 유지하도록 하며, 그 이유는 순환 전압전류 펄스 횟수를 작게 유지함에 따른 빠른 펄스 전위 주사로 인하여 촉매층 표면 불순물 제거 또는 산화물 환원 등과 같은 촉매층 활성 회복이 효과적으로 이루어질 수 있기 때문이다.
반면, 상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 단위 프로파일내 순환 전압전류 펄스 횟수는 활성화도(%)에 따라 차등적으로 적용하되, 활성화도(%)가 높으면 높을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 크게 유지하도록 하며, 그 이유는 느린 펄스 전위 주사로 인하여 고전류의 전압전류 펄스 인가 시간이 길어지면 술폰산기 재배열에 의한 이온 경로(ion path) 등이 형성되면서 전해질 막과 바인더의 수화(wetting)가 효과적으로 이루어지기 때문이다.
한편, 상기 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과 함께 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정에서, 공기극 반응면에 수소를 펌핑한다는 의미는 스택의 셧다운 상태에서 공기극에 대한 산소 공급이 차단되는 동시에 연료극에 수소를 공급하는 과정과, 연료극에서 수소가 수소 양이온 및 전자로 분리되는 반응 과정(H2 → 2H+ + 2e-)과, 분리된 수소이온이 전해질막을 통해 공기극으로 넘어가는 동시에 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 다시 결합하여 공기극에서 수소가 생성되는 반응 과정(2H+ + 2e- → H2)을 포함하는 것을 의미한다.
따라서, 상기 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 시간 동안, 공기 반응면에 산소가 제거됨과 함께 순환 전압전류 펄스)를 인가하여, 공기극 측에 수소가 펌핑되어 환원 분위기가 형성된 상태에서 공기극의 백금 촉매 표면의 산화물 제거가 용이하게 일어나게 된다.
이에, 상기 공기극의 잔존산소를 빠르게 제거하기 위해서 역전압이 걸리지 않는 범위 내에서 셧다운 전에 순환 전압전류 펄스를 인가하는 공정이 필요한 것이고, 이러한 순환 전압전류 펄스 인가 공정에 의하여 셀 전위가 0V로 빠르게 전압 강하하며 산소가 제거되는 상태가 된다.
이렇게 공기극의 산소 제거상태에서 상기와 같이 공기극 측에 수소가 펌핑되어 환원 분위기가 형성되고 스택에 순환 전류전압 펄스를 지속적으로 인가하면, 수소의 환원 분위기에 의하여 공기극에 포함된 백금 표면의 산화물 환원의 반응속도를 높일 수 있고, 결국 공기극 촉매의 활성을 가속화시킬 수 있다.
특히, 연료전지 스택 활성화를 위한 고전류 인가시 순환 전압전류 펄스를 연속적으로 인가하여, 활성화 중 고전류 펄스 운전을 통한 공기극 촉매층 내 생성수의 균등한 재분배가 이루어지고, 또한 촉매층 환원 구간(도 4에서, "Fast(Anodic)"으로 지시한 부분으로서, 예를 들어 전압이 0.63V → 0.55V 로 하강하는 구간)에서 백금 에지부분에 존재하는 …OH 와 …CO 제거로 인하여 공기극 백금촉매 활성 증대가 이루어짐으로써, 연료전지 스택의 활성화 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 실시예를 통해 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
실시예1
연료전지 스택을 일정 시간(도 2 참조 : 2분 30초) 동안 순환 전압전류 펄스를 인가하여 운전시키되, 하한치 전압과 상한치 전압 범위가 0.55V ~ 0.58V(도 5 실시예1 표기 참조)로 설정된 펄스로 스윕 운전하는 공정과, 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 수회(도 3 참조 : 13회) 반복 실시하였다.
실시예2
연료전지 스택을 일정 시간(도 2 참조 : 2분 30초) 동안 순환 전압전류 펄스를 인가하여 운전시키되, 하한치 전압과 상한치 전압 범위가 0.55V ~ 0.63V(도 5 실시예2 표기 참조)로 설정된 펄스로 스윕 운전하는 공정과, 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 수회(도 3 참조 : 13회) 반복 실시하였다.
실시예3
연료전지 스택을 일정 시간(도 2 참조 : 2분 30초) 동안 순환 전압전류 펄스를 인가하여 운전시키되, 하한치 전압과 상한치 전압 범위가 0.55V ~ 0.75V(도 5 실시예2 표기 참조)로 설정된 펄스로 스윕 운전하는 공정과, 연료전지 스택의 공기극 반응면에 수소를 펌핑하는 셧다운 유지 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 수회(도 3 참조 : 13회) 반복 실시하였다.
시험예
상기한 실시예1,2,3에 따른 활성화 공정을 20분 동안 진행한 후, 통상의 장비를 이용하여 활성화도(%)를 측정하였는 바, 그 결과는 도 6의 그래프에 나타낸 바와 같다.
도 6에서 보듯이, 실시예1,2,3에 따른 활성화 공정을 20분 동안 진행한 결과, 실시예1,2,3 모두 90% 이상의 활성화도를 나타냄을 알 수 있었다.
특히, 하한치 전압과 상한치 전압 범위가 0.55V ~ 0.58V로 설정된 실시예1의 경우 활성화도가 목표치(95%)를 상회하는 것을 알 수 있었으며, 이는 0.6V 이하의 낮은 전압 구간에서 순환전압 전류법 적용시 촉매의 환원력 증대 즉, 백금 에지부분(Edges sites)에서의 산화물까지 환원이 이루어진 것에 기인하는 것이다.
이상에서 본 바와 같이, 연료전지 스택 활성화를 위한 고전류 인가시 순환 전압전류 펄스를 연속적으로 인가함으로써, 기존 대비 연료전지 스택의 활성화 속도보다 빠르게 증가시킬 수 있고, 그에 따라 활성화 시간을 기존 약 35분 대비 약 20분으로 약 42% 가량 크게 단축시킬 수 있으며, 또한 활성화 시간을 크게 단축시킴에 따라 활성화 공정 중 사용되는 수소 소모량도 기존 약 0.6kg에서 0.4Kg으로 크게 줄일 수 있다.

Claims (10)

  1. 연료전지 스택에 일정 시간 동안 고전류를 인가하되 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정을 수회 이상 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 특정한 순환 전압전류 펄스로 인가하는 공정과, 상기 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정으로 이루어진 단위 프로파일을 10 ~ 20회 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 상한치 전압을 0.75V 이하로 규제하고, 하한치 전압을 0.55V 이상으로 규제하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 0.55 ~ 0.6V 구간에서 전류를 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 상한전압 대비 하한전압의 유지시간을 상대적으로 길게 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 전압전류 펄스 인가시, 전압전류 펄스의 촉매 환원(anodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도를 촉매 산화(cathodic)쪽 스윕(Sweeping) 속도보다 느리게 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환 전압전류 펄스 횟수는 활성화도(%)에 따라 차등적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 활성화도(%)가 낮으면 낮을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 작게 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 활성화도(%)가 높으면 높을수록 순환 전압전류 펄스 횟수를 크게 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 셧다운을 유지하는 공정은 연료전지 스택의 공기극 반응면에 일정 시간 동안 수소를 펌핑하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 연료전지 스택의 활성화 가속 방법.
KR1020160031289A 2016-03-16 2016-03-16 연료전지 가속 활성화 방법 KR101795222B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160031289A KR101795222B1 (ko) 2016-03-16 2016-03-16 연료전지 가속 활성화 방법
US15/341,064 US10256487B2 (en) 2016-03-16 2016-11-02 Method of accelerating fuel cell activation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160031289A KR101795222B1 (ko) 2016-03-16 2016-03-16 연료전지 가속 활성화 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170107679A true KR20170107679A (ko) 2017-09-26
KR101795222B1 KR101795222B1 (ko) 2017-11-07

Family

ID=59856003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160031289A KR101795222B1 (ko) 2016-03-16 2016-03-16 연료전지 가속 활성화 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10256487B2 (ko)
KR (1) KR101795222B1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10522859B2 (en) * 2017-05-01 2019-12-31 GM Global Technology Operations LLC Dynamic low-power control of cell voltage in a fuel cell stack during low-power operating modes
CN109950581B (zh) * 2019-01-28 2021-11-05 江苏乾景新能源产业技术研究院有限公司 一种磷酸掺杂聚苯并咪唑高温膜燃料电池膜电极快速活化方法
CN111900381B (zh) * 2019-05-05 2021-11-02 香港城市大学深圳研究院 对铁氰化铁进行活化的方法以及由此制备的锌离子电池
KR102026151B1 (ko) 2019-06-27 2019-09-27 서울대학교산학협력단 연료전지 스택의 활성화 장치
EP3760683B1 (de) 2019-07-04 2024-04-03 Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG Verfahren zur herstellung einer katalysator-beschichteten membran
CN111916798B (zh) * 2020-07-14 2023-05-12 大连锐格新能源科技有限公司 一种电堆活化的多通道管理方法
CN111916799B (zh) * 2020-07-27 2021-12-03 一汽解放汽车有限公司 一种质子交换膜燃料电池的活化方法
CN111916800B (zh) * 2020-07-28 2021-07-09 上海神力科技有限公司 一种燃料电池膜电极的活化方法及应用
CN113097538B (zh) * 2021-04-13 2022-04-15 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池快速活化方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003163009A (ja) 2001-11-27 2003-06-06 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池
KR100647675B1 (ko) 2005-01-21 2006-11-23 삼성에스디아이 주식회사 연료전지의 수명 평가용 가속 테스트 방법
US8153319B2 (en) * 2007-11-13 2012-04-10 Honda Motor Co., Ltd. System and method for purging condensate from an electrochemical cell stack prior to operation
US9786934B2 (en) * 2009-07-08 2017-10-10 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Performance recovery of a fuel cell
JP5545378B2 (ja) * 2011-02-16 2014-07-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムとこれを搭載した車両
KR101776314B1 (ko) 2011-07-18 2017-09-08 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 활성화 장치 및 방법
JP5713839B2 (ja) 2011-08-11 2015-05-07 本田技研工業株式会社 燃料電池の活性化方法
JP5587286B2 (ja) * 2011-12-28 2014-09-10 本田技研工業株式会社 燃料電池の活性化方法
KR101575415B1 (ko) 2013-10-14 2015-12-09 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 성능 회복 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101795222B1 (ko) 2017-11-07
US20170271693A1 (en) 2017-09-21
US10256487B2 (en) 2019-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101795222B1 (ko) 연료전지 가속 활성화 방법
KR100941256B1 (ko) 연료전지 가속 활성화 방법
KR101091668B1 (ko) Ｃｖ 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 ｍｅａ의활성화 방법
US9991534B2 (en) Method and apparatus for recovering performance of fuel cell stack
KR101684114B1 (ko) 연료전지 스택의 활성화 가속 방법
KR101033889B1 (ko) 연료전지 가속 활성화 장치 및 방법
KR101575415B1 (ko) 연료전지 스택의 성능 회복 방법
US11081713B2 (en) Fuel cell activation method
JP5713839B2 (ja) 燃料電池の活性化方法
JP2004288638A (ja) 電気化学発電
KR101782353B1 (ko) 연료전지 시스템 냉시동 방법
JP2009199834A (ja) 燃料電池のエージング方法
JP5073446B2 (ja) 固体高分子型燃料電池のエージング装置及び運転方法
JP2006040868A (ja) 燃料電池の特性復帰方法および特性復帰装置
KR101394686B1 (ko) 연료전지 스택의 성능 회복 방법
KR20160066953A (ko) 초기 내구성 향상을 위한 연료전지 활성화 공정
CN112956059B (zh) 具有改善的性能恢复的用于操作电化学燃料电池堆的方法和系统
KR101586569B1 (ko) 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법
CN109599579B (zh) 燃料电池的输出检测方法
KR20070095686A (ko) 패시브형 연료전지 시스템의 특성회복방법
JP2014239017A (ja) ダイレクトメタノール型燃料電池の活性化方法
CN109638322B (zh) 燃料电池的输出检测方法
JP2009104921A (ja) 固体高分子型燃料電池の運転方法
KR0123743B1 (ko) 연료전지 전극의 전처리 방법
JP2021128868A (ja) 燃料電池のエージング方法

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