KR20180095987A - Method for activating the membrabne-electrode assembly of the fuel cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for activating a fuel cell membrane-electrode assembly. The method for activating a fuel cell membrane-electrode assembly comprises supplying a flow rate of a reaction fuel calculated according to a stoichiometric ratio in consideration of an output value of current density, thereby shortening a time required for an activation process by controlling the flow rate of the fuel supplied according to the output value.

Description

연료 전지 막-전극 집합체의 활성화 방법{Method for activating the membrabne-electrode assembly of the fuel cell}[0001] The present invention relates to a method for activating a fuel cell membrane-electrode assembly,

본 출원은 연료 전지 막-전극 집합체의 활성화 방법에 관한 것이다.The present application relates to a method for activating a fuel cell membrane-electrode assembly.

연료 전지는 수소와 같은 연료가 산소와 반응할 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지이며, 이러한 에너지 전환은 연료전지의 구성 중 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)에서 일어난다. 막-전극 집합체는 전해질막에 포함되는 구성 성분, 예를 들어 이온교환막의 기본 성분에 따라 탄화수소계 막-전극 집합체와 불소계 막-전극 집합체로 나누어 볼 수 있다.A fuel cell is a cell that converts chemical energy generated when a fuel such as hydrogen reacts with oxygen into electrical energy, and this energy conversion takes place in a Membrane-Electrode Assembly (MEA) of the fuel cell. The membrane-electrode assembly can be divided into a hydrocarbon-based membrane-electrode assembly and a fluorine-membrane-electrode assembly according to the constituents contained in the electrolyte membrane, for example, the basic components of an ion exchange membrane.

탄화수소계 막-전극 집합체는 불소계 막-전극 집합체에 비하여 단가가 낮고, 기체 투과도가 낮다는 장점이 있으나, 가습상태의 수분 유지가 힘들다는 단점이 있다. 그리고 탄화수소계 막-전극 집합체를 활성화하는 시간은 불소계-막전극 집합체를 활성화하는 시간보다 길게 소요되는 것이 일반적이다. 활성화 공정에 소요되는 시간이 길다는 것은 연료 소모가 많고, 공정 비용이 증가한다는 것이므로, 상업화를 위해서는 활성화 공정 소요 시간의 단축이 필요하다. 한편, 불소계 막-전극 집합체의 경우에도 저가습 상태에서는 활성화가 잘 이루어지지 않기 때문에, 저가습 조건에서 활성화될 경우 활성화 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 필요가 있다.The hydrocarbon-based membrane-electrode assembly has a lower unit cost and lower gas permeability than the fluorine-based membrane-electrode assembly, but has a disadvantage in that it is difficult to maintain moisture in the humidified state. And the activation time of the hydrocarbon-based membrane-electrode assembly is generally longer than the activation time of the fluorine-membrane electrode assembly. The longer activation time is fuel consumption and the higher process cost, so commercialization requires shorter activation time. On the other hand, in the case of the fluorine-based membrane-electrode assembly, activation is not performed well in a low humidification state, and therefore it is necessary to shorten the time required for the activation process when activated under low humidification conditions.

본 출원의 일 목적은 활성화 공정 시간이 단축된 막-전극 집합체의 활성화 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method of activating a membrane-electrode assembly in which the activation process time is shortened.

본 출원의 다른 목적은 연료 소모가 적고 공정 비용을 감소시킬 수 있는 막-전극 집합체의 활성화 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present application is to provide a method of activating a membrane-electrode assembly capable of reducing fuel consumption and reducing the process cost.

본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은, 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.The above and other objects of the present application can be all solved by the present application, which is described in detail below.

본 출원에 관한 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은 전지에 인가되는 전압을 소정의 시간 간격 마다 변경하면서 수행되는 방법일 수 있다.In one example of the present application, the method of activating the membrane-electrode assembly may be a method performed while changing the voltage applied to the battery at predetermined time intervals.

본 출원에 관한 다른 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 전류밀도의 출력값을 고려하여 화학양론비에 따라 계산된 유량의 반응 연료를 공급하는 방법일 수 있다.In another example of the present application, the method of activating the membrane-electrode assembly may be a method of supplying the reacted fuel at a flow rate calculated in accordance with the stoichiometric ratio in consideration of the output value of the current density.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 전류밀도의 출력값이 미리 정해진 전류밀도값 보다 큰 값을 갖는 시점부터 화학양론비에 따라 계산된 유량의 반응 연료를 공급하는 방법일 수 있다.In another example of the present application, the method of activating the membrane-electrode assembly includes a method of supplying the reacted fuel at a flow rate calculated from the time when the output value of the current density has a value larger than a predetermined current density value, Lt; / RTI >

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 전류밀도 출력값이 미리 정해진 전류밀도값 보다 작은 값을 갖는 시점까지는 반응 연료를 고정된 유량으로 공급하는 방법일 수 있다.In another example of the present application, the method of activating the membrane-electrode assembly may be a method of supplying the reactant fuel at a fixed flow rate until a time when the current density output value has a value smaller than a predetermined current density value.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 본 출원의 방법 수행 시 인가되는 전압은 정전압일 수 있다.In another example of the present application, the voltage applied during the method of the present application may be a constant voltage.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 본 출원의 방법 수행 시 인가되는 인가되는 전압은 크기가 서로 상이한 복수 개의 정전압일 수 있다.In another example of the present application, the applied voltage applied in performing the method of the present application may be a plurality of constant voltages of different magnitudes.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 본 출원의 방법 수행 시 인가되는 인가되는 복수개의 정전압은 연료 전지의 운전전압, 및 운전전압 보다 작거나 큰 크기의 정전압 중에서 선택될 수 있다.In another example of the present application, the plurality of applied constant voltages applied in performing the method of the present application can be selected from the operating voltage of the fuel cell and the constant voltage of the size smaller or larger than the operating voltage.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 본 출원의 방법 수행 시 인가되는 전압 중 하나는 개방회로전압(open circuit voltage)일 수 있다.In another example of the present application, one of the voltages applied in performing the method of the present application may be an open circuit voltage.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 인가되는 복수 개의 정전압 각각이 유지되는 시간은 서로 동일하게 설정되거나, 서로 다르게 설정될 수 있다.In another example related to the present application, the times at which each of the plurality of applied constant voltages are held may be set equal to each other, or may be set differently from each other.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 막-전극 집합체를 포함하는 단위 전지에 대하여 수행되거나, 또는 단위 전지가 복수개 적층된 연료 전지 스택에 대하여 수행될 수 있다.In another example of the present application, the method of activating the membrane-electrode assembly may be performed on a unit cell including a membrane-electrode assembly, or on a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked.

본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 탄화수소계 막-전극 집합체를 포함하는 단위 전지 또는 연료 전지 스택에 대하여 수행될 수 있다.In another example of the present application, a method of activating the membrane-electrode assembly can be performed on a unit cell or a fuel cell stack including a hydrocarbon-based membrane-electrode assembly.

본 출원에 따른 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 연료 전지의 활성화 공정에 소요되는 시간을 단축시키고, 그에 따라 활성화 공정에 소비되는 연료량과 운전 비용을 감소시킬 수 있다.The method of activating the membrane-electrode assembly according to the present application can shorten the time required for the activation process of the fuel cell, thereby reducing the amount of fuel consumed in the activation process and the operation cost.

도 1은, 실시예 및 비교예 각각에 따른 활성화 공정 적용시, 소요 시간을 비교한 그래프이다.
도 2는, 도 1과 동일한 활성화 공정을 진행하면서 특정 전류밀도에 도달하는 시간을 도시한 그래프이다.
도 3은, 도 1과 동일한 활성화 공정을 진행하면서, 시간에 따른 연료 전지의 저항 변화를 측정한 그래프이다.
FIG. 1 is a graph comparing the time required for the activation process according to each of the examples and the comparative examples.
FIG. 2 is a graph showing the time to reach a specific current density while performing the same activation process as in FIG.
FIG. 3 is a graph showing a change in resistance of the fuel cell with time while the same activation process as in FIG. 1 is performed.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 출원의 일 구체예에 따른 막전극 집합체의 활성화 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of activating the membrane electrode assembly according to one embodiment of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 출원에서 사용되는 용어 「활성화」란, 단위 전지(unit cell)나 복수의 단위 전지가 적층된 연료 전지 스택이 정상적인 운전을 시작하기 전까지, 전지가 소정의 성능(출력)을 확보할 수 있도록 수행되는 공정을 의미할 수 있다. 상기 활성화는, 전극 내 불순물을 제거하여 반응 사이트(site)를 노출시키고, 동시에 반응물과 생성물의 이동 경로를 확보할 수 있게 한다. 또한, 상기 활성화로 인한 전해질막에서의 수화(hydration)는, 건조된 전해질막을 가습하고, 수소 이온의 이동 경로를 확보할 수 있게 한다. 활성화 공정의 완료시점은, 전지의 사양이나 용도 등을 고려하여 설정된 소정의 출력이 나타나는 시점일 수 있다. 예를 들어, 특정 전압 인가시 측정된 전류밀도값이 상업적으로 요구되는 수준의 전류밀도에 수렴하는 양상을 보일 경우, 활성화가 이루어진 것, 즉 활성화가 완료된 것으로 볼 수 있다. 이러한 활성화 공정은 단위 전지나, 상기 단위 전지가 복수 개 적층된 전지 스택에 대해서 수행될 수 있다.The term " activated " as used in the present application means that the battery is provided with a predetermined performance (output) until the fuel cell stack in which a unit cell or a plurality of unit cells are stacked starts to operate normally And the like. The activation can remove the impurities in the electrode to expose the reaction site, and at the same time ensure the movement path of the reaction product and the product. In addition, the hydration in the electrolyte membrane due to the activation makes it possible to humidify the dried electrolyte membrane and to secure the movement path of hydrogen ions. The completion time of the activation process may be a time point at which a predetermined output set in consideration of the specification or use of the battery or the like appears. For example, if the measured current density value at a specific voltage application shows a convergence to a current density of a commercially required level, it can be seen that the activation is completed, that is, the activation is completed. This activation process may be performed on a unit cell or a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked.

본 출원에서 특별히 언급하지 않는 한, 연료 전지를 구성하는 단위 전지는 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 집합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)를 포함할 수 있다. 또한, 단위 전지는 반응기체를 전달하는 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물이 배출되도록 유로가 형성된 분리판, 및 반응기체와 냉각수의 누출을 방지하는 가스켓(Gasket)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 막-전극 집합체(MEA)는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 상기 2개의 전극 사이에 마련되는 전해질막을 포함할 수 있다. 그 밖에, 연료 전지의 구성은 특별히 제한되지 않으나, 상업적으로 요구되는 수준의 성능을 발휘할 수 있도록 구성된 연료 전지가 사용될 수 있다. 상업적으로 요구되는 수준의 성능을 갖는 연료 전지란, 예를 들어, 약 0.6 V의 전압을 인가할 경우, 통상 1 A/cm2 내지 2 A/cm2 전후의 전류밀도가 출력될 수 있도록 구성된 연료 전지일 수 있다.Unless specifically mentioned in the present application, a unit cell constituting a fuel cell may include a membrane-electrode assembly (MEA) in which an electrochemical reaction takes place. The unit cell includes a gas diffusion layer (GDL) for transferring a reactive gas, a separator plate for supplying a fuel and a flow path formed to discharge water generated by the reaction, and a gasket for preventing leakage of the reaction gas and the cooling water And a gasket. The membrane-electrode assembly (MEA) may include an anode, a cathode, and an electrolyte membrane provided between the two electrodes. In addition, the configuration of the fuel cell is not particularly limited, but a fuel cell configured to exhibit a commercially required level of performance may be used. A fuel cell having a commercially required level of performance is, for example, a fuel which is configured such that a current density of about 1 A / cm 2 to about 2 A / cm 2 can be output when a voltage of about 0.6 V is applied, Battery.

본 출원에서 「불소계 막-전극 집합체」라 함은, 막-전극 집합체의 전해질막 형성시 사용되는 주요 구성, 예를 들어, 이온교환막 등이 불소와 같은 할로겐 원소를 포함하도록 구성된 막-전극 집합체를 의미할 수 있다. 이와 달리, 전해질막의 주요 구성이 탄화수소계 고분자로 이루어진 막-전극 집합체는, 「탄화 수소계 막-전극 집합체」로 호칭될 수 있다.The term " fluorine-based membrane-electrode assembly " in the present application means a membrane-electrode assembly in which the main constituent used for forming the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly, for example, an ion exchange membrane or the like is configured to contain a halogen element such as fluorine It can mean. Alternatively, the membrane-electrode assembly in which the main constituent of the electrolyte membrane is made of a hydrocarbon-based polymer may be referred to as a " hydrocarbon-based membrane-electrode assembly ".

또한, 본 출원에서 특별히 달리 정의하지 않는 이상, 「반응 연료」라 함은, 연료 전지 내에서 전기 에너지로 전환될 수 있는 화학 에너지를 발생시키는데 사용되는 물질을 의미할 수 있다. 예를 들어, 반응 연료는 수소, 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소와, 공기(산소)를 포함하는 의미일 수 있다.Further, unless otherwise specified in the present application, the term " reactive fuel " may mean a material used to generate chemical energy that can be converted into electrical energy in the fuel cell. For example, the reactive fuel may be meant to include hydrocarbons such as hydrogen, methanol, butane, and air (oxygen).

본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 막-전극 집합체의 활성화 방법에 관한 것이다. 상기 활성화 방법은, 출력값에 따라 공급되는 연료의 유량을 제어하어 활성화 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 출력은, 예를 들어, 인가되는 정전압에 따라 측정되는 전류밀도일 수 있다.In one example of the present application, the present application relates to a method of activating membrane-electrode assemblies. The activation method can shorten the time required for the activation process by controlling the flow rate of the fuel supplied according to the output value. The output may be, for example, a current density measured according to an applied constant voltage.

정전압 인가시 측정되는 전류밀도와 관련하여, 정상적인 운전 전(前)의 전지는, 전극 내 불순물과 반응 사이트의 비노출, 그 밖에 건조한 전해질막 상태 등으로 인해, 상업적으로 요구되는 수준의 출력, 즉, 전류밀도를 전압 인가 후 일시에 보여줄 수 없다. 이는 활성화 공정에 투입된 전지의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 소정의 시간동안 정전압을 인가한 경우에도, 원하는 수준의 전류밀도가 일시에 얻어질 수는 없다. 예를 들어 도 1에서와 같이, 정전압이 인가되는 동안 측정되는 전류밀도는, 작은 값의 초기 출력에서 큰 값으로 증가하는 추세를 보일 수 있으며, 정전압이 인가되는 시간이 어느 정도 흐른 뒤에는 여러가지 저항 요소가 고려된 수준에서 특정 전류밀도에 수렴하는 모습을 보일 수 있다.Regarding the current density measured at the time of applying the constant voltage, the battery before the normal operation has a commercially required output level, that is, an output of a commercially required level due to impurities in the electrode, unexamination of the reaction site, The current density can not be displayed at the time of applying the voltage. This is also the case for a battery that has been put into the activation process. Therefore, even when a constant voltage is applied for a predetermined time, a desired level of current density can not be obtained at a time. For example, as shown in FIG. 1, the current density measured during the application of the constant voltage may show a tendency to increase from a small initial output to a large value. After a certain period of time when the constant voltage is applied, Can converge to a specific current density at the considered level.

이처럼, 활성화 완료 시점, 즉 전류밀도가 특정 값에 수렴하기까지는 상당 시간이 소요되기 때문에, 종래 기술에서는 과량인 일정 유량의 반응 연료를 일정시간 동안 공급하여 연료 전지의 반응을 급격히 유도하고, 출력이 증가하는데 소요되는 시간을 단축시키고자 하였다. 그러나, 반응연료를 과량으로 공급하는 것은 장비에 대한 큰 부하로 작용하며, 과유량의 반응 연료는 막-전극 집합체를 급속히 건조시키고, 전해질막에서의 수화를 방해할 수 있기 때문에, 오히려 활성화 시간 단축에 장애가 될 수 있다. 이를 고려하여, 본 출원의 활성화 방법은, 전류밀도와 반응 연료의 유량이 갖는 화학양론비(stoichmetric ratio)적 관계를 고려하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 시간경과에 따라 측정되는 전류밀도의 증가는 반응의 증가를 의미할 수 있고, 이는 더 많은 반응 연료, 예를 들어 더 많은 공기(산소)와 수소의 공급이 요구된다는 것을 의미할 수 있기 때문에, 본 출원에서는, 공급되는 반응 연료의 유량을 실시간으로 변화하는 전류밀도에 상응하는 만큼의 양으로, 또는 상기 전류밀도에서 일어날 수 있는 화학반응에 필요한 만큼의 양으로 제어하는 것이다.As described above, since it takes a considerable time to complete the activation, that is, to converge the current density to a specific value, in the related art, the reaction of the fuel cell is rapidly induced by supplying the excessive amount of the reactive fuel for a predetermined time, And to reduce the time required for the increase. However, the excessive supply of the reactive fuel acts as a large load on the equipment, and the reactive fuel at the excessive flow rate can rapidly dry the membrane-electrode assembly and hinder the hydration in the electrolyte membrane, Lt; / RTI > In view of this, the activation method of the present application can be performed in consideration of the stoichmetric ratio relationship between the current density and the flow rate of the reactive fuel. For example, an increase in the current density measured over time can mean an increase in the response, which may mean that more reactive fuel, for example, more air (oxygen) and hydrogen is required Therefore, in the present application, the flow rate of the supplied reactive fuel is controlled in an amount corresponding to the current density changing in real time, or in an amount necessary for a chemical reaction that may occur at the current density.

하나의 예시에서, 본 출원에 따른 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 전지에 인가되는 전압을 소정의 시간 간격마다 변경하면서 수행되며, 전류밀도의 출력값에 따른 화학양론비를 고려하여, 반응 연료의 유량을 제어하는 방법일 수 있다. 그에 따라 본 출원은, 과유량의 반응 연료 공급에 의한 활성화 저해 요인을 회피할 수 있다. 한편, 상기 언급한 바와 같이 활성화 완료 시점까지 전류밀도값은 증가될 뿐 아니라, 본 출원에서 인가되는 전압은 소정의 시간 간격 마다 크기가 변경될 수 있기 때문에, 화학양론비를 고려한다는 것은 공급되는 반응 연료의 유량이 실시간으로 변경될 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 화학양론비는 당업자 통상의 지식 수준에 의해서, 또는 당업자에게 널리 알려진 전산 수단에 의해서 계산될 수 있다.In one example, the method of activating the membrane-electrode assembly according to the present application is performed while changing the voltage applied to the battery at predetermined time intervals, and considering the stoichiometric ratio according to the output value of the current density, And may be a method for controlling the flow rate. Accordingly, the present application can avoid the inhibition factor of the activation by the supply of the reactive fuel at the flow rate. On the other hand, as mentioned above, since not only the current density value is increased until the completion of the activation but also the voltage applied in the present application can be changed in size at predetermined time intervals, It can mean that the flow rate of the fuel can be changed in real time. The stoichiometric ratio can be calculated by a person skilled in the art or by computerized means widely known to those skilled in the art.

하나의 예시에서, 인가되는 전압은 정전압일 수 있다. 상기 정전압의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 하기 언급되는 운전전압을 고려하여 결정될 수 있다.In one example, the applied voltage may be a constant voltage. The magnitude of the constant voltage is not particularly limited, but may be determined in consideration of, for example, the following operation voltage.

또 하나의 예시에서, 상기 인가되는 전압은 크기가 서로 상이한 복수 개의 정전압일 수 있다. 보다 구체적으로, 복수개의 정전압은, 운전전압, 및 상기 운전전압 보다 작거나 큰 크기의 정전압 중에서 선택될 수 있다. 이때, 운전전압이란, 활성화 공정 완료 후, 실제 전지 구동시에 인가되는 전압을 의미하며, 상업적인 요구 수준을 고려할 때 약 0.5 V 내지 1.0V 범위일 수 있다. In another example, the applied voltage may be a plurality of constant voltages of different magnitudes. More specifically, the plurality of constant voltages may be selected from an operating voltage and a constant voltage having a magnitude smaller than or greater than the operating voltage. Here, the operation voltage means a voltage applied at the time of actual battery operation after completion of the activation process, and may be in the range of about 0.5 V to 1.0 V in consideration of the commercial demand level.

하나의 예시에서, 상기 인가되는 전압 중 하나는 개방회로전압(open circuit voltage)일 수 있다. 개방회로 전압의 크기는 특별히 제한되지 않으며, 전지의 구성이나 그 밖의 조건에 따라 달라질 수 있다. 하나의 예시에서, 개방회로전압은 운전전압의 크기와 동일한 크기를 가질 수 있으며, 또는 운전전압의 크기보다 크거나 작은 값을 가질 수도 있다.In one example, one of the applied voltages may be an open circuit voltage. The size of the open circuit voltage is not particularly limited and may vary depending on the configuration of the battery or other conditions. In one example, the open circuit voltage may have the same magnitude as the magnitude of the operating voltage, or it may have a value that is greater or less than the magnitude of the operating voltage.

하나의 예시에서, 상기 정전압은 소정의 시간 간격을 두고 그 크기가 변경될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 복수 개의 정전압 각각이 유지되는 시간은 서로 동일하거나 다르게 설정될 수 있다. 유지 시간의 경우, 특별히 제한되지는 않으나, 연료 소모량이나 활성화 효율을 고려하여, 수초 내지 수십분 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.In one example, the constant voltage may be changed in size at a predetermined time interval. More specifically, the time at which each of the plurality of constant voltages is held may be set to the same or different from each other. In the case of the holding time, though not particularly limited, it is preferable that the holding time is selected in the range of several seconds to several tens of minutes in consideration of the fuel consumption amount and the activation efficiency.

상기 복수개의 정전압이 인가되는 순서는 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서, 운전전압, 운전전압보다 작은 크기의 전압, 및 개방회로전압(OCV)이 순서대로 인가될 수 있고, 그 후 다시 운전전압, 운전전압보다 작은 크기의 전압, 및 개방회로전압(OCV)이 차례로 인가될 수 있다. 또한, 상기와 같은 인가 주기가 활성화 완료시점까지 복수회 반복될 수 있다.The order in which the plurality of positive voltages are applied is not particularly limited. In one example, an operating voltage, a voltage less than the operating voltage, and an open circuit voltage (OCV) may be applied in sequence, and then thereafter the operating voltage, a voltage less than the operating voltage, OCV) may be applied in order. In addition, the above-described application period can be repeated a plurality of times until the activation completion time point.

하나의 예시에서, 본 출원에 따른 막-전극 집합체의 활성화 방법은, 전류밀도의 출력 값에 따라 연료의 유량을 서로 다른 방식으로 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 출원의 활성화 방법에서는, 하나의 전류밀도값을 미리 정하고, 출력, 즉 측정되는 전류밀도값이 상기 미리 정해진 전류밀도값보다 큰 값을 갖는 경우에는 화학양론비에 따라 계산된 유량의 반응연료를 공급하여 수행될 수 있고, 반대로, 측정되는 전류밀도값이 상기 미리 정해진 전류밀도값보다 작은 값을 갖는 경우에는 반응연료를 고정된 유량으로 공급하는 방식으로 수행될 수 있다. 활성화 초기에는, 매우 적은 수준의 출력이 관찰되므로 발생가능한 화학반응의 정도가 매우 작을 수 밖에 없고, 충분한 활성화를 기대할 수 없다. 따라서, 본 출원의 방법은, 활성화 초기에는 화학양론비를 고려할 때 측정된 전류밀도에 상응하는 것 보다는 다소 과량의 반응 연료를 고정된 유량으로 공급하여 충분한 활성화를 유도하고, 활성화가 어느정도 이루어진 시점부터는 화학양론비를 고려하여 반응연료의 유량을 실시간 제어할 수 있다. 이때, 출력값과 비교되는 상기 미리 정해진 전류밀도 값은, 전지에 요구되는 성능이나 활성화 공정이 수행되는 조건 등을 고려하여 설정될 수 있는 값으로서 특별히 제한되지 않는다.In one example, the method of activating the membrane-electrode assembly according to the present application can control the flow rate of the fuel in different ways according to the output value of the current density. More specifically, in the activation method of the present application, one current density value is predetermined, and when the output, that is, the measured current density value has a value larger than the predetermined current density value, the flow rate calculated according to the stoichiometric ratio And when the measured current density value is smaller than the predetermined current density value, the reactive fuel may be supplied at a fixed flow rate. In the early stage of activation, a very small level of output is observed, so that the degree of the chemical reaction that can be generated is very small, and sufficient activation can not be expected. Therefore, in the method of the present application, when a stoichiometric ratio is taken into account at the initial stage of activation, a rather excessive amount of the reaction fuel is supplied at a fixed flow rate to induce sufficient activation, The flow rate of the reaction fuel can be controlled in real time in consideration of the stoichiometric ratio. At this time, the predetermined current density value compared with the output value is not particularly limited as a value that can be set in consideration of the performance required for the battery, the conditions under which the activation process is performed, and the like.

상기 본 출원의 막-전극 집합체의 활성화 방법은 충분한 활성화 공정을 유도하면서도, 반응연료 과량 공급에 의한 활성화 저해를 방지할 수 있기 때문에, 활성화 시간을 단축시킬 수 있다. 특히, 상대습도가 80 % 이상인 고습 조건에서도 수분 유지가 용이하지 않은 탄화수소계 막-전극 집합체를 갖는 연료 전지에 대하여 본 출원의 방법이 수행될 경우, 활성화 시간 단축 효과가 두드러질 수 있다. 또한, 상대적으로 수분 유지 기능이 우수한 불소계 막-전극 집합체의 경우에도, 상대습도가 80% 미만인 저습 조건에서는 활성화가 잘 이루어지지 않기 때문에, 불소계 막-전극 집합체를 갖는 연료전지를 저가습 조건에서 사용할 경우에도 본 출원의 활성화 방법을 사용하는 것이 활성화 시간 단축에 유리하다. 도 1 내지 3은, 본 출원의 활성화 방법이 갖는 효과를 아래와 같이 구체적으로 보여준다.The activation method of the membrane-electrode assembly of the present application can shorten the activation time because it can prevent the activation inhibition by the excessive supply of the reactive fuel, while leading to a sufficient activation process. Particularly, when the method of the present application is carried out for a fuel cell having a hydrocarbon-based membrane-electrode assembly in which water retention is not easy even in a high humidity condition where the relative humidity is 80% or more, the activation time shortening effect can be remarkable. In addition, even in the case of the fluorine-based membrane-electrode assembly having a relatively high moisture-retaining function, the fuel cell having the fluorine-based membrane-electrode assembly can not be used under low humidification conditions It is advantageous to shorten the activation time by using the activating method of the present application. Figs. 1 to 3 specifically show the effects of the activation method of the present application as follows.

도 1은, 본 출원의 일례에 따른 활성화 공정의 적용례와 과량의 반응 연료가 공급된 활성화 공정의 적용례 간에 활성화 소요시간을 비교한 그래프이다. 구체적으로, 0.6 V를 5분 간 인가하고, 이후 0.4 V를 15초 간 인가한 후, OCV(open circuit voltage)를 15초 간 유지하는 방식으로 정전압을 반복적으로 인가하면서, 측정된 전류밀도를 시간에 따라 기록한 그래프이다. 이때, 0.5 V 내지 0.6 V는 사용된 연료전지가 나타내는 출력이 최대가 되는 전압이며, 0.6 V는 사용된 전지의 운전 전압이다. 또한, 운전전압이 아닌 0.4V는 가혹 조건을 고려하여 부여된 정전압이다. 도 1에서, 비교예는 수소(H2)를 1slpm로, 공기를 3slpm으로 공급한 경우이다. 또한, 실시예는 0.2A/cm2 전류밀도가 측정되기 전까지 수소 : 공기의 유량비를 1.5: 2.0으로 고정시키고, 측정된 전류밀도의 값이 0.2A/cm2를 초과하는 시점부터는 전류밀도에 맞추어 화학양론비에 따라 수소 : 공기의 유량비를 제어한 경우이다. 실시예와 비교예 모두 탄화수소계 막-전극 집합체를 포함하도록 구성된 연료 전지에 대하여 수행되었다. 도 1로부터, 본 출원 실시예의 방법을 사용할 경우, 운전전압에서 측정되는 전류밀도가 약 2.0 A/cm2의 값에 수렴하는 시점이 비교예 대비 2 배 이상 짧아졌다는 것을 확인할 수 있다.FIG. 1 is a graph comparing the activation time between an application example of the activation process according to an example of the present application and an application example of the activation process in which excess reaction fuel is supplied. Specifically, 0.6 V was applied for 5 minutes, and then 0.4 V was applied for 15 seconds, and OCV (open circuit voltage) was maintained for 15 seconds. The constant current was repeatedly applied, As shown in FIG. At this time, 0.5 V to 0.6 V is the voltage at which the output of the fuel cell used is the maximum, and 0.6 V is the operating voltage of the used battery. In addition, 0.4V, not the operating voltage, is a constant voltage given in consideration of a severe condition. In Fig. 1, the comparative example is a case where hydrogen (H 2 ) is supplied at 1 slpm and air is supplied at 3 slpm. The flow rate ratio of hydrogen: air was fixed at 1.5: 2.0 until the current density of 0.2 A / cm 2 was measured. When the measured current density value exceeded 0.2 A / cm 2 , And the ratio of hydrogen to air is controlled according to the stoichiometric ratio. Both Example and Comparative Example were performed on a fuel cell configured to include a hydrocarbon-based membrane-electrode assembly. It can be seen from FIG. 1 that when the method of the present embodiment is used, the time point at which the current density measured at the operating voltage converges to a value of about 2.0 A / cm 2 is twice or more shorter than that of the comparative example.

도 2는, 도 1과 동일한 활성화 공정을 진행하면서, 특정 전류밀도에 도달하는 시간을 비교한 것이다. 특정된 전류밀도 모두에 대한 도달시간이 실시예에서 더 빠르게 관찰됨을 확인할 수 있다. 2 compares the time required to reach a specific current density while performing the same activation process as in Fig. It can be seen that the arrival times for all of the specified current densities are observed more rapidly in the examples.

도 3은, 도 1과 동일한 활성화 공정을 진행하면서, 시간에 따른 연료 전지의 저항 변화를 측정한 것이다. 실시예의 경우, 비교예 대비 저항의 절대값뿐 아니라 저항의 변화 정도가 작다는 것을 확인할 수 있다. 이는 실시예 공정이 비교예 공정보다 빠른 수화와 단축된 활성화 시간을 제공한다는 것을 의미한다.3 is a graph showing changes in resistance of the fuel cell over time while the same activation process as that of FIG. 1 is performed. In the case of the embodiment, it can be seen that the degree of change of the resistance as well as the absolute value of the resistance is small compared with the comparative example. This means that the example process provides faster hydration and shorter activation times than the comparative process.

상기 설명된 본 출원의 예시들은 예시 목적을 위해 개시된 것일 뿐이다. 본 출원이 속하는 기술분야에 대하여 통상의 지식을 갖는 당업자라면, 본 출원의 사상과 범위 안에서 상기 본 출원의 예시들에 대하여 다양한 수정, 변경 및/또는 부가를 할 수 있을 것이다. 이러한 수정, 변경, 및 부가는 본 출원의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The examples of the present application described above are only disclosed for illustrative purposes. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, changes, and / or additions may be made to the examples of the present application within the spirit and scope of the present application. Such modifications, alterations, and additions should be regarded as falling within the scope of the claims of the present application.

Claims (9)

전지에 인가되는 전압을 소정의 시간 간격 마다 변경하면서 수행되는 막-전극 집합체의 활성화 방법으로서, 상기 방법은,
전류밀도의 출력값을 고려하여, 화학양론비에 따라 계산된 유량의 반응 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
A method for activating a membrane-electrode assembly performed while changing a voltage applied to a cell at predetermined time intervals,
Wherein the reaction fuel is supplied at a flow rate calculated in accordance with the stoichiometric ratio in consideration of the output value of the current density.
제1항에 있어서, 상기 방법은,
전류밀도의 출력값이 미리 정해진 전류밀도값 보다 큰 값을 갖는 시점부터 화학양론비에 따라 계산된 유량의 반응 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
The method of claim 1,
Wherein the reaction fuel is supplied at a flow rate calculated according to a stoichiometric ratio from a point at which the output value of the current density has a value larger than a predetermined current density value.
제2항에 있어서, 상기 방법은,
전류밀도 출력값이 미리 정해진 전류밀도값 보다 작은 값을 갖는 시점까지는 반응 연료를 고정된 유량으로 공급하는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the reactive fuel is supplied at a fixed flow rate until a time when the current density output value has a value smaller than a predetermined current density value.
제1항에 있어서, 상기 인가되는 전압은 정전압인 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
The method for activating a membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the applied voltage is a constant voltage.
제4항에 있어서, 상기 인가되는 전압은 크기가 서로 상이한 복수 개의 정전압이고, 상기 복수개의 정전압은 연료 전지의 운전전압, 및 상기 운전전압 보다 작거나 큰 크기의 정전압 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the applied voltage is a plurality of constant voltages having different magnitudes, and the plurality of constant voltages are selected from an operating voltage of the fuel cell and a constant voltage of a magnitude smaller than or greater than the operating voltage. - Activation of the electrode assembly.
제4항에 있어서, 상기 인가되는 전압 중 하나는 개방회로전압(open circuit voltage)인 것을 특징으로 하는 막-전극-집합체의 활성화 방법.
5. The method of claim 4, wherein one of the applied voltages is an open circuit voltage.
제5항에 있어서, 상기 인가되는 복수 개의 정전압 각각이 유지되는 시간은 서로 동일하게 설정되거나, 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 막-전극-집합체의 활성화 방법.
6. The method according to claim 5, wherein the times at which the plurality of applied positive voltages are held are set to be equal to each other or set differently from each other.
제1항에 있어서, 상기 방법은 막-전극 집합체를 포함하는 단위 전지에 대하여 수행되거나, 또는 상기 단위 전지가 복수개 적층된 연료 전지 스택에 대하여 수행되는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.
The method of claim 1, wherein the method is performed on a unit cell including a membrane-electrode assembly, or is performed on a plurality of stacked fuel cell stacks.
제8항에 있어서, 상기 방법은 탄화수소계 막-전극 집합체를 포함하는 단위 전지 또는 연료 전지 스택에 대하여 수행되는 것을 특징으로 하는 막-전극 집합체의 활성화 방법.9. The method of claim 8, wherein the method is performed on a unit cell or fuel cell stack comprising a hydrocarbon-based membrane-electrode assembly.
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