KR20200074539A - 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 기존의 연료전지 내구성 평가 방법과 다른 새로운 연료전지 내구성 평가 방법을 도입함으로써, 연료전지의 성능 하락 시 연료전지의 문제 요소를 정확히 파악할 수 있는 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 기존의 연료전지 내구성 평가 방법과 다른 새로운 연료전지 내구성 평가 방법을 도입함으로써, 연료전지의 성능 하락 시 연료전지의 문제 요소를 정확히 파악할 수 있는 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료전지는 낮은 온도에서 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 높은 에너지 전환 효율을 갖고, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서 전력 공급원으로 각광받고 있다. 연료전지는 수소와 산소가 막 전극 접합체(MEA)에 제공되어 전기 화학적 반응을 일으켜, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이러한 연료전지는 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 제공받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 전해질막으로 고분자 물질을 사용하고 전해질막의 양면에 애노드와 캐소드 촉매 전극층이 위치하여 막 전극 접합체가 형성된다. 특히, 고분자 전해질 연료전지는 최소 5,000시간에서 최대 40,000 시간의 긴 작동수명과 높은 출력 밀도, 높은 에너지 효율의 장점 때문에 건물용 연료전지에 주로 사용한다. 이러한 건물용 고분자 전해질 연료전지는 자동차용이나 가정용과 다르게 상대습도 80% 이상에서의 고습도 조건에서 오랜 시간 동안에 사용하기 때문에 내구성이 높아야 한다. 하지만 장시간 운전하는 동안 막 전극 접합체를 구성하는 요소들이 열화되어 연료전지의 수명을 단축시킨다. 이와 관련하여, 연료전지의 정확한 내구성 평가 방법이 필요한 실정이다.
하지만, 현재 연료전지 내구성 평가 방법은 정형화되어 있지 않다. 연료전지의 막 또는 전극 각각의 내구성 평가 방법은 종래 기술이 사용되어 왔지만 연료전지의 막 전극 접합체 자체의 내구성 평가 방법은 정해지지 않고 자체적인 평가 방법을 사용하여 평가자에 따라 측정 결과가 달라지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 연료전지 내구성 평가 방법은 성능 변화나 전해질막, 전극 및 계면 중 어느 하나만을 측정하기 때문에 연료전지에 문제가 발생했을 때 연료전지의 문제 요소를 정확하게 파악할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 내구성 평가 방법을 정형화하여 동일하게 연료전지의 성능 평가를 할 수 있는 연료전지 막 전극 접합체 평가 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 연료전지의 성능에 대한 문제점이 발생할 시 연료전지의 문제 요소를 정확하게 파악할 수 있는 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법은 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 제1 검사 단계; 상기 연료전지를 적어도 한 번 이상 반복 사용하는 사용 단계; 및 상기 제1 검사 단계를 반복하는 제2 검사 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 검사 단계는, 연료전지 평가 장치를 작동시키는 작동 단계; 상기 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연료 가스 및 공기를 공급하는 가스 공급 단계; 상기 연료전지에 전류를 공급하는 전류 공급 단계; 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정 단계; 상기 연료 가스, 공기 및 전류를 차단하는 차단 단계; 및 상기 연료전지 평가 장치를 종료하는 종료 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 사용 단계는, 연료전지 평가 장치를 작동시키는 작동 단계; 상기 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연료 가스 및 공기를 공급하는 가스 공급 단계; 상기 연료 가스 및 공기를 차단하는 차단 단계; 및 상기 연료전지 평가 장치를 종료하는 종료 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 검사 단계와 상기 제2 검사 단계에서 측정된 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정의 결과를 비교하여 상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 성능은, 상기 연료전지의 전압을 측정하여 상기 연료전지의 성능을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 수소 투과도는, 선형 주사 전위법(LSV)을 이용해서 측정되고, 상기 연료전지의 전해질막 성능을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 전기화학적 유효 표면적은, 순환 전위 훑음법(CV)을 이용하여 측정되고, 상기 연료전지의 전극 성능을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 임피던스는, 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 측정되고, 상기 연료전지의 계면 성능을 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류 공급 단계는, 상기 연료전지에 200 ~ 300 mA/cm2의 전류 밀도를 인가할 수 있도록 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 사용 단계는, 상기 연료전지를 전기화학적 열화 가속화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치는 연료전지; 상기 연료전지에 가스를 제공해주는 가스부; 상기 연료전지에 전류를 제공해주는 전류부; 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정부; 및 상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스부는, 상기 연료전지에 가스 공급을 제어하는 가스 제어부; 상기 연료전지의 애노드 전극과 연결된 연료 가스 공급 장치; 및 상기 연료전지의 캐소드 전극과 연결된 공기 공급 장치;를 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류부는, 상기 연료전지에 전류 공급을 제어하는 전류 제어부; 및 상기 연료전지와 연결된 전류 공급 장치;를 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정부는, 전압, 선형 주사 전위법, 순환 전위 훑음법 및 전기화학적 임피던스 분광법을 이용해 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평가부는, 상기 측정부에서 측정 결과를 받아 상기 제1 검사 단계와 상기 제2 검사 단계에서 측정된 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정의 결과를 비교하여 상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 내구성 평가 방법을 정형화하여 동일하게 연료전지의 성능 평가를 할 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 연료전지의 성능에 대한 문제점이 발생할 시 연료전지의 문제 요소를 정확하게 파악할 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 검사 단계(S10)의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 단계(S20)의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치(1000)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 성능 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 수소 투과도 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 전기화학적 유효 표면적 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 임피던스 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 검사 단계(S10)의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 단계(S20)의 흐름도이다.
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도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 전기화학적 유효 표면적 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 임피던스 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 검사 단계(S10)의 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 단계(S20)의 흐름도이다.
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법은 제1 검사 단계(S10), 사용 단계(S20) 및 제2 검사 단계(S30)를 포함할 수 있다.
제1 검사 단계(S10)는 연료전지를 사용하기에 앞서 연료전지의 성능을 검사하는 단계이다. 제1 검사 단계(S10)는 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정할 수 있다. 제1 검사 단계(S10)는 작동 단계(S11), 가스 공급 단계(S12), 전류 공급 단계(S13), 측정 단계(S14), 차단 단계(S15), 종료 단계(S16)를 포함할 수 있다.
작동 단계(S11)는 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법을 위한 준비 단계로써, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치를 작동시키는 단계이다.
가스 공급 단계(S12)는 연료전지에 연료 가스와 공기를 공급해주는 단계이다. 연료전지는 연료 가스와 공기가 공급되어 작동되어 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 연료 가스는 주로 수소가 사용되고, 공기는 산소가 포함될 수 있다.
전류 공급 단계(S13)는 연료전지를 측정하기 위한 전류를 공급해주는 단계이다. 연료전지에 200 ~ 300 mA/cm2의 전류 밀도를 인가할 수 있도록 전류를 공급하여 성능을 측정할 수 있다. 여기서, 제1 검사 단계(S10)와 제2 검사 단계(S30)에 공급되는 전류의 크기는 동일하게 공급되어 연료전지의 성능이 서로 같은 조건에서 측정되는 것에 유의한다.
측정 단계(S14)는 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 각각 다른 방법으로 측정하고 연료전지의 상태를 분석하는 단계이다.
연료전지의 성능은 촉매가 형성된 전극에서의 반응속도, 전해질막을 통한 양성자의 이동 및 물질전달 속도 등에 의해 결정될 수 있다. 연료전지는 활성화 손실, 저항성 손실 및 농도 손실에 의해서 성능이 감소될 수 있다. 이러한 연료전지의 성능은 전류를 인가한 후 연료전지의 전압을 측정하여 분석할 수 있으며 연료전지의 성능 감소 유무를 판단할 수 있다.
연료전지의 수소 투과도 측정은 전해질막의 열화 정도를 분석할 수 있다. 수소 투과도를 전기화학적으로 측정하는 방법은 선형 주사 전위법(LSV)을 사용할 수 있다. 선형 주사 전위법은 애노드 전극에 수소를 공급하고 캐소드 전극에 질소를 공급하여 수소 교차에 의해 나타나는 전류 값을 측정하는 방법이다. 연료전지에 전압을 일정 속도로 증가시키면 투과된 수소가 캐소드 전극의 백금 촉매 상에서 산화 반응하여 전자를 내놓게 되는데 이 전자의 양을 측정하면 전해질막을 통과한 수소의 양을 알 수 있어 전해질막의 성능을 분석할 수 있다.
그리고, 연료전지의 전기화학적 유효 표면적 측정은 촉매 활성을 측정하여 전극의 열화 정도를 분석할 수 있다. 전기화학적 유효 표면적을 측정하는 방법은 순환 전위 훑음법(CV)을 사용할 수 있다. 순환 전위 훑음법은 일정한 전위 범위에서 일정 속도로 전위를 변화시키면서 연료전지의 전류 응답 특성을 분석하여 연료전지 전극 표면의 전기화학적 유효 표면적을 분석할 수 있다. 전극의 표면에서 수소 흡착에 필요한 전하량을 알 수 있고, 이를 통해 전극의 작용을 측정할 수 있어 연료전지의 전극 성능을 분석할 수 있다.
마지막으로, 연료전지의 임피던스 측정은 전기화학적 계면의 성능을 분석할 수 있다. 임피던스를 측정하는 방법은 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 사용할 수 있다. 연료전지에서의 전기화학적 임피던스 분광법은 애노드 전극 및 캐소드 전극에서의 전자 이동 반응에 대한 저항성 성분과 전극 계면에서의 축전지 성분 및 전해질막의 저항 및 반응물의 공급에 대한 물질전달 저항이 결합되어 복잡한 형태의 연료전지의 거동을 회로로 나타낸 등가회로를 얻을 수 있다. 그리고, 연료전지에 교류 전류를 인가하여 애노드 전극에서 수소의 산화 반응에 대한 전자 이동 저항, 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응에 대한 전자 이동 저항, 전해질막의 저항, 반응물의 물질전달 저항을 얻을 수 있다. 여기서 반응물의 물질전달 저항을 임피던스로 설정하고 오믹 저항값을 측정하여 계면의 반응성을 분석할 수 있다.
차단 단계(S15)는 연료전지의 측정을 완료하고 연료전지에 공급된 연료 가스, 공기 및 전류의 공급을 차단하는 단계이다.
종료 단계(S16)는 사용이 완료된 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치를 종료하는 단계이다.
사용 단계(S20)는 연료전지의 내구성을 평가하기 위해 연료전지를 열화 가속화하기 위한 연료전지를 반복 사용하는 단계이다. 사용 단계(S20)는 작동 단계(S21), 가스 공급 단계(S22), 차단 단계(S23) 및 종료 단계(S24)를 포함할 수 있다.
작동 단계(S21)는 연료전지를 반복 사용 하기 위해 연료전기 막 전극 접합체 내구성 평가 장치를 작동시키는 단계이다.
가스 공급 단계(S22)는 연료전지가 작동할 수 있도록 가스를 공급해 주는 단계이며, 제1 검사 단계(S10)의 가스 공급 단계(S12)와 동일하며 설명은 생략하기로 한다.
차단 단계(S23)는 연료전지(100)의 작동을 멈추기 위해 공급된 가스를 차단하는 단계이다.
종료 단계(S24)는 사용이 완료된 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치를 종료하는 단계이다.
이와 같은 사용 단계(S20)를 한 번 이상 반복 진행하여 연료전지의 열화 가속화를 촉진시켜 수명이 감소한 연료전지의 내구성 평가를 진행할 수 있다.
제2 검사 단계(S30)는 제1 검사 단계(S10)와 동일한 방법으로 연료전지를 측정하는 단계이다. 따라서, 제1 검사 단계(S10)와 제2 검사 단계(S30)에서 동일한 방법으로 측정된 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스의 측정 결과를 비교하여 연료전지의 성능 저하 문제 요소를 파악할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치(1000)의 구성도이다.
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치(1000)는 연료전지(100), 가스부(200), 전류부(300), 측정부(400) 및 평가부(500)를 포함할 수 있다.
연료전지(100)는 전해질막(120), 애노드 전극(110) 및 캐소드 전극(130)으로 구성될 수 있으며 애노드 전극(110) 및 캐소드 전극(130)에 연료 가스와 공기가 공급되어 작동될 수 있다.
가스부(200)는 연료전지(100)가 작동될 수 있도록 연료 가스와 공기를 공급해줄 수 있다. 가스부(200)는 가스 제어부(210), 연료 가스 공급 장치(220) 및 공기 공급 장치(230)를 포함할 수 있다. 연료전지(100)를 사용하기 위해 가스 제어부(210)에 신호를 인가하여 가스가 연료전지(100)로 흐르게 해줄 수 있다. 가스 제어부(210)는 연료 가스 공급 장치(220)와 공기 공급 장치(230)로 동시에 신호를 보내 연료전지(100)에 연료 가스와 공기를 공급해줄 수 있다. 이때, 연료 가스는 주로 수소 가스가 사용되며, 공기는 산소를 포함할 수 있다. 연료 가스 공급 장치(220)는 연료전지(100)의 애노드 전극(110)에 연결되어 연료 가스를 공급해줄 수 있고, 공기 공급 장치(230)는 연료전지(100)의 캐소드 전극(130)에 연결되어 공기를 공급해줄 수 있다. 연료 가스 공급 장치(220)와 공기 공급 장치(230)에 각각 연결된 연료 가스 조절 밸브(221)와 공기 조절 밸브(231)가 가스의 양을 조절해 줄 수 있다.
전류부(300)는 연료전지(100)가 작동될 수 있도록 전류를 공급해줄 수 있다. 전류부(300)는 전류 제어부(310) 및 전류 공급 장치(320)를 포함할 수 있다. 전류부(300)는 연료전지(100)를 평가할 수 있도록 전류 제어부(310)에서 신호를 인가하여 200 ~ 300 mA/cm2의 전류 밀도를 인가할 수 있도록 전류를 전류 공급 장치(320)에서 공급해줄 수 있다.
측정부(400)는 연료전지(100)의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 각각 다른 방법으로 측정할 수 있다. 연료전지(100)의 성능을 전압을 측정하여 분석할 수 있다. 연료전지(100)의 수소 투과도는 선형 주사 전위법을 이용하여 측정할 수 있다. 연료전지(100)의 전기화학적 유효 표면적은 순환 전위 훑음법을 이용하여 측정할 수 있다. 연료전지(100)의 임피던스는 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 측정할 수 있다.
평가부(500)는 연료전지(100)의 상태를 분석하여 연료전지(100)의 성능 저하 문제 요소를 파악할 수 있다. 연료전지(100)의 수소 투과도는 전해질막(120)의 성능을 분석할 수 있다. 연료전지(100)의 전기화학적 유효 표면적은 전극의 성능을 분석할 수 있다. 연료전지(100)의 임피던스는 계면의 성능을 분석할 수 있다.
<
비교예
1>
불소계 전해질막과 Pt/C 공기극을 포함하는 연료전지를 이용하여 성능을 측정 하였다. 성능 측정은 연료전지에 수소 및 산소 공급하고 연료전지의 단위 면적당 250mA의 전류를 인하하여 전압을 측정하고, 수소, 산소 및 전류 공급을 차단하는 사이클을 반복하여 전류밀도-전압 그래프로 분석하였다.
<
비교예
2>
탄화수소계 전해질막과 PtCo/C 공기극을 포함하는 연료전지를 사용하였고, 성능 측정은 비교예 1과 동일하게 실행하였다.
<
실시예
1>
불소계 전해질막과 Pt/C 공기극을 포함하는 연료전지를 이용하여 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하였다. 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스는 본 발명에 따른 내구성 평가 방법을 이용하였다.
도 3은 전류밀도-전압 성능 그래프이다. 성능은 단위 면적 당 250mA의 전류를 점진적으로 인가하면서 전압을 측정하였다.
도 4는 전압-전류밀도 수소투과도 그래프이다. 수소투과도는 선형 주사 전위법으로 측정하였다. 선형 주사 전위법은 연료전지에 65℃ 100%RH, H2:N2=0.3L/m:0.3L/m 반응 가스를 공급하고, 0V~0.6V의 전압을 점진적으로 주사하였을 때, 공급된 전압범위에서 전하량을 측정하는 방법이다.
도 5는 전압-전류밀도 유효 표면적 그래프이다. 유효 표면적은 순환 전위 훑음법으로 측정하였다. 순환 전위 훑음법은 연료전지에 65℃ 100%RH, H2:N2=0.05L/m:0L/m 반응 가스를 공급하고, 0.05V~1.2V의 전압을 점진적으로 주사하였을 때. 공급된 전압범위에서 전하량을 측정하는 방법이다.
도 6은 실수부 임피던스-허수부 임피던스 그래프이다. 임피던스는 전기화학적 임피던스 분광법으로 측정하였다. 전기화학적 임피던스 분광법은 연료전지에 65℃ 100%RH, H2:air=0.3L/m:1.2L/m 반응 가스를 공급한 후, 저항을 측정하는 방법이다.
그리고, 연료전지의 성능, 수소 투과도, 활성표면적 및 임피던스는 Scribne 사의 850e(station) 및 885-HS(potentostat)를 이용하여 측정하였다.
<
실시예
2>
탄화수소계 전해질막과 PtCo/C 공기극을 포함하는 연료전지를 사용하였고, 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정은 실시예 1과 동일하게 실행하였다.
| 샘플명 | 성능 (V) |
수소 투과도 (mA/cm2) |
||||
| 전 | 후 | 변화 | 전 | 후 | 변화 | |
| 비교예1 | 0.784 | 0.771 | 0.013 | - | - | - |
| 비교예2 | 0.762 | 0.723 | 0.039 | - | - | - |
| 실시예1 | 0.787 | 0.778 | 0.009 | 2.81 | 2.81 | 0 |
| 실시예2 | 0.759 | 0.722 | 0.037 | 0.40 | 0.43 | 0.03 |
| 샘플명 | 전기화학적 유효 표면적 (Amps/cm2) |
임피던스 (-ImZ/Ωcm2) |
||||
| 전 | 후 | 변화 | 전 | 후 | 변화 | |
| 비교예1 | - | - | - | - | - | - |
| 비교예2 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예1 | 57.4 | 46.1 | 11.3 | 62.3 | 70.9 | 8.6 |
| 실시예2 | 35.7 | 31.66 | 4.1 | 105.5 | 363.7 | 258.2 |
성능은 250mA/cm2의 전류 밀도에서 전압 값이고, 수소 투과도는 0.4V~0.5V의 그래프 절편값이고, 전기화학적 유효 표면적은 0~0.5V 범위 면적값이고, 임피던스는 0ReZ/cm2의 허수부 임피던스값이다.
상기 표 1과 표 2를 참고하여 동일한 샘플을 사용한 비교예1과 실시예1 및 비교예2와 실시예2의 측정 결과를 비교해 보면, 비교예1의 성능은 0.013 감소하였고, 실시예1의 성능은 0.009 감소하였다. 비교예2의 성능은 0.039 감소하였고, 실시예2의 성능은 0.037 감소하였다. 비교예1과 실시예1 및 비교예2와 실시예2의 성능은 모두 비슷하게 감소하여 성능 저하가 발생한 것을 알 수 있다. 하지만 비교예1 및 비교예2는 연료전지(100)의 성능 저하 문제 요소를 파악할 수 없다.
그에 반해, 실시예1 및 실시예2는 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 추가로 측정하여 연료전지의 성능 저하 문제 요소를 확인할 수 있다.
실시예1은 수소 투과도의 변화가 없고, 실시예2는 수소 투과도가 0.03 증가하였다. 실시예1 및 실시예2 모두 수소 투과도의 큰 변화 차이가 없으므로 연료전지의 전해질막에서 성능 저하는 발생하지 않았다는 점을 확인할 수 있다.
실시예1의 전기화학적 유효 표면적은 11.3 감소하였고, 실시예2의 전기화학적 유효 표면적은 4.1 감소하였다. 실시예1은 전기화학적 유효 표면적이 크게 감소하였으므로 연료전지의 전극에서 성능 저하가 발생한 것을 확인할 수 있다.
실시예1의 임피던스는 8.6 증가하였고, 실시예2의 임피던스는 258.2 증가하였다. 실시예2의 임피던스는 크게 증가하였으므로 연료전지의 계면에서 성능 저하가 발생한 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치를 활용하면 연료전지의 내구성 저하에 대한 문제 요소를 파악할 수 있다.
결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치를 활용하면 성능뿐만이 아니라 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하여 연료전지의 성능이 저하되면 전해질막, 전극 및 계면 중에서 연료전지의 문제 요소를 발견할 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치
100: 연료전지
110: 애노드 전극
120: 전해질막
130: 캐소드 전극
200: 가스부
210: 가스 제어부
220: 연료가스 공급 장치
221: 연료가스 조절 밸브
230: 공기 공급 장치
231: 공기 조절 밸브
300: 전류부
310: 전류 제어부
320: 전류 공급 장치
400: 측정부
500: 평가부
100: 연료전지
110: 애노드 전극
120: 전해질막
130: 캐소드 전극
200: 가스부
210: 가스 제어부
220: 연료가스 공급 장치
221: 연료가스 조절 밸브
230: 공기 공급 장치
231: 공기 조절 밸브
300: 전류부
310: 전류 제어부
320: 전류 공급 장치
400: 측정부
500: 평가부
Claims (15)
- 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 제1 검사 단계;
상기 연료전지를 적어도 한 번 이상 반복 사용하는 사용 단계; 및
상기 제1 검사 단계를 반복하는 제2 검사 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 검사 단계는,
연료전지 평가 장치를 작동시키는 작동 단계;
상기 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연료 가스 및 공기를 공급하는 가스 공급 단계;
상기 연료전지에 전류를 공급하는 전류 공급 단계;
상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정 단계;
상기 연료 가스, 공기 및 전류를 차단하는 차단 단계; 및
상기 연료전지 평가 장치를 종료하는 종료 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 사용 단계는,
연료전지 평가 장치를 작동시키는 작동 단계;
상기 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 연료 가스 및 공기를 공급하는 가스 공급 단계;
상기 연료 가스 및 공기를 차단하는 차단 단계; 및
상기 연료전지 평가 장치를 종료하는 종료 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 검사 단계와 상기 제2 검사 단계에서 측정된 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정의 결과를 비교하여 상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료전지의 성능은,
상기 연료전지의 전압을 측정하여 상기 연료전지의 성능을 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 연료전지의 수소 투과도는,
선형 주사 전위법(LSV)을 이용해서 측정되고, 상기 연료전지의 전해질막 성능을 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료전지의 전기화학적 유효 표면적은,
순환 전위 훑음법(CV)을 이용하여 측정되고, 상기 연료전지의 전극 성능을 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 연료전지의 임피던스는,
전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 이용하여 측정되고, 상기 연료전지의 계면 성능을 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 전류 공급 단계는,
상기 연료전지에 200 ~ 300 mA/cm2의 전류 밀도를 인가할 수 있도록 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 사용 단계는,
상기 연료전지를 전기화학적 열화 가속화하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 연료전지;
상기 연료전지에 가스를 제공해주는 가스부;
상기 연료전지에 전류를 제공해주는 전류부;
상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정부; 및
상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 가스부는,
상기 연료전지에 가스 공급을 제어하는 가스 제어부;
상기 연료전지의 애노드 전극과 연결된 연료 가스 공급 장치; 및
상기 연료전지의 캐소드 전극과 연결된 공기 공급 장치;를 포함한 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 전류부는,
상기 연료전지에 전류 공급을 제어하는 전류 제어부; 및
상기 연료전지와 연결된 전류 공급 장치;를 포함한 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 측정부는,
전압, 선형 주사 전위법, 순환 전위 훑음법 및 전기화학적 임피던스 분광법을 이용해 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 평가부는,
상기 측정부에서 측정 결과를 받아 상기 제1 검사 단계와 상기 제2 검사 단계에서 측정된 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정의 결과를 비교하여 상기 연료전지의 문제 요소를 분석하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180163052A KR20200074539A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
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|---|---|---|---|
| KR1020180163052A KR20200074539A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
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| KR1020180163052A KR20200074539A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
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