KR20200074541A - 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, 서로 다른 두 전압을 인가하는 사이클을 반복하여 연료전지의 열화를 가속시켜 단시간에 연료전지의 성능 하락 요인을 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, 서로 다른 두 전압을 인가하는 사이클을 반복하여 연료전지의 열화를 가속시켜 단시간에 연료전지의 성능 하락 요인을 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 서로 다른 두 전압을 인가하는 사이클을 반복하여 연료전지의 열화를 가속시켜 단시간에 연료전지의 내구성을 평가할 수 있는 연료전지 막 전극 접합체 내구성 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 연료전지에 반응가스를 공급하는 준비 단계; 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 제1 측정 단계; 상기 연료전지에 제1 전압인가 후 제2 전압을 인가하는 사이클을 반복하는 작동 단계; 및 상기 제1 측정 단계를 반복하는 제2 측정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 측정 단계는, 상기 연료전지에 전류를 인가하는 단계; 및 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 측정 단계는, 상기 제1 측정 단계에 인가되는 전류와 동일한 값의 전류가 인가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동 단계에서, 제1 전압은 제2 전압보다 낮은 전압인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내구성 평가 방법은, 상기 제1 및 제2 측정 단계에서 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 값을 비교하여 상기 연료전지 내구성의 저하 요인을 분석하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치는 연료전지에 반응가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 연료전지에 전류 및 전압을 인가하는 인가부; 상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 분석하여 상기 연료전지의 내구성을 평가하는 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스부는, 상기 연료전지의 연료극에 연료 가스를 공급하는 제1 가스부; 상기 연료전지의 공기극에 산소를 공급하는 제2 가스부; 및 상기 제1 및 제2 가스부를 제어하는 가스 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인가부는, 상기 연료전지에 전류를 인가하는 전류 인가부; 상기 연료전지에 전압을 인가하여 상기 연료전지에 작동 사이클을 한 번 이상 반복시키는 전압 인가부; 및 상기 전류 및 전압 인가부의 작동 순서를 제어하는 인가 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정부는, 전압, 선형 주사 전위법, 순환 전위 훑음법 및 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평가부는, 상기 연료전지에 전압이 인가되기 전과 상기 전압이 반복적으로 인가된 후 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 비교 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연료전지의 내구성 평가 방법을 정형화하여 동일하게 연료전지의 성능 평가를 할 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 서로 다른 두 전압을 인가하는 사이클을 반복하여 연료전지의 열화를 가속시켜 단시간에 연료전지의 내구성을 평가할 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 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치(100)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 성능 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 수소 투과도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 전기화학적 유효 표면적 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 임피던스 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치(100)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 성능 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 수소 투과도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 전기화학적 유효 표면적 그래프이다.
도 6은 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.
<연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법은 준비 단계(S100), 제1 측정 단계(S200), 작동 단계(S300) 및 제2 측정 단계(S400)를 포함할 수 있다.
준비 단계(S100)는 연료전지에 반응가스를 공급하는 단계로, 연료전극의 연료극(anode) 전극에는 연료 가스인 수소를 공급하고 공기극(cathode) 전극에는 산소를 공급할 수 있다. 따라서, 준비 단계(S100)는 연료전지에 화학반응을 개시되어 연료극에는 양성자와 전자가 생산되고, 양성자는 전해질막을 통과하여 공기극에 공급되는 산소와 만나 물을 생산한다. 이와 같은 화학반응에 의해 발생된 전자는 외부 회로를 통해 전기 에너지로 사용될 수 있다.
제1 측정 단계(S200)는 화학반응이 개시된 연료전지의 초기 성능을 측정하는 단계이다.
제1 측정 단계(S200)는 연료전지에 전류를 인가하는 단계(S210) 및 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 단계(S220)를 포함할 수 있다.
전류를 인가하는 단계(S210)에서 인가되는 전류의 양은 연료전지의 단위 면적 당 200~250mA 인가되는 것이 바람직하다. 이는, 성능 측정 시, 같은 출력을 내는 연료전지라도 크기가 작은 연료전지가 크기가 큰 연료전지보다 성능이 높기 때문에 전류밀도(Current Density, mA/cm2)를 사용하는 것이 바람직하다.
측정하는 단계(S220)에서 성능은 전압을 측정하여 전류밀도-전압 그래프에 의해 측정될 수 있다. 연료전지의 성능이 저하되는 원인은 활성화 손실, 저항 손실, 집중손실(Mass Transport rdlated Loss) 등이 있을 수 있다.
본 발명은 연료전지의 성능 저하 원인을 파악하기 위해 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 더 측정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수소 투과도는 연료전지의 성능 저하 원인 중 집중손실을 측정하는 요인이다.
연료전지의 성능 저하 원인인 집중손실은 공기극에서 사용되는 전자와 연료극에서 생산되는 전자의 양이 맞지 않아 발생되는 성능 저하입니다. 즉, 전류가 증가함에 따라 전기화학반응에 필요한 수소의 양이 증가되어야 하는데 농도구배로 이동하는 수소의 공급이 원활하지 못해 발생하는 성능 저하입니다.
전기화학적 유효 표면적은 활성화 손실을 측정하는 요인이다. 화학반응이 일어나기 위해서는 활성화 에너지 이상의 에너지를 공급해야 한다. 따라서, 연료전지가 화학반응을 하기 위해서는 활성화 에너지 손실이 초기에 일어나게 된다. 따라서, 전기화학적 유효 표면적은 백금 표면에서 수소의 흡착에 필요한 전하량을 측정하여 수소 흡착에 사용되는 전하량과 측정된 전하량을 이용하여 합성된 백금 촉매의 활성 면적을 구할 수 있다.
마지막으로 임피던스는 저항손실을 측정하는 요인이다. 저항손실은 전류가 커질수록 전해질을 통해 전하가 많이 이동하게 되고, 이에 따라 저항이 커지게 되어 나타나는 손실이다. 따라서, 임피던스는 연료전지에 교류 전류를 인가하여 연료의 산화반응에 대한 전자 이동 저항, 산소 환원반응에 대한 전자 이동 저항, 전해질막의 저항, 반응물의 물질전달 저항을 측정할 수 있다.
작동 단계(S300)는 사이클(cycle)이 반복되는 단계로, 연료전지의 열화 가속화를 촉진시켜 단시간에 연료전지의 내구성 변화를 줄 수 있는 단계이다.
여기서, 사이클은 연료전지에 제1 전압을 인가하는 단계(S310) 및 연료전지에 제2 전압을 인가하는 단계(S320)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 전압은 제2 전압보다 낮은 것을 특징으로 하고, 제1 전압과 제2 전압은 동일한 시간 동안 인가될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 전압은 0.9V, 제2 전압은 1.4V로 인가될 수 있고, 제1 및 제2 전압 모두 15초 동안 인가될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 작동 단계(S300)는 연료전지에 0.9V의 전압을 15초 동안 인가하는 단계(S310) 및 연료전지에 1.4V의 전압을 15초 동안 인가하는 단계(S320)를 포함할 수 있다.
제2 측정 단계(S400)는 상술된 제1 측정 단계(S200)를 반복하는 단계이다.
나아가, 본 발명에 따른 내구성 평가 방법은 제1 측정 단계(S200) 및 제2 측정 단계(S400)에서 측정된 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 값을 비교하여 연료전지 내구성의 저하 요인을 분석하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 내구성 평가 방법은 성능 뿐만 아니라 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스도 측정함으로써, 제2 측정 단계(S400)에서 측정된 성능이 제1 측정 단계(S200)에서 측정된 성능보다 감소되었을 경우 그 원인을 찾을 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 제2 측정 단계(S400)는 제1 측정 단계(S200)와 동일한 조건에서 실행되어야 한다. 즉, 제2 측정 단계(S400)의 성능 감소는 제1 측정 단계(S200)와 같은 전류밀도에서 연료전지의 전압을 비교하여 감소 유무로 분석할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 성능 측정은 제1 측정 단계(S200)에서 단위 면적당 250mA의 전류를 1시간 동안 인가하면, 제2 측정 단계(S400)에서도 단위 면적당 250mA의 전류를 1시간 동안 인가한 후 동일 전류밀도에서 전압을 비교한다.
나아가, 제2 측정 단계(S400)에서 측정된 성능이 저하됐을 경우, 성능 저하의 원인을 파악하기 위해 제1 측정 단계(S200)와 제2 측정 단계(S400)에서 측정 및 분석된 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 그래프를 비교할 수 있다.
수소 투과도는 전압-전류밀도 그래프에서 같은 전압 범위의 전류밀도값을 비교하고, 전기화학적 유효 표면적은 전압-전류밀도 그래프에서 같은 전압 범위의 x축과 그래프 사이 면적을 비교하며, 임피던스는 실수부 임피던스-허수부 임피던스 그래프에서 처음 실수부 임피던스의 허수부 임피던스 값을 비교하여 그 변화값을 분석할 수 있다. 이때, 임피던스 그래프는 y축값이 0인 x축 아래가 양의 값으로, y축값이 낮을수록 저항손실이 작은 것을 특징으로 한다.
<연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치>
본 발명에 따른 내구성 평가 장치(100)는 가스 공급부(10), 인가부(20), 측정부(30) 및 평가부(40)를 포함할 수 있다.
가스 공급부(10)는 연료전지에 반응가스를 공급하는 구성으로, 연료극에는 수소 가스를 공기극에서는 산소를 공급할 수 있다. 따라서, 가스 공급부(10)는 연료전지의 연료극에 수소 가스를 공급하는 제1 가스부(11), 연료전지의 공기극에 산소를 공급하는 제2 가스부(12) 및 제1 가스부(11) 및 제2 가스부(12)를 제어가는 가스 제어부(13)를 포함할 수 있다.
가스 제어부(13)는 내구성 평가 장치(100)의 온(on)/오프(off) 상태에 따라 연료전지에 반응가스를 공급 및 차단을 제어할 수 있다. 즉, 내구성 평가 장치(100)가 온상태이면 제1 및 제2 가스부(11, 12)를 제어하여 연료전지에 수소 및 산소를 공급할 수 있고, 내구성 평가 장치(100)가 오프상태이면 제1 및 제2 가스부(11, 12)를 제어하여 연료전지에 가스 공급을 중단할 수 있다.
인가부(20)는 연료전지에 전류 및 전압을 인가하는 구성으로, 전류 인가부(21), 전압 인가부(22) 및 인가 제어부(23)를 포함할 수 있다.
전류 인가부(21)는 연료전지에 전류를 인가하는 구성으로, 후술되는 측정부(30)가 성능을 측정할 때 연료전지에 단위면적당 기 설정된 값의 전류를 인가할 수 있다.
전압 인가부(22)는 연료전지에 전류를 인가하는 구성으로, 내구성 평가를 위해 연료전지를 작동시키기 위해 전압을 인가하여 연료전지의 열화 가속화를 촉진시킬 수 있다. 따라서, 전압 인가부(22)는 연료전지에 전압을 인가하여 작동 사이클 반복할 수 있다. 여기서, 작동 사이클은 연료전지에 제1 전압을 인가한 후, 제2 전압을 인가하는 순환이다.
인가 제어부(23)는 전류 및 전압 인가부(21, 22)를 제어하는 구성으로, 전류 및 전압 인가부(21, 22)의 작동 순서 및 전압 인가부(22)의 작동 사이클을 제어할 수 있다.
우선, 인가 제어부(23)는 측정부(30)에서 성능 측정 요청 데이터를 수신하면, 전류 인가부(21)를 작동시켜 연료전지에 전류를 인가할 수 있다.
그리고, 인가 제어부(23)는 측정부에서 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 완료 데이터를 수신하면, 연료전지가 작동 사이클을 반복할 수 있게 전압 인가부(22)를 작동시킬 수 있다.
나아가, 내구성 평가 장치(100)는 입력부(도시되지 않음)을 더 포함하여 작동 사이클의 반복 횟수 데이터를 입력하여 인가 제어부(23)에 송신할 수 있다.
측정부(30)는 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 구성이다. 그리고, 측정부(30)는 성능 측정부 및 전기화학분석(Potentiostat)부를 포함할 수 있다.
성능 측정부는 전류 인가부(21)에서 전류가 인가될 때, 전압을 측정하는 구성으로 성능을 전류밀도-전압 그래프로 분석할 수 있다.
전기화학분석부는 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 구성으로, 선형 주사 전위법(LSV), 순환 전위 훑음법(CV) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통해 측정 및 분석할 수 있다.
선형 주사 전위법 및 순환 전위 훑음법은 연료전지에 일정범위의 전압을 점진적으로 일정한 속도로 주사하게 되면 특정 전압에서 산화 또는 환원이 일어나고 그 결과 발생하는 전류가 흐를 때, 가해진 전압에 따른 전류값을 측정하는 방법이다.
선행 주사 전위법은 연료전지에 전압을 일정 속도로 증가시키면 투과된 수소가 공기극의 백금 촉매 상에서 산화 반응하여 전자를 내놓게 되는데 이 전자의 양을 측정하면 전해질막을 통과한 수소의 양을 알 수 있어 전해질막의 수소투과도를 분석할 수 있다.
그리고, 순환 전위 훑음법은 공기극의 백금 표면에 수소의 흡착에 필요한 전하량을 측정하여 유효 표면적을 분석할 수 있다.
선형 주사 전위법 및 순환 전휘 훑음법은 공기극에 질소를 공급하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 가스부 및 전기화학분석부 중 어느 하나 이상에는 질소 가스를 공급하는 제3 가스부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
전기화학적 임피던스 분광법은 연료극 및 공기극에서의 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 연료극에서 수소의 산화 반응에 대한 전자 이동 저항, 공기극에서 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.
따라서, 전기화학분석부는 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 시, 인가 제어부(23)에 신호를 송신하여 전류 인가부(21) 및 전압 인가부(22)를 제어함으로써 연료전지에 전류/전압을 인가할 수 있다.
또는, 전기화학분석부는 전류/전압 주사부(도시되지 않음)를 더 포함하여, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 시에 연료전지에 전류 및 전압을 주사할 수 있다.
측정부(30)는 작동 사이클이 순환되기 전/후에 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정할 수 있다.
평가부(40)는 측정부(30)에서 측정된 작동 사이클 순환 전/후 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 비교/분석하여 연료전지의 내구성을 평가할 수 있다.
평가부(40)는 측정부(30)에서 측정된 전압, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 분석하여 전류밀도-전압 성능 그래프, 전압-전류밀도 수소투과도 그래프, 전압-전류밀도 유효 표면적 그래프 및 실수부 임피던스-허수부 임피던스 그래프를 만들 수 있다. 나아가, 평가부(40)는 작동 사이클 전/후 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 그래프 각각의 x축을 고정하고 y축의 값을 비교하여 연료전지의 내구성을 평가할 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 인가하여 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 | 0.787 | 0.780 | 0.007 | - | - | - |
| 비교예2 | 0.759 | 0.732 | 0.027 | - | - | - |
| 실시예1 | 0.782 | 0.733 | 0.049 | 2.83 | 2.85 | -0.02 |
| 실시예2 | 0.764 | 0.664 | 0.100 | 0.4 | 0.42 | -0.02 |
| 샘플명 | 전기화학적 유효 표면적 (Amps/cm2) |
임피던스 (-ImZ/Ωcm2) |
||||
| 전 | 후 | 변화 | 전 | 후 | 변화 | |
| 비교예1 | - | - | - | - | - | - |
| 비교예2 | - | - | - | - | - | - |
| 실시예1 | 54.5 | 29.6 | 24.9 | 72.0 | 71.7 | 0.3 |
| 실시예2 | 45.5 | 25.3 | 20.2 | 350.9 | 713.3 | -362.4 |
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.
표 1 및 2를 참고하면, 비교예 1 및 2는 성능 저하는 알 수 있으나, 성능 저하 원인은 알 수 없다.
그러나, 실시예 1은 수소 투과도 및 임피던스의 변화가 미비하나, 전기화학적 유효 표면적은 감소폭이 24.9mA/cm2인 것을 알 수 있다. 이는, 실시예 1의 연료전지는 산화환원 반응에 필요한 활성화 에너지가 손실됨으로써, 연료전지의 성능이 저하된 것으로, 연료전지 성능 저하의 원인이 촉매의 활성으로 분석된다.
그리고, 실시예 2는 수소 투과도의 변화는 미비하나, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스의 감소폭이 각각 25.39mA/cm2 및 362.4 ImZ/Ωcm2인 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 2는 사이클 후 전항이 증가되었지만, 수소투과도의 변화가 미비하므로 연료전지의 성능 저하가 계면에 의한 것으로 볼 수 없다. 따라서, 실시예 2의 성능 저하는 실시예 1과 동일한 원인으로 분석된다.
그리고, 동일한 전해질막 및 공기극을 포함하는 연료전지인 비교예 1 및 실시예 1의 성능을 비교하면, 비교예 대비 실시예의 성능의 감소폭이 큰 것을 알 수 있다.
이는, 본 발명에 따른 내구성 평가 방법이 짧은 시간동안 막 전극 접합체(MEA)를 빠르게 열화 시키기 때문에 실시예의 성능이 비교예 보다 성능 감소폭이 크다. 따라서, 내구성 측정 시간이 짧고 연료전지의 내구성의 변화폭이 크기 때문에 연료전지의 막 전극 접합체의 내구성을 빠르게 판단할 수 있는 효과가 발생하게 된다.
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.
100: 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치
10: 가스 공급부
11: 제1 가스부
12: 제2 가스부
13: 가스 제어부
20: 인가부
21: 전류 인가부
22: 전압 인가부
23: 인가 제어부
30: 측정부
40: 평가부
10: 가스 공급부
11: 제1 가스부
12: 제2 가스부
13: 가스 제어부
20: 인가부
21: 전류 인가부
22: 전압 인가부
23: 인가 제어부
30: 측정부
40: 평가부
Claims (10)
- 연료전지에 반응가스를 공급하는 준비 단계;
성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 제1 측정 단계;
상기 연료전지에 제1 전압인가 후 제2 전압을 인가하는 사이클을 반복하는 작동 단계; 및
상기 제1 측정 단계를 반복하는 제2 측정 단계;를 포함하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 측정 단계는,
상기 연료전지에 전류를 인가하는 단계; 및
상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적(ECSA) 및 임피던스를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 제2 측정 단계는,
상기 제1 측정 단계에 인가되는 전류와 동일한 값의 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 작동 단계에서,
제1 전압은 제2 전압보다 낮은 전압인 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 내구성 평가 방법은,
상기 제1 및 제2 측정 단계에서 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스 측정 값을 비교하여 상기 연료전지 내구성의 저하 요인을 분석하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법.
- 연료전지에 반응가스를 공급하는 가스 공급부;
상기 연료전지에 전류 및 전압을 인가하는 인가부;
상기 연료전지의 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 측정부; 및
상기 측정부에 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 분석하여 상기 연료전지의 내구성을 평가하는 평가부;를 포함하는,
연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 가스부는,
상기 연료전지의 연료극에 연료 가스를 공급하는 제1 가스부;
상기 연료전지의 공기극에 산소를 공급하는 제2 가스부; 및
상기 제1 및 제2 가스부를 제어하는 가스 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 인가부는,
상기 연료전지에 전류를 인가하는 전류 인가부;
상기 연료전지에 전압을 인가하여 상기 연료전지에 작동 사이클을 한 번 이상 반복시키는 전압 인가부; 및
상기 전류 및 전압 인가부의 작동 순서를 제어하는 인가 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 측정부는,
전압, 선형 주사 전위법, 순환 전위 훑음법 및 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 측정하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 평가부는,
상기 연료전지에 전압이 인가되기 전과 상기 전압이 반복적으로 인가된 후 측정된 상기 성능, 수소 투과도, 전기화학적 유효 표면적 및 임피던스를 비교 분석하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020180163055A KR20200074541A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180163055A KR20200074541A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200074541A true KR20200074541A (ko) | 2020-06-25 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180163055A KR20200074541A (ko) | 2018-12-17 | 2018-12-17 | 연료전지 막 전극 접합체 내구성 평가 방법 및 장치 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20200074541A (ko) |
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