KR101586569B1 - Activating method of fuel cell for performance recovery - Google Patents

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Abstract

성능이 저하된 연료전지 스택을 활성화시켜 성능을 회복시킬 수 있는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 (a) 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 상기 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소를 주입하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단하면서, 상기 연료전지 스택에 전류를 인가하는 단계; (c) 상기 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 상기 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 상기 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시키는 단계; 및 (d) 상기 연료전지 스택의 전류 인가를 해제시켜, 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of activating a fuel cell stack for performance recovery that can restore performance by activating a fuel cell stack with degraded performance will be described.
A method of activating a fuel cell stack for performance recovery according to the present invention includes the steps of: (a) injecting hydrogen as a reactant gas into the anode of the fuel cell stack for performance recovery on the fuel cell stack whose performance has deteriorated due to long- ; (b) applying current to the fuel cell stack while blocking air flowing into the cathode of the fuel cell stack; (c) reducing the metal oxide film of the cathode by allowing hydrogen to pass from the anode of the fuel cell stack to the cathode by the partial pressure difference due to application of current to the fuel cell stack; And (d) releasing a current from the fuel cell stack to supply air to the cathode of the fuel cell stack.

Description

성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법{ACTIVATING METHOD OF FUEL CELL FOR PERFORMANCE RECOVERY}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of activating a fuel cell stack,

본 발명은 연료전지 스택의 활성화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성능이 저하된 연료전지 스택을 활성화시켜 성능을 회복시킬 수 있는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for activating a fuel cell stack, and more particularly, to a method for activating a fuel cell stack for recovering performance capable of recovering performance by activating a fuel cell stack having degraded performance.

연료전지 스택의 기본적인 구조는 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 가스확산층(GDL) 그리고 분리판이 교대로 반복 적층되어 있다. 연료전지 스택 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 직접 생산하는 발전 장치이다.The basic structure of the fuel cell stack is composed of a membrane-electrode assembly (MEA) where an electrochemical reaction takes place, a gas diffusion layer (GDL) as a porous medium for evenly dispersing the reaction gas into a membrane-electrode assembly, and a separator. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a power generation device that produces electricity directly by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

고분자 전해질막 연료전지 스택에서는 연료극인 애노드(anode)를 통해 수소가 공급되고, 공기극인 캐소드(cathode)로는 산소가 공급된다. 연료극으로 공급된 수소는 전해질의 양쪽에 구성된 애노드 및 캐소드에 의해 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 전해질막을 통과하여 공기극인 캐소드로 전달되며, 전자의 경우 분리판을 통해 외부 도선을 통한 포집이 이루어져서 전류를 생성시킨다. 그리고, 공기극인 캐소드로 전달된 수소 이온은 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물이 형성된다.In the polymer electrolyte membrane fuel cell stack, hydrogen is supplied through an anode which is a fuel electrode, and oxygen is supplied to a cathode which is an air electrode. The hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons by the anode and the cathode formed on both sides of the electrolyte. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane to the cathode, which is an air electrode. In the case of electrons, the electrons are collected through an outer conductor through a separator to generate a current. The hydrogen ions transferred to the cathode, which is the air electrode, meet with oxygen in the supplied air to form water.

그러나, 고분자 전해질막 연료전지 스택은 장기간의 사용시 백금 촉매층이 도포된 캐소드에 생성되는 백금 산화 피막과 막-전극 접합체에서 생성된 잔류 불순물에 의해 수소 이온 전도도가 감소하여 성능이 저하되는 문제가 있다.However, when the polymer electrolyte membrane fuel cell stack is used for a long period of time, there is a problem that the hydrogen ion conductivity decreases due to the platinum oxide film formed on the cathode coated with the platinum catalyst layer and the residual impurities generated in the membrane-electrode assembly.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0020890호(2002.03.16. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고분자 전해질형 연료전지와 그 사용방법이 기재되어 있다.
A related prior art document is Korean Patent Publication No. 10-2002-0020890 (published on Mar. 16, 2002), which discloses a polymer electrolyte fuel cell and a method of using the same.

본 발명의 목적은 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a method of activating a fuel cell stack for performance recovery capable of improving performance of a fuel cell stack whose performance has been degraded by long-term use.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 (a) 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 상기 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소를 주입하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단하면서, 상기 연료전지 스택에 전류를 인가하는 단계; (c) 상기 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 상기 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 상기 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시키는 단계; 및 (d) 상기 연료전지 스택의 전류 인가를 해제시켜, 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of activating a fuel cell stack for performance recovery, the method comprising the steps of: (a) Injecting hydrogen as a reaction gas into the anode of the anode; (b) applying current to the fuel cell stack while blocking air flowing into the cathode of the fuel cell stack; (c) reducing the metal oxide film of the cathode by allowing hydrogen to pass from the anode of the fuel cell stack to the cathode by the partial pressure difference due to application of current to the fuel cell stack; And (d) releasing a current from the fuel cell stack to supply air to the cathode of the fuel cell stack.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 (a) 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 상기 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소를 주입하면서, 상기 연료전지 스택에 전류를 인가하는 단계; (b) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단하는 단계; (c) 상기 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 상기 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 상기 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시키는 단계; 및 (d) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for activating a fuel cell stack for performance recovery, the method comprising the steps of: (a) Applying a current to the fuel cell stack while injecting hydrogen as a reaction gas into the anode of the fuel cell stack; (b) blocking air flowing into the cathode of the fuel cell stack; (c) reducing the metal oxide film of the cathode by allowing hydrogen to pass from the anode of the fuel cell stack to the cathode by the partial pressure difference due to application of current to the fuel cell stack; And (d) supplying air to the cathode of the fuel cell stack.

본 발명에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 성능이 저하된 연료전지 스택을 재가동한 상태에서 공기극인 캐소드로 유입되는 공기를 차단한 후, 연료전지 스택의 단위 셀에 0.1 ~ 1.0A/㎠의 전류를 인가하는 것에 의해 연료극인 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 캐소드로 수소가 투과되어 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 성능을 회복시킬 수 있다.In the method of activating the fuel cell stack for performance recovery according to the present invention, air flowing into the cathode, which is an air electrode, is cut off in a state where the fuel cell stack with reduced performance is restarted, / Cm < 2 > so that hydrogen is permeated into the cathode by the difference in partial pressure of hydrogen supplied to the anode which is a fuel electrode, thereby reducing the metal oxide film formed on the surface of the cathode.

또한, 본 발명에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 연료전지 스택의 단위 셀에 전류를 인가하는 것에 의한 분압차에 의해, 금속 산화 피막이 제거되어 반응 활성 사이트가 증가하여 수소 이온 전도도가 증가하게 되며, 막-전극 접합체에서 생성된 잔류 불순물이 함께 제거되어 성능 향상 효과를 도모할 수 있다.
The method for activating the fuel cell stack for performance recovery according to the present invention is characterized in that the metal oxide film is removed by the partial pressure difference caused by applying current to the unit cell of the fuel cell stack, And the residual impurities generated in the membrane-electrode assembly can be removed together to improve the performance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 7은 도 4의 전류 인가 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 성능 회복 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a view for explaining a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process flow diagram illustrating a method of activating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
3 to 6 are process cross-sectional views illustrating a method of activating the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
7 is a schematic diagram for explaining the current application step of FIG.
8 is a graph illustrating a performance recovery test result of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a process flow chart illustrating a method of activating a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a method of activating a fuel cell stack for performance recovery according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 복수의 단위셀(C)이 결합되는 형태를 가지며, 각 단위셀(C)의 중심부에는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 110)가 배치된다.Referring to FIG. 1, a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells C coupled to each other. In the center of each unit cell C, a membrane- Membrane Electrode Assembly (MEA, 110) is disposed.

이때, 막-전극 접합체(110)는 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 전해질막(120)과, 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막(120)의 양면에 도포된 애노드(130) 및 캐소드(132)를 포함한다.The membrane-electrode assembly 110 includes an electrolyte membrane 120 capable of transporting hydrogen protons, an anode 130 and a cathode 130 coated on both surfaces of the electrolyte membrane 120 so that hydrogen and oxygen can react with each other. And a cathode 132.

또한, 막-전극 접합체(110)의 외측에는 가스확산층(Gas Diffusion Layer : GDL, 140)과 가스켓(150)이 차례로 적층되고, 가스켓(150)의 외측에는 공기 또는 수소를 공급하고 반응에 의해 생성되는 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(160)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(170)가 결합된다.A gas diffusion layer (GDL) 140 and a gasket 150 are sequentially stacked on the outer side of the membrane-electrode assembly 110, air or hydrogen is supplied to the outside of the gasket 150, And an end plate 170 for supporting the above-described components is coupled to the outermost side of the separator plate 160. [

이때, 가스켓(150)은 분리판(160)에 의하여 형성되는 공기 유로 또는 연료 유로를 기밀하여, 수소 및 공기가 외부로 새어나가지 못하도록 밀봉하는 역할을 한다.At this time, the gasket 150 hermetically seals the air flow path or the fuel flow path formed by the separating plate 160 and seals the hydrogen and the air so that they can not escape to the outside.

이와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택에 대한 전기에너지 생성 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.The principle of electrical energy generation for a fuel cell stack having such a structure will be briefly described below.

먼저, 애노드(130)에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 수소 이온과 전자는 각각 전해질막(120)과 분리판(160)을 통하여 캐소드(132)로 이동하게 되며, 이후 캐소드(132)에서는 수소이온과, 전자와, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응이 일어나 물이 생성되고, 애노드(130)와 캐소드(132) 사이의 전자의 흐름에 의해 전기에너지가 발생된다.First, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode 130 to generate protons and electrons, and hydrogen ions and electrons are supplied to the cathode 132 through the electrolyte membrane 120 and the separator 160, The electrons and the oxygen in the air participate in the electrochemical reaction and water is generated in the cathode 132. In the flow of electrons between the anode 130 and the cathode 132, Electric energy is generated.

즉, 애노드(130)로 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(electron, e-)로 분해되고, 분해된 수소이온은 전해질을 통과하여 캐소드(132)로 이동하게 되고, 이 캐소드(132)에서는 애노드(130)에서 이동해 온 수소이온(H+)과 외부도선을 통하여 이동한 전자(electron, e-) 및 캐소드(132)로 공급된 산소가 전극에서 만나서 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 통하여 전기에너지를 생성하게 된다.
That is, the hydrogen supplied to the anode 130 is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (electron, e - ), and the decomposed hydrogen ions pass through the electrolyte to the cathode 132, 132) at the anode (130) e (electron, e a move on the hydrogen ion (H +) and traveling through the outer wire in the - and simultaneously produce water meet in the oxygen supply to and the cathode 132) electrode columns To generate electrical energy.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 단면도이다.FIG. 2 is a process flow diagram illustrating a method of activating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 6 are process cross-sectional views illustrating a method of activating the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention .

도 2를 참조하면, 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 반응가스 주입 단계(S110), 공기 차단 및 전류 인가 단계(S120), 금속 산화 피막 환원 단계(S130)와 전류 인가 해제 및 공기 공급 단계(S140)를 포함한다.
Referring to FIG. 2, the method for activating the fuel cell stack for performance recovery according to the first embodiment of the present invention includes a reaction gas injection step (S110), an air shutoff and current application step (S120) Step S130 and current deactivation and air supply step S140.

반응가스 주입Reaction gas injection

반응가스 주입 단계(S110)에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택(도 1의 100)에 대한 성능 회복을 위해 연료전지 스택에 반응가스인 수소(H2)를 주입한다.In the reactive gas injection step (S110), as shown in FIGS. 2 and 3, in order to recover the performance of the fuel cell stack (100 in FIG. 1) Hydrogen (H 2 ) is injected.

이때, 연료전지 스택은 수소 양이온을 이동시킬 수 있는 전해질막(120)과, 전해질막(120)의 양면에 각각 도포된 애노드(130) 및 캐소드(132)를 구비하는 막-전극 접합체(도 1의 120)를 포함한다.The fuel cell stack includes an electrolyte membrane 120 capable of transporting hydrogen cations and a membrane-electrode assembly 120 having a cathode 132 and an anode 130 coated on both sides of the electrolyte membrane 120 ≪ / RTI >

이에 따라, 연료전지 스택의 애노드(130)로는 수소가 주입되고, 연료전지 스택의 캐소드(132)로는 공기가 주입된다.Accordingly, hydrogen is injected into the anode 130 of the fuel cell stack, and air is injected into the cathode 132 of the fuel cell stack.

애노드(130)는 촉매층으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au) 중 선택된 1종 이상이 도포되어 있을 수 있다.The anode 130 may be formed of one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), platinum ruthenium alloy (PtRu), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) More than one kind may be applied.

캐소드(132)는 촉매층으로 Pt 또는 PtOx(x≥1)가 도포되어 있을 수 있다.
The cathode 132 may be coated with Pt or PtO x (x? 1) as a catalyst layer.

공기 차단 및 전류 인가Air cutoff and current application

공기 차단 및 전류 인가 단계(S120)에서는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 캐소드(132)로 유입되는 공기를 차단하면서, 연료전지 스택에 전류를 인가한다.In the air interruption and current application step (S120), current is applied to the fuel cell stack while blocking the air flowing into the cathode 132 of the fuel cell stack, as shown in Figs.

이때, 도 7은 도 4의 전류 인가 단계를 설명하기 위한 모식도이다.Here, FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the current application step of FIG.

도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택에 전류를 인가하게 되면, 분압차에 의해 수소 이온 전도도가 증가하게 되고, 이 결과 애노드(130)로부터 전해질(120)을 통과하여 캐소드(132)로 수소가 투과되게 된다.4 and 7, when the current is applied to the fuel cell stack, the hydrogen ion conductivity is increased by the partial pressure difference, and as a result, the current flows from the anode 130 through the electrolyte 120 to the cathode 132 Hydrogen is permeable to hydrogen.

이때, 전류 인가는 연료전지 스택의 단위 셀에 0.1 ~ 1.0A/㎠의 세기로 인가하는 것이 바람직하다. 전류 인가 세기가 0.1A/㎠ 미만일 경우에는 문턱 전압에 미치지 못하여 애노드(130)로부터 캐소드(132)로의 수소 투과가 원활히 이루어지지 못할 우려가 크다. 반대로, 전류 인가 세기가 1.0A/㎠를 초과할 경우에는 효과 상승 없이 과도한 전류 사용만을 발생시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.At this time, the current application is preferably applied to the unit cell of the fuel cell stack with an intensity of 0.1 to 1.0 A / cm 2. If the current application intensity is less than 0.1 A / cm 2, the threshold voltage can not be reached, and the hydrogen permeation from the anode 130 to the cathode 132 may not be smoothly performed. On the contrary, when the current application strength is more than 1.0 A / cm 2, it is not economical because it can cause excessive current usage without increasing the effect.

또한, 전류 인가는 10 ~ 160분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 전류 인가 시간이 10분 미만일 경우에는 충분한 반응 시간을 확보하지 못하는데 기인하여 활성화 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전류 인가 시간이 160분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 성능 회복을 위한 공정 시간을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
The current application is preferably performed for 10 to 160 minutes. If the current application time is less than 10 minutes, sufficient reaction time can not be ensured and it may be difficult to exhibit the activation effect properly. On the other hand, if the current application time exceeds 160 minutes, it may become a factor to increase the process time for performance recovery without any further effect, which is not economical.

금속 산화 피막 환원Reduction of metal oxide film

금속 산화 피막 환원 단계(S130)에서는, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 연료전지 스택의 애노드(130)로부터 캐소드(132)로 수소가 투과되도록 하여 캐소드(132)의 금속 산화 피막을 환원시킨다.In the metal oxide film reducing step S130, as shown in FIGS. 2 and 5, hydrogen is supplied from the anode 130 of the fuel cell stack to the cathode 132 by the partial pressure difference due to the current application of the fuel cell stack So that the metal oxide film of the cathode 132 is reduced.

일 예로, 캐소드(132)의 촉매층으로 PtO2가 이용될 경우 하기 식 1의 반응을 나타내고, 캐소드(132)의 촉매층으로 PtO가 이용될 경우 하기 식 2의 반응을 나타낼 수 있다.
For example, when PtO 2 is used as the catalyst layer of the cathode 132, the reaction of the following formula 1 is shown, and when PtO is used as the catalyst layer of the cathode 132, the reaction of the following formula 2 can be shown.

식 1 : PtO2 + H2 → PtO + H2OEquation 1: PtO 2 + H 2 ? PtO + H 2 O

식 2 : PtO + H2 → Pt + H2O
Equation 2: PtO + H 2 ? Pt + H 2 O

즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 애노드(130)로 공급되는 수소의 분압차에 의해 전해질(120)을 통과하여 캐소드(132)로 수소가 투과되어 캐소드(132)의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 연료전지 스택의 성능을 회복시킬 수 있게 된다.6, hydrogen is transmitted to the cathode 132 through the electrolyte 120 due to the difference in the partial pressure of hydrogen supplied to the anode 130, so that the metal oxide film formed on the surface of the cathode 132 The performance of the fuel cell stack can be restored.

또한, 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 금속 산화 피막이 제거되어 반응 활성 사이트가 증가하여 수소 이온 전도도가 증가하게 되며, 막-전극 접합체에서 생성된 잔류 불순물을 함께 제거할 수 있게 된다.
Also, due to the partial pressure difference due to the current application of the fuel cell stack, the metal oxide film is removed to increase the reactive active sites, thereby increasing the hydrogen ion conductivity and removing residual impurities generated in the membrane- electrode assembly .

전류 인가 해제 및 공기 공급Current de-energization and air supply

도 2에 도시된 바와 같이, 전류 인가 해제 및 공기 공급 단계(S140)에서는 연료전지 스택의 전류 인가를 해제시켜, 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급한다.As shown in FIG. 2, in the current release and air supply step (S140), the current application of the fuel cell stack is released to supply air to the cathode of the fuel cell stack.

이때, 공기 차단 및 전류 인가 단계(S120), 금속 산화 피막 환원 단계(S130)와 전류 인가 해제 및 공기 공급 단계(S140)는 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것이 바람직한데, 이는 일련의 반복 공정을 실시해야 금속 산화 피막 및 잔류 불순물을 보다 효과적으로 제거할 수 있기 때문이다.
At this time, it is preferable that the air interruption and current application step (S120), the metal oxide film reduction step (S130), the current release and the air supply step (S140) are repeated at least once or more. The metal oxide film and residual impurities can be removed more effectively.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 성능 회복 실험 결과를 나타낸 것이다.8 is a graph illustrating a performance recovery test result of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 바와 같이, 셀 전압이 0.74V로 낮아진 연료전지 스택에 대한 성능 회복 실험을 위해 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단시킨 후, 연료전지 스택의 단위 셀에 0.3A/㎠의 전류를 인가하였으며, 전류 인가 시간에 따른 셀 전압을 측정하였다.As shown in FIG. 8, after the air flowing into the cathode of the fuel cell stack was cut off for performance recovery experiments on the fuel cell stack whose cell voltage was lowered to 0.74 V, 0.3 A / cm 2 And the cell voltage was measured according to the current application time.

이때, 전류 인가 후, 셀 전압에 변화가 없다가 20분을 경과한 이후 셀 전압이 선형적으로 상승하는 것을 알 수 있다. 이후, 80분을 경과한 이후부터는 셀 전압이 0.764V로 유지되는 것을 확인할 수 있다.At this time, it can be seen that the cell voltage increases linearly after 20 minutes elapse after the application of the current, although there is no change in the cell voltage. Thereafter, it is confirmed that the cell voltage is maintained at 0.764 V after 80 minutes have elapsed.

위의 결과를 통해 알 수 있는 바와 같이, 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단시킨 후, 연료전지 스택의 단위 셀로 전류를 인가할 경우, 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 캐소드로 수소가 투과되어 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막이 환원되어 성능이 회복된 것으로 파악된다.
As can be seen from the above results, when current is applied to the unit cell of the fuel cell stack after the air flowing into the cathode of the fuel cell stack is cut off, the hydrogen is supplied to the cathode by the difference in partial pressure of hydrogen supplied to the anode. And the metal oxide film formed on the surface of the cathode is reduced to recover the performance.

전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 성능이 저하된 연료전지 스택을 재가동한 상태에서 공기극인 캐소드로 유입되는 공기를 차단한 후, 연료전지 스택의 단위 셀에 0.1 ~ 1.0A/㎠의 전류를 인가하는 것에 의해 연료극인 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 캐소드로 수소가 투과되어 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 성능을 회복시킬 수 있다.In the method of activating the fuel cell stack for performance recovery according to the first embodiment of the present invention, the air flowing into the cathode, which is an air electrode, is cut off in a state where the fuel cell stack with reduced performance is restarted, By applying a current of 0.1 to 1.0 A / cm < 2 > to the unit cell, hydrogen is permeated into the cathode by the partial pressure difference of hydrogen supplied to the anode which is a fuel electrode to reduce the metal oxide film formed on the surface of the cathode, have.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 연료전지 스택의 단위 셀에 전류를 인가에 의한 분압차에 의해, 금속 산화 피막이 제거되어 반응 활성 사이트가 증가하여 수소 이온 전도도가 증가하게 되며, 막-전극 접합체에서 생성된 잔류 불순물이 함께 제거되어 성능 향상 효과를 도모할 수 있다.
In addition, the method for activating the fuel cell stack for performance recovery according to the embodiment of the present invention is characterized in that the metal oxide film is removed by the partial pressure difference due to application of current to the unit cell of the fuel cell stack, The conductivity is increased, and residual impurities generated in the membrane-electrode assembly are removed together to improve the performance.

한편, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택의 활성화 방법을 나타낸 공정 순서도이다.FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of activating a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 9를 참조하면, 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법은 반응가스 주입 및 전류 인가 단계(S210), 공기 차단 단계(S220), 금속 산화 피막 환원 단계(S230) 및 공기 공급 단계(S240)를 포함한다.
Referring to FIG. 9, a method of activating a fuel cell stack for performance recovery according to a second embodiment of the present invention includes reactant gas injection and current application S210, air shutoff S220, Step S230 and air supply step S240.

반응가스 주입 및 전류 인가Reaction gas injection and current application

반응가스 주입 및 전류 인가 단계(S210)에서는 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소(H2)를 주입하면서, 연료전지 스택에 전류를 인가한다.In the reaction gas injection and current application step (S210), hydrogen (H 2 ), which is a reaction gas, is injected into the anode of the fuel cell stack to recover the performance of the fuel cell stack whose performance has deteriorated due to long- Current is applied.

이에 따라, 연료전지 스택의 애노드로는 수소가 주입되고, 연료전지 스택의 캐소드로는 공기가 주입된다.Thereby, hydrogen is injected into the anode of the fuel cell stack, and air is injected into the cathode of the fuel cell stack.

애노드는 촉매층으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au) 중 선택된 1종 이상이 도포되어 있을 수 있다.The anode includes at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), platinum ruthenium alloy (PtRu), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) May be applied.

캐소드는 촉매층으로 Pt 또는 PtOx(x≥1)가 도포되어 있을 수 있다.The cathode may be coated with Pt or PtO x (x? 1) as the catalyst layer.

이때, 전류 인가는 연료전지 스택의 단위 셀에 0.1 ~ 1.0A/㎠의 세기로 10 ~ 160분 동안 인가하는 것이 바람직하다.
At this time, the current application is preferably applied to the unit cell of the fuel cell stack for 10 to 160 minutes at an intensity of 0.1 to 1.0 A / cm 2.

공기 차단Air blockage

공기 차단 단계(S220)에서는 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단한다. 이때, 연료전지 스택의 애노드로는 지속적으로 수소를 주입함과 더불어 전류 인가가 이루어진 상태에서 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기만을 차단시킨다.
In the air blocking step S220, air flowing into the cathode of the fuel cell stack is blocked. At this time, the hydrogen is continuously injected into the anode of the fuel cell stack, and only the air flowing into the cathode of the fuel cell stack is blocked while the current is applied.

금속 산화 피막 환원Reduction of metal oxide film

금속 산화 피막 환원 단계(S230)에서는 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시킨다.In the metal oxide film reduction step S230, hydrogen is allowed to pass from the anode to the cathode of the fuel cell stack by the partial pressure difference due to the application of current to the fuel cell stack, thereby reducing the metal oxide film of the cathode.

즉, 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 전해질을 통과하여 캐소드로 수소가 투과되어 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 연료전지 스택의 성능을 회복시킬 수 있게 된다.That is, due to the difference in partial pressure of hydrogen supplied to the anode, hydrogen permeates through the electrolyte to the cathode to reduce the metal oxide film formed on the surface of the cathode, thereby restoring the performance of the fuel cell stack.

또한, 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 금속 산화 피막이 제거되어 반응 활성 사이트가 증가하여 수소 이온 전도도가 증가하게 되며, 막-전극 접합체에서 생성된 잔류 불순물을 함께 제거할 수 있게 된다.
Also, due to the partial pressure difference due to the current application of the fuel cell stack, the metal oxide film is removed to increase the reactive active sites, thereby increasing the hydrogen ion conductivity and removing residual impurities generated in the membrane- electrode assembly .

공기 공급Air supply

공기 공급 단계(S240)에서는 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급한다.In the air supply step S240, air is supplied to the cathode of the fuel cell stack.

이때, 공기 차단 단계(S220), 금속 산화 피막 환원 단계(S230) 및 공기 공급 단계(S240)는 적어도 1회 이상 반복 실시하는 것이 바람직한데, 이는 일련의 반복 공정을 실시해야 금속 산화 피막 및 잔류 불순물을 보다 효과적으로 제거할 수 있기 때문이다.
At this time, it is preferable that the air interruption step (S220), the metal oxide film reduction step (S230), and the air supply step (S240) are repeated at least once. This is because the metal oxide film and residual impurities Can be removed more effectively.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 연료전지 스택 110 : 막-전극 접합체
120 : 전해질막 130 : 애노드
132 : 캐소드 140 : 가스확산층
150 : 가스켓 160 : 분리판
S110 : 반응가스 주입 단계
S120 : 공기 차단 및 전류 인가 단계
S130 : 금속 산화 피막 환원 단계
S140 : 전류 인가 해제 및 공기 공급 단계
S210 : 반응가스 주입 및 전류 인가 단계
S220 : 공기 차단 단계
S230 : 금속 산화 피막 환원 단계
S240 : 공기 공급 단계100: Fuel cell stack 110: Membrane-electrode assembly
120: electrolyte membrane 130: anode
132: cathode 140: gas diffusion layer
150: gasket 160: separator plate
S110: Reaction gas injection step
S120: air interruption and current application step
S130: Metal oxide film reduction step
S140: current release and air supply step
S210: reaction gas injection and current application step
S220:
S230: Metal oxide film reduction step
S240: air supply step

Claims (10)

(a) 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 상기 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소를 주입하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단하면서, 상기 연료전지 스택에 전류를 인가하는 단계;
(c) 상기 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 상기 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 상기 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시키는 단계; 및
(d) 상기 연료전지 스택의 전류 인가를 해제시켜, 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 단계;를 포함하며,
상기 (b) 단계에서, 상기 전류 인가는 상기 연료전지 스택의 단위 셀에 0.3 ~ 1.0A/㎠의 세기로 10 ~ 160분 동안 인가하여, 상기 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 상기 캐소드로 수소가 투과되어 상기 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 연료전지 스택의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
(a) injecting hydrogen as a reactant gas into the anode of the fuel cell stack for performance recovery on the fuel cell stack whose performance has deteriorated due to long-term use;
(b) applying current to the fuel cell stack while blocking air flowing into the cathode of the fuel cell stack;
(c) reducing the metal oxide film of the cathode by allowing hydrogen to pass from the anode of the fuel cell stack to the cathode by the partial pressure difference due to application of current to the fuel cell stack; And
(d) releasing current application of the fuel cell stack to supply air to the cathode of the fuel cell stack,
In the step (b), the current is applied to the unit cell of the fuel cell stack at an intensity of 0.3 to 1.0 A / cm 2 for 10 to 160 minutes, Wherein hydrogen is permeated and the metal oxide film formed on the surface of the cathode is reduced to restore the performance of the fuel cell stack.
(a) 장기간의 사용으로 성능이 저하된 연료전지 스택에 대한 성능 회복을 위해 상기 연료전지 스택의 애노드로 반응가스인 수소를 주입하면서, 상기 연료전지 스택에 전류를 인가하는 단계;
(b) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 유입되는 공기를 차단하는 단계;
(c) 상기 연료전지 스택의 전류 인가에 의한 분압차에 의해, 상기 연료전지 스택의 애노드로부터 캐소드로 수소가 투과되도록 하여 상기 캐소드의 금속 산화 피막을 환원시키는 단계; 및
(d) 상기 연료전지 스택의 캐소드로 공기를 공급하는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 전류 인가는 상기 연료전지 스택의 단위 셀에 0.3 ~ 1.0A/㎠의 세기로 10 ~ 160분 동안 인가하여, 상기 애노드로 공급되는 수소의 분압차에 의해 상기 캐소드로 수소가 투과되어 상기 캐소드의 표면에 형성된 금속 산화 피막을 환원시켜 연료전지 스택의 성능을 회복시키는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
(a) applying a current to the fuel cell stack while injecting hydrogen as a reaction gas into the anode of the fuel cell stack for performance recovery of the fuel cell stack whose performance has deteriorated due to long-term use;
(b) blocking air flowing into the cathode of the fuel cell stack;
(c) reducing the metal oxide film of the cathode by allowing hydrogen to pass from the anode of the fuel cell stack to the cathode by the partial pressure difference due to application of current to the fuel cell stack; And
(d) supplying air to the cathode of the fuel cell stack,
In the step (a), the current is applied to the unit cell of the fuel cell stack at an intensity of 0.3 to 1.0 A / cm < 2 > for 10 to 160 minutes, Wherein hydrogen is permeated and the metal oxide film formed on the surface of the cathode is reduced to restore the performance of the fuel cell stack.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 (b) 내지 (d) 단계는
적어도 1회 이상 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The steps (b) to (d)
And the fuel cell stack is repeatedly performed at least once.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료전지 스택은
복수의 단위셀이 결합되는 형태를 가지며, 상기 복수의 단위셀의 중심부에는 막-전극 접합체가 배치되는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
The fuel cell stack
Wherein a plurality of unit cells are coupled to each other, and a membrane-electrode assembly is disposed at the center of the plurality of unit cells.
제4항에 있어서,
상기 막-전극 접합체는
수소 양이온을 이동시킬 수 있는 전해질막과,
상기 전해질막의 양면에 각각 도포된 애노드 및 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
5. The method of claim 4,
The membrane-electrode assembly
An electrolyte membrane capable of transporting hydrogen cations,
And an anode and a cathode coated on both sides of the electrolyte membrane, respectively.
제5항에 있어서,
상기 애노드는
촉매층으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 백금루테늄 합금(PtRu), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Au) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
6. The method of claim 5,
The anode
The catalyst layer contains at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), ruthenium (Ru), platinum ruthenium alloy (PtRu), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os) And the fuel cell stack is activated.
제5항에 있어서,
상기 캐소드는
촉매층으로 Pt 또는 PtOx(x≥1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 회복을 위한 연료전지 스택의 활성화 방법.
6. The method of claim 5,
The cathode
Wherein the catalyst layer contains Pt or PtO x (x? 1).
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