KR101714184B1 - 연료전지 스택 활성화 공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 활성화 공법에 관한 것으로서, 특히 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 상기 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계와; 상기 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대를 통해 전기적으로 연결시키고, 상기 인접 셀 사이를 쇼트시켜 상기 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계와; 상기 제2단계 이후 상기 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 소정전류밀도를 소정시간 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계와; 상기 제3단계 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 상기 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도를 상기 소정시간을 초과하는 시간 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 상기 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 잔존 산소 제거 후 소정시간 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계로 구성되어, 스택 내부의 잔존 산소를 완벽하게 제거하도록 하여 활성화 공정을 가속화시킴으로써 고정에 소모되는 시간을 저감시키고 활성화에 소모되는 수소 사용량을 감소시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

연료전지 스택 활성화 공법{Method for activating stack of fuel cell}
본 발명은 연료전지 스택 활성화 공법에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 인접 셀 사이를 전기적 쇼트 현상을 이용하여 스택 전압을 빠르게 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 제거하여 공정시간 과 수소 소모량을 저감시키기 위한 연료전지 스택 활성화 공법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 스택의 조립 제작 후, 초기 운전 시에는 전기 화학 반응에서 그 활성도가 떨어지므로, 정상적인 초기 성능을 최대한 확보하기 위해서 반드시 스택 활성화(Activation)라는 공정을 진행해야 한다.
프리-컨디셔닝(Pre-conditioning) 또는, 브레이크 인(break-in)으로 불리기도 하는 연료전지 활성화의 목적은 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화시키고, 전해질 막 및 전극 내에 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보하는데 있다.
좀 더 상세하게는, 연료전지 스택의 조립 후, 정상 상태의 성능을 발휘하기 위해서는 3상의 전극반응 면적 확보, 고분자 전해질 막 또는 전극의 불순물 제거, 고분자 전해질 막의 이온전도성 향상을 목적으로 스택 활성화 공정이 진행된다.
이러한 종래의 스택 활성화 방법은 고전류 밀도 방전과 셧다운(shutdown) 상태로 구성된 펄스 방전을 수회 내지 수십회 반복 실시하고 있으며, 220셀 서브모듈 기준으로 약 1시간 30분에서 2시간 정도 공정 시간이 소요된다.
좀 더 구체적으로, 종래의 스택 활성화 방법은 고전류밀도(1.2 또는 1.4A/㎠)를 3분 동안 방전하는 과정과, 셧다운 상태에서 5분 동안 펄스 방전이 이루어지는 과정을 11회 정도 반복 실시하여 이루어진다.
그러나, 이러한 펄스 방전을 통한 종래의 활성화 공정에서는 그 공정시간 뿐만 아니라 사용되는 수소량도 증가하는 단점이 있다.
즉, 셧다운(Shut-Down) 상태에서 펄스 방전을 이용하는 기존의 스택 활성화 방법은 연료전지의 내부 물 유동에 변화를 주어 활성화 속도가 증가하는 장점이 있지만 220셀 서브모듈 기준으로 활성화에 소요되는 시간은 약 105분, 수소사용량은 약 2.9kg가 소요되어 공정시간이 길어지고, 수소 소모량이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
특허 1 : 대한민국 등록특허 10-1315762
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연료전지 스택 활성화 공법에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 인접 셀 사이를 전기적 쇼트 현상을 이용하여 스택 전압을 빠르게 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 제거하여 공정시간 과 수소 소모량을 저감시키기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 상기 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계와; 상기 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대를 통해 전기적으로 연결시키고, 상기 인접 셀 사이를 쇼트시켜 상기 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계와; 상기 제2단계 이후 상기 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 소정전류밀도를 소정시간 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계와; 상기 제3단계 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 상기 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도를 상기 소정시간을 초과하는 시간 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 상기 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 잔존 산소 제거 후 소정시간 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계를 포함함으로써 달성된다.
상기 제3단계에서 소정전류밀도는 0.6~1.0 A/cm2로 설정하며, 소정시간은 10~60초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제4단계에서 상기 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도는 1.0~1.4 A/cm2로 설정하며, 상기 소정시간을 초과하는 시간은 30~180초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제5단계의 소정시간은 30~300초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계와 상기 제4단계에서 상기 셀 전압이 OV가 되도록 쇼트시키는 시간은 5초 미만이 되도록 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제4단계와 상기 제5단계를 11회 반복하여 활성화 공정시간은 75분이 되게 하며, 수소 소모량은 1.7kg으로 저감시키도록 하는 것이 바람직하다.
상기 셀전압 감지 단자대는 상기 인접 셀을 연결할 수 있도록 중앙으로부터 양단에 연결부가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 상기 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계와; 상기 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대에 형성된 연결부를 통해 전기적으로 연결시키고, 상기 인접 셀 사이를 쇼트시켜 상기 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계와; 상기 제2단계 이후 상기 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 0.6~1.0 A/cm2의 전류밀도를 10~60초 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계와; 상기 제3단계 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 1.0~1.4 A/cm2의 전류밀도를 30~180초 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 상기 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 잔존 산소 제거 후 30~300초 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계를 포함함으로써 달성된다.
상기 제2단계와 상기 제4단계에서 상기 셀 전압이 OV가 되도록 쇼트시키는 시간은 5초 미만이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 연료전지의 인접 셀을 쇼트시키는 기법으로 개방회로전압 상태의 셀 전압을 0V 가까이 하강시킨 후 다시 활성화를 진행하고 활성화 공정 중 쇼트를 이용하여 전압을 빠르게 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 완벽하게 제거하도록 하여 활성화 공정을 가속화시킴으로써 고정에 소모되는 시간을 저감시키고 활성화에 소모되는 수소 사용량을 감소시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지 스택 활성화 공법을 도시하는 흐름도.
도 2는 본 발명의 연료전지 스택 활성화 공법과 종래기술의 평균 전압 및 활성화 시간을 도시하는 그래프.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료전지 스택 활성화 공법은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 활성화 공정에서 연료전지의 스택에 산소와 수소를 공급 및 공급 중지를 실시하는 제1단계(S10)와, 스택의 인접 셀 사이를 전기적으로 연결시키고 쇼트시키는 제2단계(S20)와, 스택에 산소와 수소를 재공급하고 전류를 인가하는 제3단계(S30)와, 쇼트를 통해 전압을 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계(S40)와, 산소와 수소를 재공급하는 제5단계(S50)를 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1단계(S10)는 본 발명인 연료전지 스택 활성화 공법의 시작 단계로, 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만든다.
스택이 개방회로전압 상태가 되면 산소와 수소 공급을 중지하여 쇼트를 준비하도록 한다.
제2단계(S20)는 쇼트를 통해 전압을 하강시키는 단계로, 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대를 통해 전기적으로 연결시키고, 상호 연결된 인접 셀 사이를 쇼트시켜 셀 전압이 OV에 가깝게 하강시킨다.
이때, 셀과 셀 사이를 연결하는 셀전압 감지 단자대는 인접 셀을 상호 연결할 수 있도록 중앙으로부터 양단에 연결부(미도시)가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
제3단계(S30)는 전처리 과정을 수행하는 단계로, 셀 전압을 0V에 가깝게 하강시킨 제2단계(S20) 이후 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 소정전류밀도를 소정시간 동안 인가하여 전처리 과정을 수행하도록 한다.
이때, 제3단계(S30)에서 소정전류밀도는 저전류밀도와 고전류밀도에서 모두 불량 셀 검출 및 전압안정성 확인이 가능하도록 0.6~1.0 A/cm2로 설정하며, 소정시간은 시간에 따른 전압 안정성 확인을 위하여 10~60초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 제3단계(S30)에서 소정전류는 360A로 설정하며, 소정시간은 30초로 설정하도록 한다.
제4단계(S40)는 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 단계로, 전처리 과정을 수행한 제3단계(S30) 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 소정전류밀도(0.6~1.0 A/cm2)를 초과하는 전류밀도를 소정시간(10~60초)을 초과하는 시간 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 스택 내부의 잔존 산소를 제거한다.
이때, 제4단계(S40)에서 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도는 고전류 펄스 운전을 통하여 촉매 주변 나피온을 Swelling시켜 전극의 구조적 변화를 초래하여 Closed Pore를 Open Pore로 변화시킴으로써 물질전달 저항 감소 효과를 얻기 위하여 1.0~1.4 A/cm2로 설정하며, 소정시간을 초과하는 시간은 충분한 물질전달 저항 감소 효과를 얻기 위하여 30~180초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 제4단계(S40)에서 360A의 소정전류를 초과하는 전류는 432A로 설정하며, 30초의 소정시간을 초과하는 시간은 120초로 설정하도록 한다.
또한, 제2단계(S20)와 제4단계(S40)에서 셀 전압이 OV가 되도록 쇼트시키는 쇼트유지시간은 빠른 전압강하를 통하여 스택내부 잔존 산소를 빠르게 제거하여 Pt-Ox 환원 및 백금/바인더 계면 최적화를 위해 수소 양론비(stoichiometry) 1.5를 기준으로 하여 5초 미만(전압강하시간이 5초를 초과 하지 않도록 설정)으로 설정하며, 활성화 시 사용하는 수로 양론비의 양이 변하지 않는 한 5초 미만이 유지될 수 있게 한다.
한편, 외부 쇼트 방식을 대체하여 부하 인가를 통해 강제적으로 전압을 급강하시키는 경우에는 20A의 전류를 인가하도록 하되, 여기서 전류 인가는 활성화 면적 360A/cm2를 기준으로 하여 활성화 면적에 비례하여 증가되도록 하는 것이 바람직하다.
제5단계(S50)는 산소와 수소를 다시 공급하는 단계로, 제4단계(S40)에서 잔존 산소 제거 후 소정시간 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하여 스택을 활성화시킨다.
이때, 제5단계(S50)의 소정시간은 휴지기 중 전극 제작 중에 혼입된 불순물 또는 형성된 표면 산화물, 잔존 유기용매 (IPA 알콜류, 프로판올 등)을 표면에서 제거해 줌으로써 촉매 활성을 증가시키기 위한 충분한 효과를 얻기 위하여 30초~300초로 설정하도록 하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 제5단계(S50)의 소정시간은 180초로 설정한다.
이러한, 본 발명은 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계(S40)와 휴지기 이후 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계(S50)를 연료전지스택이 기준 성능을 만족할 수 있도록 최소 11회 반복하여 활성화 공정을 가속화시킬 수 있게 한다.
여기서, 활성화가 가속화되는 것은 셀 내부의 전극분리판 제작 중 형성된 Pt 촉매 표면의 산화물 환원 속도가 캐소드 과전압 저하로 인해 상승되고, 캐소드 내 잔여 산소가 Pt-Ox 환원 및 백금/바인더 계면 최적화로 인해 완전히 제거됨으로 인해 가능하다.
즉, 본 발명은 종래에 비해 소모 시간 및 중간 공정 반복 횟수를 저감시켜 활성화 공정시간이 75분으로 상당 시간 단축되게 하고, 수소 소모량(수소 소모량은 활성화 공정 시간 및 반복횟수에 따라 변화)을 1.7kg까지 감소시켜 상품성을 향상시킬 수 있게 한다.
이처럼, 본 발명은 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계(S10)와, 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대를 통해 전기적으로 연결시키고, 인접 셀 사이를 쇼트시켜 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계(S20)와, 제2단계(S20) 이후 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 소정전류를 소정시간 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계(S30)와, 제3단계(S30) 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 소정전류를 초과하는 전류를 소정시간을 초과하는 시간 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계(S40)와, 제4단계(S40)에서 잔존 산소 제거 후 소정시간 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계(S50)로 이루어져 연료전지의 인접 셀을 쇼트시키는 기법으로 개방회로전압 상태의 셀 전압을 0V 가까이 하강시킨 후 다시 활성화를 진행하고 활성화 공정 중 쇼트를 이용하여 전압을 빠르게 하강시켜 스택 내부의 잔존 산소를 완벽하게 제거하도록 하여 활성화 공정을 가속화시킴으로써 고정에 소모되는 시간을 저감시키고 활성화에 소모되는 수소 사용량을 감소시키는데 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
S10 : 제1단계 S20 : 제2단계
S30 : 제3단계 S40 : 제4단계
S50 : 제5단계

Claims (9)

  1. 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 상기 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계와;
    상기 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대를 통해 전기적으로 연결시키고, 상기 인접 셀 사이를 쇼트시켜 상기 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계와;
    상기 제2단계 이후 상기 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 소정전류밀도를 소정시간 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계와;
    상기 제3단계 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 상기 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도를 상기 소정시간을 초과하는 시간 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 상기 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계와;
    상기 제4단계에서 잔존 산소 제거 후 소정시간 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3단계에서 소정전류밀도는 0.6~1.0 A/cm2로 설정하며, 소정시간은 10~60초로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 소정전류밀도를 초과하는 전류밀도는 1.0~1.4 A/cm2로 설정하며, 상기 소정시간을 초과하는 시간은 30~180초로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제5단계의 소정시간은 30~300초로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계와 상기 제4단계에서 상기 셀 전압이 OV가 되도록 쇼트시키는 시간은 5초 미만이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제4단계와 상기 제5단계를 11회 반복하여 활성화 공정시간은 75분이 되게 하며, 수소 소모량은 1.7kg으로 저감시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀전압 감지 단자대는 상기 인접 셀을 연결할 수 있도록 중앙으로부터 양단에 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  8. 연료전지 활성화 공정에서 활성화 공정 시작 후 상기 연료전지를 형성하는 스택에 산소와 수소를 공급하여 개방회로전압(OCV, Open Circuit Voltage) 상태로 만들고, 산소와 수소 공급을 중지하는 제1단계와;
    상기 스택을 형성하는 복수의 셀 중에서 인접하는 셀 사이를 셀전압 감지 단자대에 형성된 연결부를 통해 전기적으로 연결시키고, 상기 인접 셀 사이를 쇼트시켜 상기 셀 전압이 OV가 되게 하는 제2단계와;
    상기 제2단계 이후 상기 스택에 수소와 산소를 다시 공급하고, 0.6~1.0 A/cm2의 전류밀도를 10~60초 동안 인가하는 전처리 과정을 수행하는 제3단계와;
    상기 제3단계 이후 개방회로전압 상태를 거쳐 1.0~1.4 A/cm2의 전류밀도를 30~180초 동안 인가하여 쇼트를 통해 전압을 다시 하강시켜 OV가 되게 하여 상기 스택 내부의 잔존 산소를 제거하는 제4단계와;
    상기 제4단계에서 잔존 산소 제거 후 30~300초 동안 휴지기를 가진 다음 산소와 수소를 다시 공급하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2단계와 상기 제4단계에서 상기 셀 전압이 OV가 되도록 쇼트시키는 시간은 5초 미만이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 활성화 공법.
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