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KR100936875B1 - 연료전지 스택의 활성화 방법 및 장치 - Google Patents

연료전지 스택의 활성화 방법 및 장치 Download PDF

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KR100936875B1
KR100936875B1 KR1020080056814A KR20080056814A KR100936875B1 KR 100936875 B1 KR100936875 B1 KR 100936875B1 KR 1020080056814 A KR1020080056814 A KR 1020080056814A KR 20080056814 A KR20080056814 A KR 20080056814A KR 100936875 B1 KR100936875 B1 KR 100936875B1
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Abstract

본 발명은 적층형 연료전지 스택에서 불량 셀만을 선택적으로 활성화함으로써 스택 성능을 확보할 수 있는 활성화 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 활성화 장치는, 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 활성화하는 데 사용되는 극성 용매를 저장하는 탱크와, 극성 용매를 연료전지 스택으로 이송하는 이송부와 이송부를 제어하는 제어부를 구비하는 본체와, 본체에 그 일단이 결합하며 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입되며 복수의 셀들 중 적어도 어느 하나의 셀의 채널 인렛과 마주하여 배열되는 분출구를 구비하고, 분출구를 통해 특정 셀의 채널에만 극성 용매를 분출하는 노즐을 포함한다.
연료전지, 활성화, 극성 용매, 불량 셀

Description

연료전지 스택의 활성화 방법 및 장치{Method and system of activating fuel cell stack}
본 발명은 적층형 연료전지 스택에서 불량 셀만을 선택적으로 활성화함으로써 스택 성능을 확보할 수 있는 활성화 방법 및 장치에 관한 것이다.
연료전지는 천연가스, 액화석유가스, 등유, 석탄, 나프타, 메탄올, 하이드라이드, 폐기물 가스 등의 다양한 연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치로서 차세대 청정 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분될 수 있으며, 기본적으로 같은 원리에 의해 작동된다.
고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 고체 고분자로 만들어진 이온 교환막을 전해질로 사용하므로 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있고, 게다가 다른 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮기 때문에 노트북 등의 소형 전자기기 등에 전력을 공급하기 위 한 휴대용 전원뿐만 아니라 자동차, 요트 등에 전력을 공급하기 위한 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 전원으로서 활발히 연구개발되고 있다.
또한, 고체 고분자로 만들어진 이온 교환막을 전해질로 사용하는 또 다른 연료전지로는 직접 메탄올형 연료전지가 있다. 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상 연료를 이용하며 통상 100℃ 미만의 작동온도에서 동작하기 때문에 소형 전자기기의 전원이나 휴대용 전자기기의 전원으로 더욱 적합하다는 장점이 있다.
직접 메탄올형 연료전지는 크게 적층형 스택과 평판형 스택의 두 가지 형태로 제작될 수 있다. 적층형 스택은 복수의 셀들이 그 사이사이에 세퍼레이터를 게재하고 서로 적층되는 구조를 가지고, 평판형 스택은 복수의 셀들이 동일 면상에 펼쳐져 배치되고 각 셀들은 별도의 배선을 통해 전기적으로 연결되는 구조를 가진다.
직접 메탄올형 연료전지 스택의 각 셀은 애노드, 캐소드 및 이들 애노드와 캐소드를 분리하는 전해질을 구비하며, 약 0.4V 내지 약 0.6V의 전압을 발생시킨다. 연료전지 스택에 약 5V의 출력이 요구되는 경우, 연료전지 스택은 적어도 약 10개의 셀들이 전기적으로 직렬 연결된 구조를 구비하도록 제작될 수 있다.
제작된 연료전지 스택은 통상 제조 과정의 마지막 단계에서 활성화 공정을 거치게 된다. 활성화 공정은 연료전지 스택의 출고 전에 스택 성능이 최대로 발휘될 수 있도록 특정 조건에서 일정 시간 초기 운전하는 과정을 포함한다. 통상 활성화 공정의 시간을 단축하기 위하여 고농도의 극성 용매을 이용하게 된다. 예컨대, 10몰의 메탄올 수용액을 이용하여 적층형 연료전지 스택을 활성화하는 데에는 약 1시간이 소요된다. 한편, 1몰의 메탄올 수용액을 이용하여 적층형 연료전지 스택을 활성화하는 데에는 약 70시간 내지 약 100시간이 소요된다.
활성화 공정을 수행한 후 통상 연료전지 스택에 대하여 초기 성능 테스트를 수행하게 되는데, 초기 성능 테스트시 연료전지 스택의 특정 셀에서 원하는 성능이 얻어지지 않는 경우가 있다. 이러한 특정 셀의 불량은 막전극 어셈블리(MEA)가 불량이거나, 세퍼레이터 내의 연료 유동 채널이 제조 공정 중의 불순물이나 연료에 포함되어 있던 불순물에 의해 막히는 경우에 종종 발생한다. 불순물에 의해 연료 유동 채널이 막히는 경우의 대부분은 연료 유량을 증가시키거나 역방향으로 연료를 유동시킴으로써 손쉽게 불순물이 제거될 수 있다.
일반적으로 불량으로 검출된 셀(이하 불량 셀이라 함)의 채널에서 불순물이 제거된 후에도 불량 셀은 원하는 성능을 발휘하지 못한다. 그것은 불순물로 인하여 불량 셀에서 초기의 활성화 공정이 제대로 수행되지 못하였기 때문이다.
전술한 불량 셀을 활성화하기 위하여 적층형 스택 전체를 다시 활성화하는 경우, 앞서 정상적으로 활성화된 셀들을 재차 활성화하기 때문에 정상적으로 활성화된 셀들의 구조 및 성능에 악영향이 미친다. 따라서, 특정 셀만을 선택적으로 활성화해야 하는데, 적층형 스택을 분해하여 특정 셀만을 활성화하는 방법은 추가적인 분해 및 조립 공정으로 인하여 제조 공정이 복잡해지고 공정 시간이 지연되는 문제가 있다.
게다가, 정상적으로 활성화된 다른 셀들의 상태는 활성화 공정 전의 상태와 다르다. 예컨대, 전해질막이 팽창되어 있다. 따라서, 적층형 스택을 분해하고 활성화되지 않는 특정 셀만을 활성화한 후 정상적으로 활성화된 다른 셀들과 함께 다시 적층하여 조립하는 것은 어려울 뿐만 아니라 스택의 성능 감소를 수반하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 실질적으로 설비를 추가하지 않고 적층형 연료전지 스택에서 어느 하나의 불량 셀만을 선택적으로 간편하게 활성화할 수 있는 활성화 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 활성화하는 데 사용되는 극성 용매를 저장하는 탱크; 극성 용매를 연료전지 스택으로 이송하는 이송부와 이송부를 제어하는 제어부를 구비하는 본체; 및 본체에 그 일단이 결합하며, 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입되며, 복수의 셀들 중 적어도 어느 하나의 비활성된 셀의 채널 인렛과 마주하여 배열되는 분출구를 구비하고, 분출구를 통해 비활성된 셀의 채널에만 극성 용매를 분출하는 노즐을 포함하는 연료전지 스택의 활성화 장치가 제공된다.
바람직하게, 분출구는 극성 용매가 유입되는 인렛 매니폴드의 입구측에서 인렛 매니폴드의 가장 안쪽에 위치하는 셀의 채널 인렛과 마주하도록 설치될 수 있다.
활성화 장치는 복수의 셀들의 각 채널 인렛과 마주하여 배치되는 복수의 분출구들을 구비하고 인렛 매니폴드에 삽입되는 보조 노즐을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 노즐은 보조 노즐의 길이 방향으로 왕복 운동하도록 보조 노즐의 중공부에 끼워질 수 있다.
노즐은 제1 요철부를 구비하고, 보조 노즐은 제2 요철부를 구비하며, 제1 요철부와 제2 요철부는 서로 끼워져 길이방향으로 슬라이딩할 수 있다.
노즐은 왕복 운동시 분출구가 비활성된 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치를 표시하도록 설치된 셀 표시부를 구비할 수 있다.
셀 표시부는 복수의 셀들의 채널 인렛들이 배열된 간격과 동일한 간격으로 나열되는 복수의 눈금선들 및 적어도 일부 눈금선들 옆에 표기된 셀 일련번호들을 구비할 수 있다.
노즐은 스테인리스 강 또는 불소 수지로 이루어질 수 있다.
극성 용매은 10몰의 메탄올 수용액을 포함할 수 있다.
본체는 각 셀의 출력 전압을 측정하는 측정부, 및 상기 제어부에서 전달되는 정보를 표시하는 표시부를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 제어부는 출력 전압과 기설정된 기준 전압을 비교하고, 출력 전압이 기준 전압보다 낮은 셀의 일련번호에 대한 정보를 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 극성 용매으로 활성화하는 공정에서 비활성화된 셀을 검출하고, 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치에 분출구가 구비된 노즐을 선택하는 단계; 활성화 장치에 그 일단이 결합된 노즐을 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입하는 단계; 및 노즐을 통해 비활성화된 셀의 채널에만 극성 용매을 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 활성화 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 극성 용매으로 활성화하는 공정에서 비활성화된 셀을 검출하는 단계; 활성화 장치에 그 일단이 결합된 노즐을 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입하는 단계; 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하도록 노즐의 분출구 위치를 조절하는 단계; 및 노즐을 통해 비활성화된 셀의 채널에만 극성 용매을 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 활성화 방법이 제공된다.
바람직하게, 노즐의 분출구 위치를 조절하는 단계는, 인렛 매니폴드에서 노즐을 길이 방향으로 이동시키면서 비활성화된 셀의 번호에 대응하는 셀 일련번호-여기서, 셀 일련번호는 노즐의 외표면에 설치된 셀 표시부에 표시됨-의 눈금선을 인렛 매니폴드가 노출되는 면과 일치시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 직접 메탄올형 연료전지 방식이나 고분자 전해질형 연료전지 방식을 제작된 적층형 연료전지 스택의 활성화 공정에서 불순물에 의해 채널이 막혀 불량 셀이 발생하는 경우, 불량 셀을 복구한 후 특정 셀만을 선택적으로 활성화할 수 있다.
또한, 활성화 공정 중에 복구 가능한 불량 셀 발생시 적층형 스택 전체를 분해하지 않고 불량 셀만을 선택적으로 활성화함으로써 스택 성능을 균일하게 유지하면서 스택 수율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성화 장치의 블록도이다. 도 2는 도 1의 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 정면도이다. 도 3은 도 1의 활성화 장치의 본체를 설명하기 위한 블록도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성화 공정의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 활성화 장치는 적층형 연료전지 스택을 활성화한 후 검출된 특정 불량 셀에 대하여만 재차 활성화 공정을 수행할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 활성화 장치(30)는 극성 용매(42)를 저장하는 탱크(40), 극성 용매(42)를 이용하여 연료전지 스택의 활성화 공정을 수행하는 본체(50), 및 본체(50)에 그 일단이 결합하며 본체(50)의 제어에 따라 탱크(40)에서 공급되는 극성 용매(42)를 연료전지 스택의 특정 셀에 공급하는 노즐(60)을 포함한다.
본 실시예의 활성화 장치는 연료전지 스택의 출고 전에 수행되는 최초 활성화 공정과 최종 사용자의 사용 중에 발생하는 특정 불량 셀의 보수 또는 재활성화 공정에 이용될 수 있다. 활성화 공정은 연료전지 스택에 사용된 촉매, 전해질막 등의 재료 성능을 최적화하기 위해 재료의 입도, 형상 및 강도 등을 제어하기 위한 공정이다. 이하에서는 설명의 편의상 최초 활성화 공정에 이용되는 활성화 장치 및 방법을 설명한다.
극성 용매(42)는 직접 메탄올형 연료전지 스택에 사용되는 메탄올 수용액의 농도보다 높은 농도를 갖는 고농도의 메탄올을 포함한다. 예컨대, 극성 용매(42)는 약 10몰의 메탄올 수용액을 포함한다.
또한 극성 용매(42)는 메탄올과의 공용매를 포함할 수 있다. 공용매는 아세토니트릴, DMAC(Dimethylacetamide), DMSO(Dimethylsulfoxide), 염산 및 황산으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함한다.
노즐(60)은 적층형 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드에 충분히 삽입될 수 있는 길이(L)를 갖는 튜브 형태의 프레임 부재(62)와, 프레임 부재(62)의 중간 부분에 형성된 관통홀 형태의 분출구(64)를 구비한다. 프레임 부재(62)의 일단은 본체(50)를 통해 탱크(40)에 유체소통 가능하게 연결된다. 프레임 부재(62)의 타단은 기본적으로 막혀 있다. 따라서, 프레임 부재(62)의 일단으로 유입된 극성 용매(42)는 분출구(64)를 통해 분출된다. 분출구(64)를 통해 연료전지 스택 내부로 분출된 극성 용매(42)는 다시 본체(50)로 회수되어 재사용될 수 있다.
노즐(60)은 도 2에 도시한 바와 같이 적층형 연료전지 스택의 각 셀의 위치에 따라 서로 다른 분출구(64) 위치를 갖는 복수의 노즐들을 포함한다. 본 실시예에 있어서 노즐(60)은 불량 셀의 위치에 따라 그에 대응하는 분출구(64)를 갖는 노즐로 교체될 수 있다. 여기서, 불량 셀의 위치는 적층된 복수의 셀을 구비한 연료전지 스택에서, 애노드 인렛 매니폴드가 노출되는 스택의 일면에서 애노드 인렛 매니폴드에 유체소통 가능하게 연결되는 불량 셀의 채널 입구까지의 거리로 계산될 수 있다. 물론, 복수의 불량 셀들이 발생하는 경우, 본 실시예에서는 노즐(60)을 이용하여 각 불량 셀을 하나씩 순차적으로 활성화할 수 있다.
본체(50)는 연료전지 스택의 활성화 공정을 수행하기 위하여 도 3에 도시한 바와 같이 탱크(40)에서 노즐(60)로 극성 용매(42)를 이송하는 이송부(52), 이송 부(52)를 제어하는 제어부(54), 활성화 공정 후에 연료전지 스택의 각 셀의 성능을 측정하는 측정부(56), 및 측정된 각 셀의 전압 중 기준 전압보다 낮은 셀의 정보를 출력하는 표시부(58)를 구비한다. 제어부(54)는 측정부(56)에서 측정된 각 셀의 전압과 기준 전압을 비교하고, 출력 전압이 기준 전압보다 낮은 셀에 대한 정보를 표시부(58)로 전달한다. 여기서 셀에 대한 정보는 순서대로 적층된 셀의 일련번호를 포함한다.
본 실시예의 활성화 장치를 이용하는 활성화 공정을 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 스택의 활성화 공정 중에 어느 하나의 셀이 활성화되지 않은 경우, 먼저 특정 위치에 분출구(42)가 설치되어 있는 노즐(60)을 선택한다(S10). 여기서, 선택되는 노즐(60)은 애노드 인렛 매니폴드에 삽입되었을 때 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치에 분출구(42)가 위치하는 노즐을 가리킨다.
다음, 노즐(60)의 일단을 본체(50)에 유체소통 가능하게 연결한 후, 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드에 노즐(60)을 삽입한다(S15).
다음, 노즐(60)을 이용하여 비활성화된 셀에만 극성 용매(42)를 공급한다(S20).
전술한 공정에 의하면, 스택 내의 다른 셀들을 손상시키지 않으면서 활성화 공정 중에 비활성화된 특정 셀만을 선택적으로 활성화할 수 있다. 따라서, 균일한 성능의 스택을 제작하는데 기여할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 노즐(60a)의 분출구(64a)는 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드의 입구에서 가장 안쪽에 위치하는 셀(C20)의 채널 인렛과 마주하도록 설치된다. 노즐(60a)은 스테인리스 강 또는 불소 수지로 만들어질 수 있다.
본 실시예의 활성화 장치는 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드에 삽입된 노즐(60a)을 길이 방향으로 이동하면서 불량 셀의 채널 인렛과 마주하도록 분출구(64a)의 위치를 조절할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면이다.
도 5b를 참조하면, 본 실시예의 활성화 장치의 노즐(60b)은 그 외표면에 셀 표시부(66)를 구비한 것을 제외하고, 그 재료 및 구조 면에서 제2 실시예의 활성화 장치의 노즐과 동일하다.
셀 표시부(66)는 특정 불량 셀의 채널 인렛에 분출구(64a)를 손쉽게 위치시키도록 길이 방향으로 노즐(60b)을 얼마만큼 이동시킬지를 알려준다. 셀 표시부(66)를 이용하면, 불량 셀의 활성화 공정을 용이하게 수행할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예의 활성화 장치의 노즐(80)은 메인 노즐(92) 외에 보조 노즐(82)을 추가로 더 구비한다.
메인 노즐(92)은 분출구(94)를 구비하며, 보조 노즐(82)의 중공부(86)에 길 이 방향으로 삽입된다. 메인 노즐(92)는 그 재료 및 구조 면에서 도 5a를 참조하여 앞서 설명한 제2 실시예의 활성화 장치의 노즐과 실질적으로 동일하다. 따라서 이하의 설명에서는 메인 노즐을 단순히 노즐로도 언급한다.
보조 노즐(82)은 제1 셀(C1) 내지 제20 셀(C20)의 적층 구조를 구비한 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드에 삽입된다. 보조 노즐(82)은, 메인 노즐(92)이 복수의 셀들과 복수의 세퍼레이터 등이 적층되어 있는 애노드 인렛 매니폴드의 내표면을 슬라이딩하면서 길이 방향으로 이동할 때, 애노드 인렛 매니폴드의 내표면에 발생할 수 있는 손상을 방지한다. 보조 노즐(82)은 애노드 인렛 매니폴드의 내표면의 손상을 방지하기 위하여 불량 셀의 활성화 공정에서 삽입된 후 제거되지 않고 그대로 연료전지 스택의 일부 요소로 유지될 수 있다.
보조 노즐(82)은 스테인리스 강 또는 불소 수지로 만들어질 수 있다. 다만, 보조 노즐(82)은 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드 내에 고정적으로 삽입될 때, 셀들 간의 단락을 방지하도록 절연성을 구비한다.
본 실시예의 활성화 장치는 보조 노즐(82)을 추가로 이용함으로써, 불량 셀의 활성화 공정 중에 애노드 인렛 매니폴드에 노출된 구성요소, 예컨대 막전극 접합체, 세퍼레이터 등의 손상을 방지하고 불량 셀의 활성화 공정 중에 추가로 불순물이 발생하여 재차 불량 셀이 발생하는 것을 방지한다.
물론 본 실시예의 메인 노즐(92)은 제3 실시예의 활성화 장치의 노즐에 설치된 셀 표시부를 구비할 수 있다.
도 6b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b를 참조하면, 본 실시예의 활성화 장치의 노즐(80a)은 메인 노즐(92a) 외에 보조 노즐(82a)을 추가로 더 구비한다.
메인 노즐(92a)은 제1 요철부(96)를 제외하고, 그 재료 및 구조 면에서 도 6a를 참조하여 앞서 설명한 제4 실시예의 활성화 장치의 메인 노즐과 동일하다.
보조 노즐(82a)은 제2 요철부(88)를 제외하고, 그 재료 및 구조 면에서 도 6a를 참조하여 앞서 설명한 제4 실시예의 활성화 장치의 보조 노즐과 동일하다.
제1 요철부(96)와 제2 요철부(88)는 서로 끼워지며, 보조 노즐(82a)에 대향하여 메인 노즐(92a)이 길이 방향으로 왕복 운동할 수 있도록 가이드로서 기능한다.
도 7은 본 발명의 제2 내지 제5 실시예들 중 어느 하나에 따른 연료전지 스택의 활성화 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 활성화 장치의 본체에서 연료전지 스택의 활성화 공정 중에 활성화되지 않은 적어도 어느 하나의 셀을 검출한다(S30).
다음, 연료전지 스택을 분해하지 않고 비활성화된 셀만을 선택적으로 활성화하기 위하여, 본체에 그 일단이 연결된 노즐을 애노드 인렛 매니폴드에 삽입한다(S35).
다음, 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하도록 노즐의 분출구 위치를 조절한다(S40). 이때, 노즐은 애노드 인렛 매니폴드의 입구측에서 매니폴드의 가장 안쪽에 위치하는 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치에 설치된 분출구를 구비한다.
본 단계(S40)에서 분출구의 위치는 전술한 제2 내지 제5 실시예의 노즐들을 이용하여 용이하게 수행될 수 있다. 특히, 전술한 제2 실시예의 노즐(60a)은 연료전지 스택의 애노드 인렛 매니폴드 내부가 스택의 적어도 일부를 구성하는 투명한 재료를 통해 외부에 보이는 경우에 사용하는 것이 바람직하다.
다음, 노즐을 통해 비활성화된 셀에만 극성 용매를 공급한다(S45).
전술한 공정에 의하면, 연료전지 스택을 분해하지 않고 활성화 공정 중에 비활성화된 특정 셀만을 선택적으로 활성화할 수 있다. 따라서, 스택 내의 다른 셀들을 손상시키지 않고 불량 셀의 성능을 회복시킴으로써 용이하게 스택 성능을 확보할 수 있다.
도 8은 본 발명의 활성화 장치를 이용하는 연료전지 스택에 대한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 연료전지 스택(100)은 애노드 촉매층(103a)과 제1 기체확산층(105a)을 구비한 애노드, 캐소드 촉매층(103b)과 제2 기체확산층(105b)을 구비한 캐소드, 및 애노드와 캐소드를 분리하는 전해질(101)을 포함한다. 애노드, 전해질(16) 및 캐소드의 적층체는 셀을 구성하며, 소위 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)로 불린다.
또한, 연료전지 스택(100)은 세퍼레이터(107), 개스킷(109), 한 쌍의 엔드 플레이트(111), 체결부재(113), 연료 유동용 인렛 매니폴드(121), 및 연료 유동용 아웃렛 매니폴드(123)를 포함한다.
세퍼레이터(107)는 소위 분리판이라고 불리며, 셀들 사이에 설치되며, 셀들 과 적층체를 형성하고, 각 셀의 애노드에 혼합 연료를 공급하기 위한 복수의 연료 유동용 채널들(108a) 및/또는 각 셀의 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제 유동용 채널(108b)을 구비한다.
개스킷(109)은 각 셀에 공급되는 혼합 연료 및 산화제가 누설되지 않고 외부의 공기나 불순물이 침투하지 않도록 각 셀을 기밀하게 밀봉한다.
한 쌍의 엔드 플레이트(111)는 셀들과 세퍼레이터(107)가 적층된 적층체의 양단에 배치되며, 적층 방향에서 적층체를 지지하도록 체결 부재(113)에 의해 서로 결합한다.
제작된 연료전지 스택(100)은 활성화 공정을 통해 활성화된다. 하지만, 여러 이유로 일부 셀들이 활성화되지 않는 경우, 본 실시예의 활성화 장치를 이용하여 비활성화된 셀만을 선택적으로 활성화할 수 있다. 활성화 공정은 전술한 본 실시예의 활성화 장치의 노즐(60a)을 이용하여 용이하게 수행될 수 있다.
인렛 매니폴드(121)에 삽입되는 노즐(60a)은 인렛 매니폴드(121)의 단면 형상과 동일한 단면 형상을 구비한다. 따라서, 인렛 매니폴드(121)의 단면 형상이 타원형이나 육각형 등의 다각형으로 변경되는 경우, 노즐(60a)의 단면 형상도 인렛 매니폴드(121)의 단면 형상에 따라 변경된다.
본 실시예에 의하면, 제작된 스택의 활성화 공정이 마친 후에도 스택을 분해하지 않고 특정 셀만을 선택적으로 활성화할 수 있다. 따라서, 스택 분해에 따른 스택 성능 저하를 방지할 수 있고, 일부 불량 셀의 성능이 저하된 채로 출고되는 스택 수량을 감소시킴으로써, 스택 성능의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 9a는 연료전지 스택의 활성화 공정 후의 성능 테스트에서 불량 셀을 검출하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 9b는 도 9a의 연료전지 스택을 분해한 후 불량 셀만을 활성화한 경우의 스택 성능을 보여주는 그래프이다. 도 9c는 본 발명의 활성화 장치를 이용하여 도 9a의 연료전지 스택을 분해하지 않고 불량 셀만을 선택적으로 활성화한 경우의 스택 성능을 보여주는 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 21개의 셀들을 구비한 연료전지 스택에서 제16번 셀이 불량 셀로 검출된 것을 알 수 있다.
불량 셀의 검출은 제작된 연료전지 스택을 극성 용매를 이용하여 활성화하는 활성화 장치의 본체에서 활성화 공정을 통과한 연료전지 스택의 각 셀의 출력 전압을 측정하고, 측정된 출력 전압을 기준 전압과 비교하거나 다른 셀들과 비교함으로써 수행될 수 있다.
한편, 불량 셀이 검출된 연료전지 스택을 분해한 후, 불량 셀의 불량 원인을 제거하거나 정상적인 셀로 교체할 수 있다. 하지만, 그 경우 아직 활성화되지 않은 특정 셀과 이미 활성화된 셀들을 다시 조립한 후 전체 셀들에 대하여 다시 활성화 공정을 수행하면, 도 9b에 도시한 바와 같이, 셀들 대부분에서 성능이 감소한 것을 확인할 수 있다. 그것은 이미 활성화된 셀들을 재차 극성 용매로 활성화함으로써 이미 활성화된 셀들의 촉매층이나 전해질막이 손상을 입었기 때문이다.
본 실시예에서는 활성화 공정을 거친 스택에 대하여 전체적으로 다시 활성화 공정을 수행하지 않고 활성화되지 않은 특정 셀만을 활성화한다. 따라서, 도 9c에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 활성화 장치를 이용하면, 비활성화된 제16번 셀만 을 활성화하여 스택 전체의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 직접 메탄올형 연료전지 방식으로 제작된 적층형 스택에 적용되는 활성화 방법 및 장치에 관하여 설명하였다. 하지만 고분자 전해질형 연료전지 방식으로 제작된 적층형 스택을 고농도의 극성 용매을 이용하여 활성화하는 공정에도 본 실시예의 활성화 방법 및 장치를 용이하게 적용할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 전술한 실시예에서는 적층형 연료전지 스택이 출고되기 전에 수행되는 최초 활성화 공정에 채용된 활성화 방법 및 장치에 관하여 설명하였다. 하지만, 최종 사용자의 사용 중에 발생할 수 있는 적층형 연료전지 스택의 어느 하나의 불량 셀에 대한 재활성화(reactivating)를 위하여 본 실시예의 활성화 장치 및 방법을 용이하게 적용할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성화 장치의 블록도.
도 2는 도 1의 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 정면도.
도 3은 도 1의 활성화 장치의 본체를 설명하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 활성화 공정의 흐름도.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면.
도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면.
도 6a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면.
도 6b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 활성화 장치의 노즐을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 제2 내지 제5 실시예들 중 어느 하나에 따른 연료전지 스택의 활성화 공정을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 본 발명의 활성화 장치를 이용하는 연료전지 스택에 대한 단면도.
도 9a는 연료전지 스택의 활성화 공정 후의 성능 테스트에서 불량 셀을 검출하는 과정을 설명하기 위한 그래프.
도 9b는 도 9a의 연료전지 스택을 분해한 후 불량 셀만을 활성화한 경우의 스택 성능을 보여주는 그래프.
도 9c는 본 발명의 활성화 장치를 이용하여 도 9a의 연료전지 스택을 분해하지 않고 불량 셀만을 선택적으로 활성화한 경우의 스택 성능을 보여주는 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
30 : 활성화 장치
40 : 탱크
50 : 본체
60, 60a, 60b, 80, 80a : 노즐
64, 64a, 94 : 분출구
82, 82a : 보조 노즐
100 : 연료전지 스택

Claims (12)

  1. 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 활성화하는 데 사용되는 극성 용매를 저장하는 탱크;
    상기 극성 용매를 상기 연료전지 스택으로 이송하는 이송부와 상기 이송부를 제어하는 제어부를 구비하는 본체; 및
    상기 본체에 그 일단이 결합하며, 상기 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입되며, 상기 복수의 셀들 중 적어도 어느 하나의 비활성된 셀의 채널 인렛과 마주하여 배열되는 분출구를 구비하고, 상기 분출구를 통해 상기 비활성된 셀의 채널에만 상기 극성 용매를 분출하는 노즐을 포함하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분출구는 상기 극성 용매가 유입되는 상기 인렛 매니폴드의 입구측에서 상기 인렛 매니폴드의 가장 안쪽에 위치하는 셀의 채널 인렛과 마주하도록 설치되는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 셀들의 각 채널 인렛과 마주하여 배치되는 복수의 분출구들을 구비하고 상기 인렛 매니폴드에 삽입되는 보조 노즐을 더 포함하며,
    상기 노즐은 상기 보조 노즐의 길이 방향으로 왕복 운동하도록 상기 보조 노 즐의 중공부에 끼워지는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 제1 요철부를 구비하고, 상기 보조 노즐은 제2 요철부를 구비하며, 상기 제1 요철부와 상기 제2 요철부는 서로 끼워져 길이방향으로 슬라이딩하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 왕복 운동시 상기 분출구가 상기 비활성된 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치를 표시하도록 설치된 셀 표시부를 구비하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 표시부는 상기 복수의 셀들의 채널 인렛들이 배열된 간격과 동일한 간격으로 나열되는 복수의 눈금선들 및 상기 적어도 일부 눈금선들 옆에 표기된 셀 일련번호들을 구비하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 스테인리스 강 또는 불소 수지로 이루어지는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 극성 용매는 10몰의 메탄올 수용액 또는 메탄올과의 공용매인 연료전지 스택의 활성화 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 상기 각 셀의 출력 전압을 측정하는 측정부, 및 상기 제어부에서 전달되는 정보를 표시하는 표시부를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 출력 전압과 기설정된 기준 전압을 비교하고, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압보다 낮은 셀의 일련번호에 대한 정보를 출력하는 연료전지 스택의 활성화 장치.
  10. 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 극성 용매으로 활성화하는 공정에서 비활성화된 셀을 검출하고, 상기 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하는 위치에 분출구가 구비된 노즐을 선택하는 단계;
    활성화 장치에 그 일단이 결합된 노즐을 상기 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입하는 단계;
    상기 노즐을 통해 상기 비활성화된 셀의 채널에만 상기 극성 용매을 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 활성화 방법.
  11. 연료전지 스택 내의 복수의 셀들을 극성 용매으로 활성화하는 공정에서 비활성화된 셀을 검출하는 단계;
    활성화 장치에 그 일단이 결합된 노즐을 상기 연료전지 스택의 인렛 매니폴드에 삽입하는 단계;
    상기 비활성화된 셀의 채널 인렛과 마주하도록 상기 노즐의 분출구 위치를 조절하는 단계; 및
    상기 노즐을 통해 상기 비활성화된 셀의 채널에만 상기 극성 용매을 공급하는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 활성화 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 노즐의 분출구 위치를 조절하는 단계는, 상기 인렛 매니폴드에서 상기 노즐을 길이 방향으로 이동시키면서 상기 비활성화된 셀의 번호에 대응하는 셀 일련번호-여기서, 상기 셀 일련번호는 상기 노즐의 외표면에 설치된 셀 표시부에 표시됨-의 눈금선을 상기 인렛 매니폴드가 노출된 면과 일치시키는 단계를 포함하는 연료전지 스택의 활성화 방법.
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