[논문]고분자전해질형 연료전지의 성능해석 및 효율에 관한 연구

김홍건; 김유신; 양성모; 나석찬

문제 정의

따라서 본 논문에서는 이온전도성 촉매층과 소수성 촉매 층을 결합한 이중구조 촉매층을 갖도록 전해질막을 설계하고 고분자전해질형 연료전지의 분극현상에 의한 영향분석을 통하여 이상적 작동을 위한 효율향상 방법을 제시하였다.
여기서, iL은 한계전류이다. 본 논문에 사용된 단위연료전지의 출력목표는 셀 전압이 최대로 접근할 수 있도록 분극을 최소화하는 것이다. 전극 구조의 향상, 좋은 전기촉매, 전도성이 좋은 전해질, 얇은 셀 구성품 등 연료전지의 설계 조건을 개선함으로써 접근될 수 있다.
본 논문에서는 이러한 손실들을 면밀히 검토하기 위하여 각각의 손실원인과 특성들을 규명하였다. 첫째, 전압손실의 가장 주된 원인인 활성화 분극은 전극 표면의 전기화학적인 반응율이 느린 전극 운동의 지배를 받는 곳에 존재한다.
본 연구에서는 단위연료전지시스템을 제작하고 그에 따른 성능시험을 통하여 손실 발생요인과 효율성 평가를 실시 하였고 분극현상 및 효율에 관하여 정립하였다. 또한 촉매층 형성 및 성능시험을 통하여 제작방법 및 효율에 관한 자료를 확보하였으며 결론은 다음과 같다.
지금까지 기술한 결과를 이용하여 본 논문에서는 단위연 료전지를 제작하여 분극현상에 의한 손실과 막 건조방지를 위한 실험을 실시하였다. 고분자전행질형 연료전지의 성능 해석과 효율분석을 위하여 본 논문에서는 아래의 Fig.

제안 방법

지금까지 기술한 결과를 이용하여 본 논문에서는 단위연 료전지를 제작하여 분극현상에 의한 손실과 막 건조방지를 위한 실험을 실시하였다. 고분자전행질형 연료전지의 성능 해석과 효율분석을 위하여 본 논문에서는 아래의 Fig. 2와 같이 PEMFC 시스템을 설계하였고 중간에 막가습기를 두어 가습에 의한 영향과 촉매층의 활성 영향을 고찰하였다. 고분자전해질 막으로는 DuFoW의 Nafion 115를 사용하였 고 Nafion은 Perfluorosulfonic Acid 계열의 고분자물질로 전해질로 사용하기 위해 막 표면의 유기물질을 제거하고 H* 형태로 이온 교환을 하였다.
이 탄소종이를 사용한 막-전극 접합체, 즉 MEA(Membrane Electrolyte Assembly)를 제작하기 위하여 중앙에 Nafion을 두고 양쪽에 탄소전극을 결합하였다. 그리고 단위전지 조립은 공급가스가 흐를 수 있도록 제작된 흑연(Graphite)재질의 유로판(FZow Field PZafes)과 두랄루민 재질의 양 끝판(End Plates)으로 이루어진 셀 프레임에 전극 면적(25cm2)의 막-전극 접합체(MEA)와 테플론 개스 킷을 부착하여 구성하였다. 실험조건으로는 1aun, 25℃, 공급압력 2bar의 조건을 주어 실험하였다.
5는 고분자전해질형 연료전지의 효율곡선으로서 본 연구에서는 연료전지 작동시 높은 구간의 효율을 갖도록 막가습 및 이중구조 촉매층을 사용하였다. 그림에서 보이는 바와 같이 원 안에서 연료전지가 원활한 작동을 하고 고효율을 갖도록 연료전지의 작동조건을 고찰하였다. Fig.
6에서 보이는 바와 같이 1차 실험결과 가습을 하지 않은 상태에서의 연료전지는 전해질 막의 건조현상으로 인하여 출력 활성이 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 2차 실험으로 건조현상을 줄이기 위하여 스택의 막에 가습을 실시하고 그에 따른 출력특성의 영향을 알아보았다. 그 결과 단위연료전 지 내에 가습을 실시한 후의 출력은 0.
본 연구에서는 단위연료전지시스템을 제작하고 그에 따른 성능시험을 통하여 손실 발생요인과 효율성 평가를 실시 하였고 분극현상 및 효율에 관하여 정립하였다. 또한 촉매층 형성 및 성능시험을 통하여 제작방법 및 효율에 관한 자료를 확보하였으며 결론은 다음과 같다.
또한 그 때의 연료전지 효율은 약 41% 증가되었다. 마지막 3차는 스택의 막에 가습을 실시하고 촉매층을 이중구조를 갖도록 하여 실험을 수행하였다. 그 결과 연료전지의 출력은 0.
그리고 단위전지 조립은 공급가스가 흐를 수 있도록 제작된 흑연(Graphite)재질의 유로판(FZow Field PZafes)과 두랄루민 재질의 양 끝판(End Plates)으로 이루어진 셀 프레임에 전극 면적(25cm2)의 막-전극 접합체(MEA)와 테플론 개스 킷을 부착하여 구성하였다. 실험조건으로는 1aun, 25℃, 공급압력 2bar의 조건을 주어 실험하였다. Fig.
아래의 Fig. 5는 고분자전해질형 연료전지의 효율곡선으로서 본 연구에서는 연료전지 작동시 높은 구간의 효율을 갖도록 막가습 및 이중구조 촉매층을 사용하였다. 그림에서 보이는 바와 같이 원 안에서 연료전지가 원활한 작동을 하고 고효율을 갖도록 연료전지의 작동조건을 고찰하였다.
3은 발수처리가 완료된 탄소종이를 보여준다. 이 탄소종이를 사용한 막-전극 접합체, 즉 MEA(Membrane Electrolyte Assembly)를 제작하기 위하여 중앙에 Nafion을 두고 양쪽에 탄소전극을 결합하였다. 그리고 단위전지 조립은 공급가스가 흐를 수 있도록 제작된 흑연(Graphite)재질의 유로판(FZow Field PZafes)과 두랄루민 재질의 양 끝판(End Plates)으로 이루어진 셀 프레임에 전극 면적(25cm2)의 막-전극 접합체(MEA)와 테플론 개스 킷을 부착하여 구성하였다.
전극 제조용 잉크는 R/C와 Nafion 용액을 용매(/PA)에 분산시켜 제조하였으며, 고분산을 위해 초음파 처리를 하였다. 이렇게 하여 제조된 촉매 잉크를 에어 브러쉬건을 이용하여 탄소종이 위에 코팅을 하였고, 그 위에 용매로 희석시킨 이오노머를 추가로 도포하여 산화극과 환원극의 촉매층을 형성시켰으며, 촉매제로 사용 되는 백금 함유량은 0.5mg/cW로 하였다.
7V로 1, 2차 실험 조건에 비하여 높은 값을 얻을 수 있었으며 이 때 연료전지 효율은 47% 이상이 됨을 알 수 있었다. 이상과 같은 1, 2, 3차의 실험을 통하여 본 논문에서는 연료전지의 작동 시에 효율향상을 위한 실험조건을 만족하는 단위연료전지를 제작 하고 실험을 실시하였으며 최종적으로 아래의 Fig. 6과 같은 단위전지의 출력밀도 특성 곡선을 얻을 수 있었다.
촉매로는 탄소입자 (Vulcan XC-72R)에 백금(R)이 20% 분산된 Pr/Cf 사용하였고 촉매 지지체로는 발수성을 주기 위해 발수제(PTFE)를 20% 함유한 탄소종이를 사용하였다. 전극 제조용 잉크는 R/C와 Nafion 용액을 용매(/PA)에 분산시켜 제조하였으며, 고분산을 위해 초음파 처리를 하였다. 이렇게 하여 제조된 촉매 잉크를 에어 브러쉬건을 이용하여 탄소종이 위에 코팅을 하였고, 그 위에 용매로 희석시킨 이오노머를 추가로 도포하여 산화극과 환원극의 촉매층을 형성시켰으며, 촉매제로 사용 되는 백금 함유량은 0.

대상 데이터

고분자전해질 막으로는 DuFoW의 Nafion 115를 사용하였 고 Nafion은 Perfluorosulfonic Acid 계열의 고분자물질로 전해질로 사용하기 위해 막 표면의 유기물질을 제거하고 H* 형태로 이온 교환을 하였다. 촉매로는 탄소입자 (Vulcan XC-72R)에 백금(R)이 20% 분산된 Pr/Cf 사용하였고 촉매 지지체로는 발수성을 주기 위해 발수제(PTFE)를 20% 함유한 탄소종이를 사용하였다. 전극 제조용 잉크는 R/C와 Nafion 용액을 용매(/PA)에 분산시켜 제조하였으며, 고분산을 위해 초음파 처리를 하였다.

성능/효과

(1) 출력손실 원인은 전류밀도가 낮은 영역에서는 주로 활성 분극에 의한 영향으로 사료되며, 전류밀도를 높여 실험한 결과 내부저항과 확산분극에 의한 손실이 나타남을 알 수 있었다.
따라서 2차 실험으로 건조현상을 줄이기 위하여 스택의 막에 가습을 실시하고 그에 따른 출력특성의 영향을 알아보았다. 그 결과 단위연료전 지 내에 가습을 실시한 후의 출력은 0.6V로 향상된 결과를 보여줌으로써 연료전지의 원활한 작동을 위해서는 전해질 막의 가습이 필수적임을 알 수 있었다. 또한 그 때의 연료전지 효율은 약 41% 증가되었다.
마지막 3차는 스택의 막에 가습을 실시하고 촉매층을 이중구조를 갖도록 하여 실험을 수행하였다. 그 결과 연료전지의 출력은 0.7V로 1, 2차 실험 조건에 비하여 높은 값을 얻을 수 있었으며 이 때 연료전지 효율은 47% 이상이 됨을 알 수 있었다. 이상과 같은 1, 2, 3차의 실험을 통하여 본 논문에서는 연료전지의 작동 시에 효율향상을 위한 실험조건을 만족하는 단위연료전지를 제작 하고 실험을 실시하였으며 최종적으로 아래의 Fig.
무에 따라 단위전지의 출력에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 이온전도성과 소수성 촉매층을 형성하여 실험한 결과 기존의 단일성을 갖는 촉매층에 비하여 성능이 향상됨을 알 수 있었으며 이때의 단위전지 출력밀도 특성 곡선을 도출 할 수 있었다.
여기서, a는 전극반응에서 전자의 이동상수, 由는 교환전 류 밀도이다. 둘째, 저항분극(Eahm)은 전해질에서 이온의 이동 저항과 전극 물질에서 전자의 이동 저항으로 일어난다. 전해질은 통한 지배적인 저항 분극은 전극의 분해를 줄이고 전해질의 전도도를 향상시킴으로써 감소시킬 수 있다.
(2) 연료전지 내에 가습의 유.무에 따라 단위전지의 출력에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 이온전도성과 소수성 촉매층을 형성하여 실험한 결과 기존의 단일성을 갖는 촉매층에 비하여 성능이 향상됨을 알 수 있었으며 이때의 단위전지 출력밀도 특성 곡선을 도출 할 수 있었다.

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