[논문]고분자 전해질 연료전지의 활성화

고재준; 고행진; 송민규; 양유창; 이종현

문제 정의

본 연구에서는 연료전지의 활성화가 성능에 미치는 영향 및 활성화에 영향을 주는 운전 요소들을 평가 분석하였고, 적절한 연료전지의 활성화 방법을 제시하였다.

가설 설정

이때 전류값에 따라 가스 유량을 조절해 준다. 4) 운전이 끝나면 전류를 차단한 후 유량 공급을 중단한다.

제안 방법

,anostat FC350을 사용하여 ImHz부터 50kHz의 주파수 범위에서 측정하였다. 기준전극이자 상대 전극으로 수소전극을 사용하였고,교류전압의 진폭은 2A로 하였으며, 전지에 각각 40A, 100A, 200A의 일정 전류를 걸어준 상태(Gal.,anostatic mode)에서 각 운전 조건에 따른 임피던스 분석을 실시하였다.
막-전극 접합체(MEA)로는 전 극 면적이 250cm2인 상용 MEA가 사용되었고, 가스확산층 (GDL)은 SGL사의 20Series가 사용되었다. 셀 수는 3셀로 하여 제작하였으며, 이를 연료전지 운전장치 (Test station)에 장착하여 평가하였다.
1은 연료전지 평가를 위한 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 스 택의 온도는 스택내부 냉각 유로를 순환하는 D-I water 저장용 기 인 냉각수 순환 장치(Water bath circulator)의 온도 및 유량 제어를 통하여 조절하였다. 연료전지의 성능은 전자부하(TDIRBL488 series)와 Data Recorder를 이용하여 전류와 전압측정을 통해 평가하였고, 연료전지의 분극저항 측정을 위해 임피던스 분석 장치 (Gamry, Model FC350)를 이용하였다.
2와 3은 운전 전압이 MEA의 활성화에 미치는 영향을 평가한 결과이다. 연료전지 운전 후 전류 제어를 통해 연료전지의 전압을 각각 0.60~0.62V와 0.40~0.42V에 가깝게 맞추어 평가하였다. 활성화 시작 직후 정전류 조건에서 전압이 급격히 상승함을 알 수 있고, 이때 전류량을 증가시켜 전압을 일 정 전압 범위에 들어오도록 맞추었다.
연료전지는 공급가스가 흐를 수 있는 서펜타인 유로가 형성 된 분리판 사이에 막-전극 접합체와 가스확산층을 둔 후 일정 압력으로 체결하여 제작하였다. 막-전극 접합체(MEA)로는 전 극 면적이 250cm2인 상용 MEA가 사용되었고, 가스확산층 (GDL)은 SGL사의 20Series가 사용되었다.
스 택의 온도는 스택내부 냉각 유로를 순환하는 D-I water 저장용 기 인 냉각수 순환 장치(Water bath circulator)의 온도 및 유량 제어를 통하여 조절하였다. 연료전지의 성능은 전자부하(TDIRBL488 series)와 Data Recorder를 이용하여 전류와 전압측정을 통해 평가하였고, 연료전지의 분극저항 측정을 위해 임피던스 분석 장치 (Gamry, Model FC350)를 이용하였다.
일정 전압하에서 연료전지를 3시간 동안 운전하는 것으로 연료전지를 완전히 활성화 시킬 수 없음을 앞 실험을 통해서 알았다. Fig.
7은 연료전지에 전압 사이클을 가함으로 셀 내부 에 유동변화를 주면서 활성화를 한 결과이다. 전압 사이클은 일정 시간 동안 전류를 뽑아 일정 전압을 유지한 후, 다시 전류 를 제거하여 0CV상태로 연료전지를 두는 사이클로 이를 반복 하여 실시하였다. Fig.
9는 가습조건이 활성화에 미치는 영향을 평가한 결과이다. 활성화 절차는 그림 7에서와 동일하게 OCV와 0.4V의 전 압 사이클을 각 1분과 10분씩 주어 실시하였다. 수소극과 공기 극으로 들어가는 반응 가스의 상대습도를 각각 100%로 하였을 때에는 약 2시간 30분 지났을 때, 전지 성능이 약 0.

대상 데이터

대면적의 MEA의 분극저항을 측정하기 위해 고전류에서의 임피던스 분석이 가능한 Gamry Potentiostat/Gal.,anostat FC350을 사용하여 ImHz부터 50kHz의 주파수 범위에서 측정하였다. 기준전극이자 상대 전극으로 수소전극을 사용하였고,교류전압의 진폭은 2A로 하였으며, 전지에 각각 40A, 100A, 200A의 일정 전류를 걸어준 상태(Gal.
연료전지는 공급가스가 흐를 수 있는 서펜타인 유로가 형성 된 분리판 사이에 막-전극 접합체와 가스확산층을 둔 후 일정 압력으로 체결하여 제작하였다. 막-전극 접합체(MEA)로는 전 극 면적이 250cm2인 상용 MEA가 사용되었고, 가스확산층 (GDL)은 SGL사의 20Series가 사용되었다. 셀 수는 3셀로 하여 제작하였으며, 이를 연료전지 운전장치 (Test station)에 장착하여 평가하였다.
반응가스로는 수소와 공기를 이용하였고, 유량은 전류량이 변할 때마다 전기화학적 양론비인 Stoichiometry ratio로 수 소 L5, 공기 2.0을 맞추어 홀려주었다.

성능/효과

두조건 모두 활성화 초기에 급격한 성능 증가율을 나타냈고, 시간이 지남에 따라 완만 한 성능 증가율을 나타냈다. 0.4V에서 10분 동안 유지시켰을 때에는 약 2시간 30분 후 성능이 일정하게 나와 활성화가 완료 됨을 알 수 있었고, 5분 동안 유지 시켰을 때에 약 2시간 후부터 성능이 일정하게 나옴을 알 수 있다. 이때의 활성화 완료 기 준은 각 사이클시 1600m/cm2의 전류밀도에서 전압 차이 3mV 이내로 하였다.
4V에서는 각각 10분과 5분으로 둔 상태에서 전류 변화를 측정한 그림이다. 두조건 모두 활성화 초기에 급격한 성능 증가율을 나타냈고, 시간이 지남에 따라 완만 한 성능 증가율을 나타냈다. 0.
즉, 활성화를 통해 저항과 과전압이 줄어듬을 알 수 있다. 또한 0.4V에서 3시간동안 활성화 과정을 거친 경우에는 전해질 저항은 완전 활성화 한 것과 거의 같지 만 전하 전달 저항과 물질전달 과전압의 경우에는 활성화 후가 적은 과전압을 나타냄을 알 수 있다.
연료전지의 활성화를 빠르고 완전하게 하기 위해서는 높은 온도 및 높은 상대습도 조건에서 저전압과 OCV 상태의 전압 사이클을 반복적으로 주며 실시하였을 때 가장 좋은 결과를 나타내었다. 특히 운전온도 70℃, 상대습도 100/100%에서 OCV와 0.
4V의 전압 사이클을 각각 1분과 5분씩 실시하였을 때 2시간 이내로 활성화를 완료시킬 수 있다. 이러한 전압 사이클 활 성화 절차는 동일 운전조건에서 사용한 기존 방법보다 3배의 활성화 시간을 단축할 수 있고, 활성화시 소요되는 수소 사용 량을 2.4배 줄일 수 있었다.
4V에서 10분간 유지하고 OCV에서 1분간 유지할 때, 0CV의 변화율을 시간에 따라 나타낸 결과이다. 초기 OCV 값은 0.892V로 낮은 값을 나타내었지만, 전압 사이클이 반복 됨에 따라 OCV가 높아 졌고, 활성화가 점차 완료되어 감에 따라 0CV 변화율이 줄어 들었다. 이는 성능 증가율과 같은 경향을 나타내며, 그 원인으로는 OCV값에 영향을 미치는 요소인 반응가스 크로스오버(Crossover)가 활성화가 진행됨에 따라 전해질 막이 수화되어 줄어들었기 때문이다.

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