고분자전해질 연료전지의 성능은 cell 온도, 전체 압력, 반응 기체의 부분 압력 상대습도와 같은 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다. 이온화된 수소 이온은 $H_3O^+$의 형태로 membrane을 통과하여 물을 생성하는 반응으로 전기를 발생시킨다. 대용량 연료전지에서는 부수적으로 생성되는 열을 제거하거나 다른 용도로 사용할 목적으로 냉각시스템이 필요하다. 냉각수의 전도도가 상승할 경우에 연료전지에서 발생된 전류의 일부가 냉각수를 통하여 누설되어 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 3차 증류수와 ethylene glycol이 함유되어 있는 부동액을 사용하여 저항 수치 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 부동액을 냉각수로 사용한 경우는 43일이 지나도 저항값이 설정치 이하로 내려가지는 않았지만, stack분리판의 접착부에 이상이 생긴 것으로 추정되는 연료전지의 성능 저하가 발생하여 전도도 실험을 중단하였다. 고분자전해질 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 소용량 연료전지에서는 무가습 조건을 적용하여 연료전지의 효율을 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으나 대용량 연료전지에서는 양측 무가습인 경우에 $50{\sim}60^{\circ}C$ 이상의 고온에서 성능이 발현되기 어려운 것으로 관찰되었다. 냉각수의 유량을 다르게 하여 실험을 수행한 경우에는 0.78L/min과 같은 낮은 유량에서 출구온도와 입구온도를 측정하여 본 결과 두 온도 사이에 ${\Delta}T$가 다른 유량에서보다 크게 발생하여 성능이 감소된 것으로 사료된다. 이와 같이 냉각수의 온도와 유량을 다르게 하여 양측 무가습 실험을 수행한 결과, 연료전지의 성능이 cell 온도에 직접적인 연관이 있는 것으로 관찰되었다.
고분자전해질 연료전지의 성능은 cell 온도, 전체 압력, 반응 기체의 부분 압력 상대습도와 같은 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다. 이온화된 수소 이온은 $H_3O^+$의 형태로 membrane을 통과하여 물을 생성하는 반응으로 전기를 발생시킨다. 대용량 연료전지에서는 부수적으로 생성되는 열을 제거하거나 다른 용도로 사용할 목적으로 냉각시스템이 필요하다. 냉각수의 전도도가 상승할 경우에 연료전지에서 발생된 전류의 일부가 냉각수를 통하여 누설되어 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 3차 증류수와 ethylene glycol이 함유되어 있는 부동액을 사용하여 저항 수치 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 부동액을 냉각수로 사용한 경우는 43일이 지나도 저항값이 설정치 이하로 내려가지는 않았지만, stack 분리판의 접착부에 이상이 생긴 것으로 추정되는 연료전지의 성능 저하가 발생하여 전도도 실험을 중단하였다. 고분자전해질 연료전지에서는 수소이온의 이온전도성 저하를 방지하기 위하여 외부에서 가습하여 주는 방식이 일반적이지만, 소용량 연료전지에서는 무가습 조건을 적용하여 연료전지의 효율을 높이고 제작단가도 경감할 수 있다. 이를 위하여 저가습 및 무가습 실험을 수행하였으나 대용량 연료전지에서는 양측 무가습인 경우에 $50{\sim}60^{\circ}C$ 이상의 고온에서 성능이 발현되기 어려운 것으로 관찰되었다. 냉각수의 유량을 다르게 하여 실험을 수행한 경우에는 0.78L/min과 같은 낮은 유량에서 출구온도와 입구온도를 측정하여 본 결과 두 온도 사이에 ${\Delta}T$가 다른 유량에서보다 크게 발생하여 성능이 감소된 것으로 사료된다. 이와 같이 냉각수의 온도와 유량을 다르게 하여 양측 무가습 실험을 수행한 결과, 연료전지의 성능이 cell 온도에 직접적인 연관이 있는 것으로 관찰되었다.
Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance could be affected by various factors such as cell temperature, total pressure, partial pressure of reactants and relative humidity. Hydrogen ion is combined with water to form hydronium ion [$H_3O^+$] and pass through membrane resultin...
Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance could be affected by various factors such as cell temperature, total pressure, partial pressure of reactants and relative humidity. Hydrogen ion is combined with water to form hydronium ion [$H_3O^+$] and pass through membrane resulting electricity generation. Cooling system is needed to remove heat and other uses on large scale fuel cell. In case that collant conductivity is increased, fuel cell performance could be decreased because produced electricity could be leaked through coolant. In this study, triple distilled water(TDW) and antifreeze solution containing ethylene glycol was used to observe resistance change. Resistance of TDW was taken 28 days to reach preset value, and effect on fuel cell operation was not observed. Resistance of antifreeze solution was not reached to preset value up to 48 days, but performance failure occurred presumably caused by bipolar plate junction resulting stoppage resistance experiment. Generally PEMFC humidification is performed near-saturated operating conditions at various temperatures and pressures, but non-humidifying condition could be applied in small scale fuel cell to improve efficiency and reduce system cost. However, it was difficult to operate large scale fuel cell without humidifying, especially higher than $50{\sim}60^{\circ}C$. In case of small flux such as 0.78 L/min, temperature difference between inlet and outlet was occurred larger than other cases resulting performance decrease. Non-humidifying performance experiments were done at various cell temperature. When both of anode and cathode humidification were removed, cell performance was strongly depended on cell operating temperature.
Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance could be affected by various factors such as cell temperature, total pressure, partial pressure of reactants and relative humidity. Hydrogen ion is combined with water to form hydronium ion [$H_3O^+$] and pass through membrane resulting electricity generation. Cooling system is needed to remove heat and other uses on large scale fuel cell. In case that collant conductivity is increased, fuel cell performance could be decreased because produced electricity could be leaked through coolant. In this study, triple distilled water(TDW) and antifreeze solution containing ethylene glycol was used to observe resistance change. Resistance of TDW was taken 28 days to reach preset value, and effect on fuel cell operation was not observed. Resistance of antifreeze solution was not reached to preset value up to 48 days, but performance failure occurred presumably caused by bipolar plate junction resulting stoppage resistance experiment. Generally PEMFC humidification is performed near-saturated operating conditions at various temperatures and pressures, but non-humidifying condition could be applied in small scale fuel cell to improve efficiency and reduce system cost. However, it was difficult to operate large scale fuel cell without humidifying, especially higher than $50{\sim}60^{\circ}C$. In case of small flux such as 0.78 L/min, temperature difference between inlet and outlet was occurred larger than other cases resulting performance decrease. Non-humidifying performance experiments were done at various cell temperature. When both of anode and cathode humidification were removed, cell performance was strongly depended on cell operating temperature.
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문제 정의
수조의 온도를 8CFC로 설정할 경우에 냉각수의 온도는 약 30분 후에 설정값에 도달하게 된다. 본 연구에서는 냉각수의 온도가 설정치에 도달하는 과정에서 0.5초당 온도를 측정하여 냉각수의 유량과 온도가 연료전지에 미치는 영향을 관찰하는 실험을 수행하였다.
이와 같이 고분자전해질 연료전지에 대한 연구는 높은 상대습도 조건에서 수행된 것이 많았지만 일부에서는 외부 가습이 없는 운전에 대한 모델링, 2-6)건조한 반응 기체의 양론비 영향, 以7) 온도의 영향, "-m sell-humidifying polymer electrolyte membrane10, 11* 등의 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 효율적인 연료전지 운전을 목적으로 외부 가습이 없는 경우에 3차 증류수와 ethylene glycol이 함유되어 있는 부동액을 사용하여 저항 수치 변화, 온도에 따른 성능 변화, 냉각수 유량에 따른 성능 변화 실험을 수행하였고 이와 같은 실험을 통하여 새로운 냉각수가 연료전지에 미치는 영향을 관찰하였다.
제안 방법
수조에서 stack으로 들어가는 입구 부분에 전도도 센서 A를 장착하였고, 출구 부분에 센서 B를 장착하여 연료전지 실험과 휴지기에도 계속적으로 전도도의 변화를 관찰할 수 있도록 구성하였다. 전도도, 저항, 온도의 3가지 조건을 측정할 수 있는 전도도 센서를 사용하였고 3차 증류수를 사용한 경우에는 25。0로 보정된 저항 수치를 측정하였고, 부동액을 사용한 경우에는 실제 온도에 대한 저항 수치를 측정하였다. 저항값은 온도와 공기 중에 노출되는 시간에 따라 변하게 되므로 공기와의 접촉을 최대한 방지하고 온도를 일정하게 유지한 후 저항값의 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다.
Cell 온도 30, 40, 50, 60℃인 조건에서 2 ceU stack을 이용하여 anode와 cathode 양측 무가습 실험을 수행하였다. Fig.
전류 증가는 25 mA/cm% delay timee 120초로 설정하였고 마지막 50초 동안 100개 data의 평균값을 기록함으로서 정밀도가 높은 그래프를 얻을 수 있는 시스템을 구성하였다. Cell의 온도는 상온에서부터 증가시키면서 연료전지의 성능이 유지되는 온도까지 실시간으로 온도와 전압을 동시에 측정함으로서 anode와 cathode 양측 무가습 경우에 대한 cell 온도별 성능 변화를 관찰하였다. 이와 함께 냉각수의 유량을 1.
본 연구에서는 면적이 250 cn?이고 상용화된 전극-전해질 집합체를 사용하였으며, 2개의 ceU로 구성된 stack으로 실험을 수행하였다. Stack의 냉각수 입구와 출구 부분에 온도, 압력, 전도도를 측정하는 센서를 부착하였으며 LabVIEW 언어를 사용한 제어 logic을 제작하여 1초당 혹은 0.5초당 측정된 data가 Excel 파일에 자동적으로 저장되도록 구성하였다. 외부가습 장비인 가습기와 heater에는 RTD 온도 센서를 부착하였으며 시험 장비와 연결하여 PID 방식으로 제어하였다.
냉각수 유량과 cell 성능의 상관관계에 대한 실험을 수행하였다. 3차 증류수를 냉각수로 사용하고 constant current 100 A 조건하에서 냉각수의 유량을 변화시켰고 냉각수의 온도는 20~80。(2까지 실시간으로 변화시킨 경우의 유량에 대한 성능 변화를.
0 V에 도달하였다. 동일한 stack을 사용하여 일정한 전류조건하에서 cell 온도가 성능에 미치는 영향을 알아보는 실험을 수행하였고 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 꺾은선 그래프는 각 점들의 온도를 수조로 일정하게 유지시킨 후 2시간동안 전압을 측정하고 마지막 1 분 동안의 data를 평균하여 기록한 것이고, 꺾은선 이외의 그래프는 stack 입구 냉각수 부분에 RTD 온도 센서를 부착하여 수조의 온도를 실시간으로 변화시키면서 온도변화와 전압을 측정한 것이다.
저항값은 온도와 공기 중에 노출되는 시간에 따라 변하게 되므로 공기와의 접촉을 최대한 방지하고 온도를 일정하게 유지한 후 저항값의 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 두 종류의 냉각수에 대하여 30~45일간 실험을 수행하기 때문에 4분당 1개의 data를 추출하였으며 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 소요되는 시간과 연료전지 가동시 stack에 미치는 영향을 관찰하였다. 연료전지를 가동하지 않는 경우에 3차 증류수는 25℃, 부동액은 3(TC로 일정하게 유지하여 전류를 생성할 때와의 저항값을 비교하였다.
본 연구실에서는 대용량 electronic load 장비로 480 A까지 연료전지의 운전이 가능하고, 30 L급 수조를 이용한 냉각수로 cell의 온도를 제어하며, cFP를 이용한 연료전지 자동제어 시스템을 Fig. 1과 같이 구성하였다.
3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다. 부동액을 냉각수로 사용한 경우는 43일이 지나도 저항값이 설정치 이하로 내려가지는 않았지만, stack 분리판의 접착부에 이상이 생긴 것으로 추정되는 연료전지의 성능 저하가 발생하여 전도도 실험을 중단하였다. 부동액을 이용한 실험인 Fig.
온도를 일정하게 조절하였다. 수조에서 stack으로 들어가는 입구 부분에 전도도 센서 A를 장착하였고, 출구 부분에 센서 B를 장착하여 연료전지 실험과 휴지기에도 계속적으로 전도도의 변화를 관찰할 수 있도록 구성하였다. 전도도, 저항, 온도의 3가지 조건을 측정할 수 있는 전도도 센서를 사용하였고 3차 증류수를 사용한 경우에는 25。0로 보정된 저항 수치를 측정하였고, 부동액을 사용한 경우에는 실제 온도에 대한 저항 수치를 측정하였다.
두 종류의 냉각수에 대하여 30~45일간 실험을 수행하기 때문에 4분당 1개의 data를 추출하였으며 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 소요되는 시간과 연료전지 가동시 stack에 미치는 영향을 관찰하였다. 연료전지를 가동하지 않는 경우에 3차 증류수는 25℃, 부동액은 3(TC로 일정하게 유지하여 전류를 생성할 때와의 저항값을 비교하였다.
연료전지의 운전 중에 가습에 소요되는 비용을 최소화하기 위하여 양측 무가습 실험을 수행하였고, 공급 기체의 유량은 최소유량을 VOmA/cn?로 하여 저유량, 저전류에서 반응이 원활하게 이루어질 수 있도록 하였다. 전류 증가는 25 mA/cm% delay timee 120초로 설정하였고 마지막 50초 동안 100개 data의 평균값을 기록함으로서 정밀도가 높은 그래프를 얻을 수 있는 시스템을 구성하였다.
5초당 측정된 data가 Excel 파일에 자동적으로 저장되도록 구성하였다. 외부가습 장비인 가습기와 heater에는 RTD 온도 센서를 부착하였으며 시험 장비와 연결하여 PID 방식으로 제어하였다.
운전압력은 상압이고, 수소측은 일반 공업용 수소를 사용하여 양론비 1.5로 공급하였고, 공기측은 compressor를 사용하여 양론비 2로 공급하였으며, 생성 전력량에 따라 공급유체의 양을 변화시키는 flow tracking logic을 자체 제작하여 사용하였다. 본 연구에서는 면적이 250 cn?이고 상용화된 전극-전해질 집합체를 사용하였으며, 2개의 ceU로 구성된 stack으로 실험을 수행하였다.
유량을 조절할 수 있는 slidacs가 장착된 30 L 급 수조로 stack의 온도를 일정하게 조절하였다. 수조에서 stack으로 들어가는 입구 부분에 전도도 센서 A를 장착하였고, 출구 부분에 센서 B를 장착하여 연료전지 실험과 휴지기에도 계속적으로 전도도의 변화를 관찰할 수 있도록 구성하였다.
5로 공급하였고, 공기측은 compressor를 사용하여 양론비 2로 공급하였으며, 생성 전력량에 따라 공급유체의 양을 변화시키는 flow tracking logic을 자체 제작하여 사용하였다. 본 연구에서는 면적이 250 cn?이고 상용화된 전극-전해질 집합체를 사용하였으며, 2개의 ceU로 구성된 stack으로 실험을 수행하였다. Stack의 냉각수 입구와 출구 부분에 온도, 압력, 전도도를 측정하는 센서를 부착하였으며 LabVIEW 언어를 사용한 제어 logic을 제작하여 1초당 혹은 0.
Cell의 온도는 상온에서부터 증가시키면서 연료전지의 성능이 유지되는 온도까지 실시간으로 온도와 전압을 동시에 측정함으로서 anode와 cathode 양측 무가습 경우에 대한 cell 온도별 성능 변화를 관찰하였다. 이와 함께 냉각수의 유량을 1.65, 1.50, 1.29, 0.78L/min으로 감소시키면서 냉각수 유량에 대한 성능변화를 관찰하는 실험도 수행하였다.
전도도, 저항, 온도의 3가지 조건을 측정할 수 있는 전도도 센서를 사용하였고 3차 증류수를 사용한 경우에는 25。0로 보정된 저항 수치를 측정하였고, 부동액을 사용한 경우에는 실제 온도에 대한 저항 수치를 측정하였다. 저항값은 온도와 공기 중에 노출되는 시간에 따라 변하게 되므로 공기와의 접촉을 최대한 방지하고 온도를 일정하게 유지한 후 저항값의 변화를 관찰하는 실험을 수행하였다. 두 종류의 냉각수에 대하여 30~45일간 실험을 수행하기 때문에 4분당 1개의 data를 추출하였으며 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 소요되는 시간과 연료전지 가동시 stack에 미치는 영향을 관찰하였다.
이루어질 수 있도록 하였다. 전류 증가는 25 mA/cm% delay timee 120초로 설정하였고 마지막 50초 동안 100개 data의 평균값을 기록함으로서 정밀도가 높은 그래프를 얻을 수 있는 시스템을 구성하였다. Cell의 온도는 상온에서부터 증가시키면서 연료전지의 성능이 유지되는 온도까지 실시간으로 온도와 전압을 동시에 측정함으로서 anode와 cathode 양측 무가습 경우에 대한 cell 온도별 성능 변화를 관찰하였다.
성능/효과
관찰되었고, cell의 온도가 60。(2인 경우를 제외하고는 저전류에서 비교적 안정한 값을 나타내었다.
4 에서 볼 수 있는 바와 같이 40/40/40인 경우에는 anode측 온도/cell 온도/cathode측 온도를 나타낸 것이고, --/40/--인 경우에는 양측 무가습인 조건에서 cell의 온도를 40℃로 일정하게 유지한 것이다. 양측 무가습인 경우에 cell의 온도가 40。(2인 조건에서 가장 좋은 성능이 나타났다. Cell 온도가 50℃ 이상에서는 저전류에서도 성능이 저하된 것이 관찰되었으며 70。(3의 경우에는 전기를 거의 생성하지 못하였다.
Cell의 온도가 601인 경우를 제외하고는 저 전류에서 비교적 안정한 값을 나타내었고, 양측 무가습인 경우에는 고전류로 갈수록 전압의 편차가 크게 관찰되었다. Cell의 온도가 60。(3이고 양측 무가습인 경우에는 다른 경우에 비하여 저 전류에서부터 전압의 저하가 뚜렷이 나타나고 100 A에서 최소 전압인 1.0 V에 도달하였다. 동일한 stack을 사용하여 일정한 전류조건하에서 cell 온도가 성능에 미치는 영향을 알아보는 실험을 수행하였고 그 결과를 Fig.
1) 냉각수로 사용한 부동액의 경우 증류수보다 저항 감소에 더 오랜 시간이 소요되어 전도도 실험 면에서 좋은 성과를 나타내었다.
2) Anode와 cathode 양측 무가습인 경우에 고온, 고전류로 갈수록 성능의 저하가 심하게 나타났다. Cell의 온도가 높아질수록 상대습도는 낮아지게 되고 이온전도도 또한 낮아지므로 무가습 조건에서는 고온에서 성능이 발현되기 어려운 것으로 사료된다.
4) 부동액과 3차 증류수의 양측 무가습 성능 실험에서 3차 증류수를 냉각수로 사용하였을 경우가 부동액을 냉각수로 사용하였을 경우보다 약 1VC 높은 온도까지 성능이 유지되었다.
5) 양측 무가습의 경우에 냉각수의 유량이 cell의 성능에 영향을 미치는 것이 관찰되었고, 본 시스템에서는 냉각수 유량이 1.29 L/min 이 하일 경우에 성능이 저 하되었다.
5에 나타내었다. Cell의 온도가 601인 경우를 제외하고는 저 전류에서 비교적 안정한 값을 나타내었고, 양측 무가습인 경우에는 고전류로 갈수록 전압의 편차가 크게 관찰되었다. Cell의 온도가 60。(3이고 양측 무가습인 경우에는 다른 경우에 비하여 저 전류에서부터 전압의 저하가 뚜렷이 나타나고 100 A에서 최소 전압인 1.
두 종류의 냉각수는 온도를 상승시킨 상태에서 연료전지 실험을 수행할 경우에 저항값이 급격히 낮아졌으며, 다시 온도를 하강시킬 경우 저항값이 상승하므로 온도에 대한 영향이 큰 것으로 관찰되었다. 3차 증류수의 경우 저항값이 설정치 이하로 내려가는데 약 28일이 소요되었고, 연료전지의 운전에 의한 영향은 관찰되지 않았다.
2 MOhm인 3차 증류수는 공기에 노출되는 순간 저항이 급격히 감소하게 된다. 실험에 사용된 3차 증류수와 부동액의 초기 저항값은 A센서에서 각각 1.35 MOhm과 3.47 MOhm이었고, B센서에서 각각 1.15MOhm과 3.12 MOhm으로 부동액이 약 2.6 배 정도 높은 초기 저항값을 보임으로서 냉각수로 쓰인 부동액이 3차 증류수보다 공기 노출에 대한 영향이 작은 것으로 관찰되었다.
전도도 센서의 정확도를 측정할 목적으로 수조에 1차 증류수를 사용하여 두 센서의 저항을 비교하여 본 결과 A 센서(냉각수입구)와 B센서(냉각수 출구)는 각각 0.775 MOhm-cm, 0.671 MOhm-cm로 0.104 MOhm-cm의 차이가 발생하였다. 두 센서의 저항 수치를 보정하여 3차 증류수와 부동액을 냉각수로 사용한 경우의 시간에 대한 저항값의 변화를 Fig.
참고문헌 (11)
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