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문제 정의
- 본 연구에서는 수소의 공급 모드에 따른 PEFC 시스템의 성능특성을 관찰하였다. 공기는 flow-through 모드로 공급되었으며 수소는 각각 dead-end 모드, flow-through 모드, 그리고 재순환모드로 공급되었다.
- 본 연구에서는 이러한 연료전지 내부의 물의 거동이 수소극의 연료공급 모드에 의하여 어떻게 변화하는지 예측하고 그로 인한 연료전지 성능의 변화를 관찰하였다. 또 수소 극의 출구가 막혀있는 dead-end 모드에서 외부 가습조건의 변화로 인한 물의 전달과 성능의 변화를 살펴보았다.
제안 방법
- 이러한 물 전달 현상은 연료의 공급과 같은 운전 모드의 변화에 의해서 PEFC 의 성능에 영향을 미친다. Zawodzinski 둥。, 과 Motupally 등但은 Nafion 전해질막에서의 물 전달 현상 올 연구하였고, 물 함유량에 따른 확산계수를 제시하였다. 또한 Um 등⑺과 Zhou 등(3)은 전산해석을 통하여 물의 전달 현상과 물의 영향에 대하여 예측하기도 하였다.
- Dead-end 모드에서 가습조건을 변화시키 면서 성능의 변화를 관찰하였다. 가습조건은 수소극과 공기극 동시 가습, 공기극만 가습, 수소극만 가습으로 구분하였다.
- PEFC 시스템의 운전 모드에 따른 성능변화를 실험적으로 고찰하였다. 우선 시간의 흐름과 연관된 특성을 각 운전 모드별로 관찰하였다.
- 각 가스는 실험조건에 따라서 가습상태와 무가습상태로 공급되었으며 무 가습 조건에서 완전 제습된 상태를 만들기 위해서 본 실험에서는 수소뿐만 아니라 공기 역시 불순물과 수분이 제거된 상태의 저장 탱크로부터 공급하였다. 가습 조건에서는 가습량을 조절하기 위하여 가습기 내부의 물의 온도를 조절하였다. 완전 가습 조건에서는 연료전지의 작동온도와 동일한 60 笆로 유지하였고 비 포화 조건에서는 물의 온도를 20 P로 유지하여 습도를 11.
- 변화를 관찰하였다. 가습조건은 수소극과 공기극 동시 가습, 공기극만 가습, 수소극만 가습으로 구분하였다. 각 경우 가습 되는 기체는 포화상태로 공급되었다.
- 75 slpm으로 일정하게 공급하였다. 각 가스는 실험조건에 따라서 가습상태와 무가습상태로 공급되었으며 무 가습 조건에서 완전 제습된 상태를 만들기 위해서 본 실험에서는 수소뿐만 아니라 공기 역시 불순물과 수분이 제거된 상태의 저장 탱크로부터 공급하였다. 가습 조건에서는 가습량을 조절하기 위하여 가습기 내부의 물의 온도를 조절하였다.
- 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 수소극 공급 모드를 dead-end, flow-through, 그리고 재순환 모드로 변화시키면서 시간의 흐름과 관련된 성능 특성을 살펴보았다. 또 dead-end 모드에서 수소극 및 공기극의 가습여부에 의한 성능 특성의 변화를 관찰하였으며 그 결과를 아래와 같이 정리하였다.
- 따라서 외부 가습의 조건에 변화를 가하여 그 영향을 살펴보았다.
- 살펴보았다. 또 dead-end 모드에서 수소극 및 공기극의 가습여부에 의한 성능 특성의 변화를 관찰하였으며 그 결과를 아래와 같이 정리하였다.
- 관찰하였다. 또 수소 극의 출구가 막혀있는 dead-end 모드에서 외부 가습조건의 변화로 인한 물의 전달과 성능의 변화를 살펴보았다.
- 우선 시간의 흐름과 연관된 특성을 각 운전 모드별로 관찰하였다. 또한 deadend 모드에서 각 기체의 가습조건에 따른 수소 극에서의 물 전달 특성을 살펴보았다.
- 연료전지의 공기극의 출구에는 액분리기 (liquid separator)를 부착하여 응축된 물을 제거한 후외기로 배출한다. 수소 극의 출구에는 밸브를 설치하여 수소공급의 3가지 모드별 전환이 가능하도록 하였다. 연료전지의 출구라인에는 역압력조절기(back pressure regulator)를 장착하여 시스템 내부의 압력을 일정하게 유지한 상태에서 flow-through 모드 운전이 가능하게 하였다.
- 연료전지의 작동온도는 양쪽 끝판(end plate)내부에 삽입된 카트리지 히터와 공기 냉각 팬으로 조절하였다. 연료전지의 부하는 전자부하기 (electronic load)를 사용하여 조절하였다. 연료전지의 전위차 및 각종 계측기의 아날로그 신호는 데이터 로거를 사용하여 측정하였다.
- 연료전지의 부하는 전자부하기 (electronic load)를 사용하여 조절하였다. 연료전지의 전위차 및 각종 계측기의 아날로그 신호는 데이터 로거를 사용하여 측정하였다.
- 가습 조건에서는 가습량을 조절하기 위하여 가습기 내부의 물의 온도를 조절하였다. 완전 가습 조건에서는 연료전지의 작동온도와 동일한 60 笆로 유지하였고 비 포화 조건에서는 물의 온도를 20 P로 유지하여 습도를 11.7 %로조절하였다. 가습기를 거친 가스는 외부에 히터가 장착되어 동일한 온도로 유지되어 있는 연결 배관을 거쳐서 수증기가 응축되지 않은 상태로 연료전지에 공급될 수 있도록 하였다.
- 고찰하였다. 우선 시간의 흐름과 연관된 특성을 각 운전 모드별로 관찰하였다. 또한 deadend 모드에서 각 기체의 가습조건에 따른 수소 극에서의 물 전달 특성을 살펴보았다.
- 위에서 설명한 내용은 수소와 공기가 포화상태로 가습되어 공급되는 조건에서 얻어진 결과들이며, 이와 비교하기 위하여 수소와 공기의 습도를 낮추어 dead-end 모드에서 살펴보았다. Fig.
대상 데이터
- 3은 연료전지의 성능을 측정하기 위해 사용한 실험장치의 개략도이다. 본 실험장치는 수소 극에는 순수 수소를, 공기극에는 공기 혹은 산소를 사용할 수 있도록 제작하였으며, 본 실험에서는 공기를 산화제로 사용하였다. 각 저장 용기로부터 공급된 가스는 압력조절기 (pressure regulator) 에서원하는 압력으로 조정되며, 유량은 유량제어기 (mass flow controller)에 의하여 조절된다.
- 본 연구에서 사용된 연료전지는 111 品의 유효면적을 가지는 단위 전지로서 분리판에는 5채널의 사형 (serpentine)유로가 가공되었다. 본 연료전지에는 Gore™ 사의 40 pm 두께를 가지는 MEA를 사용하였다.
- 가공되었다. 본 연료전지에는 Gore™ 사의 40 pm 두께를 가지는 MEA를 사용하였다. 연료전지의 작동온도는 양쪽 끝판(end plate)내부에 삽입된 카트리지 히터와 공기 냉각 팬으로 조절하였다.
성능/효과
- (1) Dead-end 모드에서는 시간의 흐름에 따라서 성능의 감소가 나타났다. 전류밀도가 높은 조건에서 감소폭이 증가하였으며 수소 극의 출구를 배기하면 성능이 초기 상태로 복귀하였다.
- (2) Flow-through 모드와 재순환 모드에서는 시간의 흐름에 따른 성능의 감소가 나타나지 않았다. 이는 수소극내에서 수소의 흐름이 정체되지 않아 물의 축적을 방해하였기 때문이다.
- (3) Dead-end 모드에서 공기극과 수소극을 모두 외부가 습하는 경우와 공기극만을 외부가습하는 경우에는 시간에 따른 성능의 감소를 보였다. 이 역시 전류밀도가 높은 경우에 더 큰 감소폭을 나타내었다.
- 이와 같이 수소 극 내에 축적된 물은 채널을 막아 하부로 수소가 이송되는 것을 방해하며 가스확산충의 미세 기공에 분포하여 촉매 층으로의 수소 전달을 어렵게 하여 성능의 감소를 야기하였다.(4) Flow-through 모드에서는 잉여 수소가 수증기를 포함한 채로 대기 중으로 빠져나가며 그 흐름에 의하여 액체 상태로 존재하는 물을 외부로 배출시키므로 수소극 내에는 항상 일정한 양의 물만 존재하여 시간 흐름과 성능변화는 무관하게 된다. 또 재순환 모드에서는 잉여 수소와 응축된 물이 외부로 배출되지는 않으나 재순환 펌프에 의하여 수소극 내부의 흐름이 정체되지 않는다.
- (4) 수소극만을 가습하는 경우에는 dead-end 모드에서도 성능의 감소가 거의 나타나지 않았다. 전류밀도가 증가하여도 성능감소 폭이 증가하지 않았다.
- (5) Dead-end 모드에서 양측을 가습하는 경우와 공기극을 가습하는 경우에는 공기극과 수소 극의 물의 농도차이에 의한 역확산이 발생하여 수소극내부에 물의 축적이 발생하나 수소극만을 가습하는 경우에는 공기극이 상대적으로 건조하여 역확산이 발생하지 않기 때문에 물의 축적이 발생하지 않아 성능이 감소가 나타나지 않았다.
- (6) Dead-end 모드에서 성능의 감소를 야기하는수소극내의 물의 축적은 외부 가습 보다는 공기극으로부터의 역확산이 보다 주요한 원인이 된다.
- Dead-end 모드에서는 수소극의 출구가 막혀있기 때문에 수소극 내로 공급되는 물이 외부로 배출되지 못하고 내부에 축적되어 수소의 확산을 방해하며 이로 인하여 성 능의 감소가 나타났다. 또한 공급기체 의가습량을 11.7%로 낮추어 공급하였을 때 성능감소의 기울기가 완만해짐을 통하여 수소극내의 물의 축적이 성능감소의 원인임을 판단할 수 있다.
- 2 V이 하로 떨어져서 더 이상 실험을 지속할 수 없게 되었다. 반면 수소극 가습은 전류밀도가 증가하여도 성능감소의 기울기가 증가하지 않고 오히려 다소 감소하는 경향을 보이며 시간의 흐름에 크게 영향을 받지 않는 특성을 보였다.
- 감소가 나타났다. 전류밀도가 높은 조건에서 감소폭이 증가하였으며 수소 극의 출구를 배기하면 성능이 초기 상태로 복귀하였다. Dead-end 모드에서는 수소극의 출구가 막혀있기 때문에 수소극 내로 공급되는 물이 외부로 배출되지 못하고 내부에 축적되어 수소의 확산을 방해하며 이로 인하여 성 능의 감소가 나타났다.
- 초기상태에서는 양극 가습과 공기극 가습 이수 소극 가습보다는 우수한 성능을 나타내고 있으나 시간에 따른 급격한 성능감소로 인하여 결국수소극 가습이 가장 우수한 성능을 보였다. 즉, dead-end조건에서는 공급기체의 가습량 변화보다는 수소극에서의 물의 축적이 성능에 미치는 영향이 훨씬 지배적이었다.
- 따라서 수소극 가습의 경우에는 시간의 흐름에 의한 성능의 감소가 매우 미미하였다. 초기상태에서는 양극 가습과 공기극 가습 이수 소극 가습보다는 우수한 성능을 나타내고 있으나 시간에 따른 급격한 성능감소로 인하여 결국수소극 가습이 가장 우수한 성능을 보였다. 즉, dead-end조건에서는 공급기체의 가습량 변화보다는 수소극에서의 물의 축적이 성능에 미치는 영향이 훨씬 지배적이었다.
후속연구
- 이상의 결과로부터 flow-through 모드와 재순환 모드에서는 수소극의 흐름이 정체되어 있지 않기 때문에 물의 축적이 발생하지 않아 성능의 감소가 없으나 dead-end 모드에서는 물의 축적이 성능의 감소를 야기하였다는 결론을 얻을 수 있수소 극에다만 수소극에 물의 축적을 가져올 수 있는 경로를 외부 가습에 의한 물의 공급과 공기극으로부터의전해질막을 통한 역확산으로 나누어 볼 때 각 경로가 dead-end 모드에서의 수소극 물의 축적에 미치는 영향의 차이를 규명하기는 어렵다. 따라서 외부 가습의 조건에 변화를 가하여 그 영향을 살펴보았다.
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