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문제 정의
- 본 연구에서는 촉매량의 변화에 따른 소규모 단위 직접 메탄올 연료전지의 성능을 비교하고 교류임피던스와 메탄올 크로스오버 전류를 측정하여 성능손실의 원인을 규명하는 것을 주된 목표로 한다.
제안 방법
- 연료전지의 작동 온도는 단위 연료전지 공기극의 알루미늄 재질금속판에 설치된 열전대로 측정하였으며, 공기극 가습 온도는 가습기 상단에 열전대를 설치하여 측정하였다. DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL 60T)를 이용하여 전압과 전류를 실시간으로 측정하였다. 그리고 AC 임피던스 스펙트로 미 터를 이용하여 임피 던스를 측정 하였고, 파워서플라이를 이용하여 메탄올 크로스오버 전류를 측정하였다.
- 메탄올 수용액은 역류 방지를 위하여 튜브 연동식 펌프(Gilson, minipulse 3 peristaltic pump)에 의하여 공급되며, 유량은 컴퓨터로 제어가 가능하도록 하였다. 공기극의 연료는가습된 공기를 사용하였으며, 질량유량 컨트롤러 (MKS Instruments, 1179)로 유량을 조절하였다. 또한, 공기극 퍼징시에는 질소가스를 이용하였다.
- DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL 60T)를 이용하여 전압과 전류를 실시간으로 측정하였다. 그리고 AC 임피던스 스펙트로 미 터를 이용하여 임피 던스를 측정 하였고, 파워서플라이를 이용하여 메탄올 크로스오버 전류를 측정하였다.
- 1V까지 직접 메탄올 연료전지의 성능을 측정하였다. 또한, 전압 0.3V일 때 10mHz에서 10kHz까지의 주파수 영역에서 임피던스 실험을 수행하였다. 메탄올 크로스오버를 측정하기 위하여 공기극에 질소가스를 공급하고 파워서플라이를 연료전지에 연결하여 0.
- 3V일 때 10mHz에서 10kHz까지의 주파수 영역에서 임피던스 실험을 수행하였다. 메탄올 크로스오버를 측정하기 위하여 공기극에 질소가스를 공급하고 파워서플라이를 연료전지에 연결하여 0.01V 간격으로 0.8V까지 5초 간격으로 메탄올 크로스오버 전류를 측정하였다. 측정된 메탄올 크로스오버 전류를 이용하여 직접 메탄올 단위 연료전지의 전체효율을 나타내었다.
- 본 실험에서의 기본 실험 조건으로는 연료전지작동온도 348K, 메탄올 수용액 1M, 연료극 유량 3mL/min, 공기극 유량 ZOOcm'/min, 공기극 가습온도 338K, 공기극배압 lOOkPa인 실험조건에서 0.02V의 일정 전압 간격으로 0.1V까지 직접 메탄올 연료전지의 성능을 측정하였다. 또한, 전압 0.
- 또한, 공기극 퍼징시에는 질소가스를 이용하였다. 연료전지의 작동 온도는 단위 연료전지 공기극의 알루미늄 재질금속판에 설치된 열전대로 측정하였으며, 공기극 가습 온도는 가습기 상단에 열전대를 설치하여 측정하였다. DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL 60T)를 이용하여 전압과 전류를 실시간으로 측정하였다.
- 각각 1, 2, 曲/cn?으로 변경시켜 제조하였다.
대상 데이터
- 공기극의 연료는가습된 공기를 사용하였으며, 질량유량 컨트롤러 (MKS Instruments, 1179)로 유량을 조절하였다. 또한, 공기극 퍼징시에는 질소가스를 이용하였다. 연료전지의 작동 온도는 단위 연료전지 공기극의 알루미늄 재질금속판에 설치된 열전대로 측정하였으며, 공기극 가습 온도는 가습기 상단에 열전대를 설치하여 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 직접 메탄올 단위 연료전지는 유효 전극 면적 이 &1子이며, 자세한 제원은 Table 1 과 같다. Fig.
- 1은 직접 메탄올 연료전지의 성능실험 장치의 계통도를 나타낸 것이다. 연료극의 연료는 메탄올과 정제수를 혼합하여 메탄올 수용액 1M을 제조하였다. 메탄올 수용액은 역류 방지를 위하여 튜브 연동식 펌프(Gilson, minipulse 3 peristaltic pump)에 의하여 공급되며, 유량은 컴퓨터로 제어가 가능하도록 하였다.
성능/효과
- 1) 연료극촉매량이 증가할수록 저항 손실이 감소하였으나, 고전류 영역에서는 성능과 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 전극 두께가 증가하여 활성화 손실과 물질전달 저항이 증가하였기 때문인 것으로 사료된다.
- 2) 공기극의 촉매량이 증가할수록 환원 반응영 역 이 증가하고 환원 반응이 활성화되어 열림 회로 전압과 성능이 현저하게 증가하는 것으로 나타났다. 공기극의 촉매량이 감소할수록 저주파수 영역에서 임피던스의 허수부분인 반원의 크기가 증가하였는데, 이는 촉매경계면에서 환원 반응이 감소하기 때문이다.
- 3) 상기 결과로부터, 직접 메탄올 연료전지에서는 연료극 촉매량보다는 공기극촉매량이 성능에 미치는 영향이 훨씬 큰 것으로 확인되었다.
- 또한, 저주파수 영역에서 임피던스의 허수부분인 반원의 크기가 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 촉매 경계면에서 환원 반응이 감소하는 것에 기인한다. 따라서, 공기극의 촉매량이 직접 메탄올 연료전지의 활성화 손실에 미치는 영향이 연료극보다 크다는 것을 알 수 있다.
- 632V로 급격하게 증가하였다. 또한, 최대전류 밀도는 106, 231, 383mA/cm2S 약 4배, 출력 밀도는 0.0109, 0.0246, 0.0615W/cm2로 약 6배로 현저하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 공기극의 촉매량이 증가할수록 반응영 역이 많아지고 공기극에서 환원 반응이 활성화되어 성능이 증가하는 것으로 사료된다.
- 8은 공기극촉매량 변화에 따른 직접 메탄올 연료전지의 메탄올 크로스오버 전류를 나타낸 것이다. 연료극의 경우와 마찬가지로 전류 밀도가 증가할수록 메탄올 크로스오버 전류는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 열림회로 전압에서 메탄올 크로스오버 전류는 연료극의 촉매량이 Img/cm? 일경우 103mA/cm2에서 촉매량이 4mg/cm2일 경우 ll&nA/cn?로 증가하였다.
- 3에 나타내었다. 연료극의 촉매량이 증가할수록 저항 손실이 각각 0.168, 0.159, 0.143我1子로 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 활성화 손실은 촉매량이 4mg/cm2일 경우가 촉매 량이 Zmg/crr?일 경우보다 약 0.
- 4는 연료극촉매량에 따른 직접 메탄올 연료전지의 메탄올 크로스오버 전류를 나타낸 것이다. 전체적으로 전류 밀도가 증가할수록 메탄올 크로스오버 전류는 감소하는 것으로 나타났다. 연료극의 촉매량이 4mg/cm2일 경우, 저 전류 밀도영역에서는 메탄올 크로스오버 전류가 다소 증가하는 것으로 나타났지만, 고전류 밀도 영역에서는 메탄올 크로스오버 전류가 감소하였다.
- 5와 같이 나타내었다. 최대효율은 연료극촉매량이 4m〃cm2일 경우에 전류밀도 165mA/cm2일 때, 0.191로 나타났으며, 연료극의 촉매량이 적을수록 효율은 감소하였다. 그러나, 300mA/cm2 이상인 전류 영역에서는 촉매량이4mg/cm2일때의 효율이 급격히 감소하고, 족매량이 2mg/cm2일 때의 효율이 더 높은 것으로 나타났다.
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