[논문]Cathode에 따른 소형 PEM 연료전지의 성능 변화

이세원; 이강인; 박민수; 주종남

Cathode에 따른 소형 PEM 연료전지의 성능 변화
Performance of the Small PEMFC according to Cathode 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.19 no.4, 2008년, pp.283 - 290

이세원 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 이강인 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 박민수 (서울대학교 차세대 기계항공시스템 창의설계 인력양성사업단) , 주종남 (서울대학교 기계항공공학부 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, experiments with an air-breathing proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for mobile devices were carried out according to cathode conditions. These conditions are defined by the cathode flow field plate type (the channel type, the open type) and the cathode surface direction. Single-cell and 6-cell stack were used in the experiments. The experimental results showed that the open-type cathode flow field plate gave a better performance than the small channel type. In the experiments related to the direction of the slits on the cathode flow field plate, the horizontal slit cell was better than the vertical one. With respect to the cathode surface direction, when the cathode surface is placed in the direction normal to the ground, the PEMFC generated more stable power in the mass transport loss region. Since stable power in the mass transport region is closely related to the air supply, computational fluid dynamics (CFD) analysis for air-breathing PEMFC of different cathode surface directions was performed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자연대류 방식 소형 연료전지의 캐소드 유로판 형태 및 방향에 따른 성능 변화를 살펴보았다. 이를 통해 성능 극대화를 위한 캐소드 조건을 찾아보았다.
본 연구에서는 캐소드면의 대류 조건에 따라 자연대류 방식의 고분자 전해질형 연료전지의 성능이 어떻게 변화하는지에 대해 알아보았다. 자연대류 방식의 연료전지는 주변 대기에서 산소를 직접 공급받기 때문에, 대류 조건에 따라 성능 차이를 보인다.

가설 설정

1) 공기는 이상 기체이다.
3) 연료전지 표면은 no slip condition이다.
4) 난류는 발생하지 않는다.
해석한 모델은 실제의 6셀 스택과 같은 크기로 모델링(modeling)되었다. 스택으로부터 아주 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 유동은 성능에 큰 영향을 미치지 않을 것이라는 가정하에 스택 주변 400 mm x 400 mm x 400 mm 공간의 유동에 대해서만 해석하였다.

제안 방법

또한 단위 전지는 유로판의 제작이 용이하기 때문에, 다양한 형태의 캐소드 유로판에 대한 실험이 가능하다. 따라서 단위 전지를 사용하여 기초 실험을 진행한 후 6셀 스택에 대한 실험을 진행하였다. Fig.
하지만 수직 적층 방식은 전체 두께가 두꺼워지기 때문에 휴대용 기기에 적합하지 않다. 따라서 연결 방식이 다소 복잡하더라도 수평 적층 방식을 사용하여 전체 부피를 줄일 수 있도록 하였다. 수평 적층 방식으로는 밴디드(banded) 형식을 적용하였다.
실험에 사용된 셀은 단위 전지와 6셀 스택, 두 가지 이다. 먼저 단위 전지를 사용하여 실험을 수행하였다. 단위 전지는 전지의 적층 과정에서 발생할 수 있는 변인들을 제거할 수 있기 때문에 기초 실험에 유용하다.
밴디드 방식의 수평 적층을 위하여 연성 PCB를 사용한 커런트 컬렉터(current collector)를 제작하였다. 일반적으로 유로판은 금속이나 흑연판(graphite)으로 만들어지는데, 이들은 전기 전도성이 우수하므로, 유로와 커런트 컬렉팅의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
실제로 휴대용 기기에 적용할 수 있는 6셀 스택에 대한 실험을 수행하였다. 우선 단위 전지와 6셀 스택을 비교하여 같은 특성을 보이는지 확인하기 위해 6셀 스택을 이용하여 유로 방향에 따른 성능 실험을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 자연대류 방식 소형 연료전지의 캐소드 유로판 형태 및 방향에 따른 성능 변화를 살펴보았다. 이를 통해 성능 극대화를 위한 캐소드 조건을 찾아보았다.
이것은 캐소드의 방향에 따라 공기 공급에 차이가 있다는 것을 의미한다. 자세에 따라 6셀 스택 주변의 공기 공급이 어떻게 다른지 알아보기 위해 유동 해석을 수행하였다. 해석 결과는 Fig.
채널과 슬릿의 방향에 따른 실험을 수행하였다. Fig.
이러한 이유로 일반적인 크기의 연료전지에서는 채널 타입이 오픈 타입보다 더 좋은 성능을 보인다⁹⁾. 하지만 본 실험에서 쓰인 것과 같은 작은 크기의 연료전지에서는 유로의 크기가 작기 때문에 기존의 연구와 다른 결과를 보일 수 있으므로 두 가지 유로판에 대한 실험을 진행하였다.

대상 데이터

MEA는 멤브레인(membrane)은 nafion 212를 이용하였고, 기체 확산층(gas diffusion layer)은 탄소 섬유(carbon cloth)를 이용하여 제작되었다. 백금 촉매는 캐소드와 애노드 양면에 각각 1.
3을 사용하여 유동 해석을 진행하였다. 메쉬의 크기는 10이고 총 1,594개의 메쉬가 생성되었다. 해석한 모델은 실제의 6셀 스택과 같은 크기로 모델링(modeling)되었다.
실험에 사용된 셀은 단위 전지와 6셀 스택, 두 가지 이다. 먼저 단위 전지를 사용하여 실험을 수행하였다.
유로판으로는 폴리아미드이미드(poly-amide imide, PAI)가 사용되었다. 에노드 유로판은 두께가 2 mm이고, 유로는 싱글 설펜타인(single serpentine) 형태로 만들어졌다. 유로의 단면적은 0.
4 cm) 이다. 엔드 플레이트(end plate)는 스테인리스 스틸을 사용하였는데, 에노드(anode)는 10 mm, 캐소드는 3 mm 두께의 판을 사용하였다. 유로판으로는 폴리아미드이미드(poly-amide imide, PAI)가 사용되었다.
44 cm²이다. 엔드 플레이트(end plate)는 양쪽 모두 3 mm 두께의 스테인리스 스틸을 사용하였다.
오픈 타입은 두께 1 mm PAI판을 사용하였고, 폭 0.8 mm, 길이 13 mm의 슬릿(slit)이 7개 뚫려 있다. 채널 타입은 폭 0.
엔드 플레이트(end plate)는 스테인리스 스틸을 사용하였는데, 에노드(anode)는 10 mm, 캐소드는 3 mm 두께의 판을 사용하였다. 유로판으로는 폴리아미드이미드(poly-amide imide, PAI)가 사용되었다. 에노드 유로판은 두께가 2 mm이고, 유로는 싱글 설펜타인(single serpentine) 형태로 만들어졌다.

데이터처리

실험 결과를 분석하기 위해 유동 해석을 수행하였다. Gambit 2.3.16을 사용하여 메쉬(mesh)를 생성하였고, fluent 6.3을 사용하여 유동 해석을 진행하였다. 메쉬의 크기는 10이고 총 1,594개의 메쉬가 생성되었다.
실험 결과를 분석하기 위해 유동 해석을 수행하였다. Gambit 2.

이론/모형

따라서 연결 방식이 다소 복잡하더라도 수평 적층 방식을 사용하여 전체 부피를 줄일 수 있도록 하였다. 수평 적층 방식으로는 밴디드(banded) 형식을 적용하였다. MEA는 단위 전지와 같은 방식으로 제작하여 3행 2열로 배치하였다.

성능/효과

1) 휴대용 소형 연료전지에서는 오픈 타입이 채널 타입보다 더 유리하다. 이는 오픈 타입에서 반응면과 공기의 접촉이 더 용이하기 때문이다.
2) 대기의 온도는 298 K, 캐소드면의 온도는 333 K이다. 333 K는 실제 실험 중 온도가 안정 상태에 이르렀을 때의 6셀 스택의 온도이다.
2) 오픈 타입에서는 가로 슬릿이 세로 슬릿보다 유리하다. 이는 가로 슬릿에서 생성된 물은 세로 슬릿에서보다 증발이 원활하기 때문이다.
3) 캐소드면이 중력 방향과 평행하게 위치하는 것이 더 유리하다. 이는 유동이 받는 저항이 적어 원활한 유동이 이루어지기 때문이다.
4는 단위 전지에서 캐소드판을 오픈 타입과 채널 타입으로 바꾸어 진행한 실험의 전류 밀도에 따른 전압 변화 곡선을 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 채널 타입이 오픈 타입보다 매스 트랜스포트 손실(mass transport loss) 구간이 일찍 나타는 것을 확인할 수 있다. 채널 타입은 0.
45 A/cm²에서 나타났다. 또한 최대 전력 밀도도 세로 슬릿은 171.21 mW/cm², 가로 슬릿은 197.21 mW/cm²으로 가로 슬릿이 더 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 통해 가로 슬릿이 더 좋은 성능을 낸다는 것을 6셀 스택의 경우에도 확인할 수 있다.
6에서 보인 바와 같이 6셀 스택도 단위 전지와 동일한 경향을 보인다. 매스 트랜스포트 손실구간에서 가로 슬릿이 더 안정적인 경향이 더욱 확연해져서, 6셀 스택에서는 매스 트랜스포트 손실이 나타나는 시점과 최대 전력 밀도에서도 차이를 보였다. 세로 슬릿의 경우 약 0.
10은 앞에서의 실험 결과를 바탕으로 6셀 스택을 설치하고, 실제로 휴대폰을 구동한 사진이다. 실험에 사용한 휴대폰의 필요 정격 전압은 3.7 V로, 6셀 스택으로 정격 전압에 적합한 전압을 발생 시킬 수 있었다.
특히 캐소드 유료판의 형태와 캐소드면의 방향은 매우 중요한 요소이다. 이 연구를 통하여 성능을 높일 수 있는 캐소드 조건을 알 수 있었다. 노트북 컴퓨터나 휴대폰 등 휴대용 기기에 자연대류 방식의 고분자 전해질형 연료전지를 적용시킬 때에는 다음의 조건들을 고려해야 할 것이다.
Tabe는 그의 연구에서 채널 타입의 캐소드 유로판이 오픈 타입보다 더 좋은 성능을 낼 수 있다고 하였다⁹⁾. 하지만 본 연구에서 사용된 소형 연료전지는 휴대용 기기에 적합하도록 작게 제작되었기 때문에, Y. Tabe가 사용한 일반적 크기의 연료전지와는 다른 경향을 보였다. 또한 휴대용 기기는 다양한 위치에 다양한 자세로 놓일 수 있으므로, 캐소드면의 방향에 따라서 성능 차이를 보일 수 있으나 관련 연구가 전무한 실정이다.

후속연구

따라서 실제 휴대용 기기의 소모 전력이 가장 클 때 최적 성능을 낼 수 있도록 연료전지를 설계하여야 한다. 더 나아가서 캐소드 조건이 변화하여도 최적 성능을 유지할 수 있는 방법에 대한 연구도 뒤따라야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연대류 방식의 연료전지는 어떻게 전기를 발생시키는가?	이러한 장치들로 인해 시스템 전체의 부피가 커지고, 전력 소비도 발생한다8). 반면 자연대류 방식의 연료전지는 별도의 공기 공급 장치가 필요 없고 대기 중의 산소를 사용하여 전기를 발생시킨다. 따라서 자연대류 방식을 사용하면 시스템을 간단히 구성할 수 있어 휴대용기기에 더 적합하다고 할 수 있다.
	수소 연료전지 중 휴대용 기기에 적합한 특성을 지니는 전지는 무엇이 있는가?	수소 연료전지는 수소의 형태나 반응 방법 등에 따라 여러 가지 종류로 분류되다. 이 중 직접 메탄올 방식 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)가 휴대용 기기에 적합한 작은 부피, 간결한 시스템, 높은 전력 밀도, 낮은 동작 온도 등의 특성을 지니고 있다3). 하지만, 소형 고분자 전해질형 연료전지의 경우 수소 발생장치인 개질기(reformer)에서 발생된 일산화탄소에 의한 피 독현상 때문에 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
	소형 고분자 전해질형 연료전지는 어떠한 문제점을 가지는가?	이 중 직접 메탄올 방식 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)가 휴대용 기기에 적합한 작은 부피, 간결한 시스템, 높은 전력 밀도, 낮은 동작 온도 등의 특성을 지니고 있다3). 하지만, 소형 고분자 전해질형 연료전지의 경우 수소 발생장치인 개질기(reformer)에서 발생된 일산화탄소에 의한 피 독현상 때문에 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 이에 이전 연구들에서는 직접 메탄올 방식을 주로 사용하였다4).

참고문헌 (9)

P. Agnolucci, 'Economics and market prospects of portable fuel cells', Int. J. of Hydrogen Energy, Vol. 32, Issue 17, 2007, pp. 4319-4328

상세보기
C. K. Dyer, 'Fuel cells for portable applications', J. of Power Sources, Vol. 106, Issue 1-2, 2002, pp. 31-34

상세보기
이현숙, 배병찬, 이재영, 임태훈, 하흥용, "직접메탄올 연료전지의 장기운전 특성 분석 및 성능향상 연구", 한국수소 및 신에너지 학회논문집, Vol. 16, No. 1, 2005, pp. 31-39

원문보기 상세보기
S. Gottesfeld, 'Fuel cell techno-personal mile stones 1984-2006', J. of Power Sources, Vol. 171, Issue 1, 2007, pp. 37-45

상세보기
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상세보기
천광우, 박창권, 이호열, 오병수, "소면적 PEM연료전지 성능개선 연구", 한국수소 및 신에너지 학회논문집, Vol. 15, No. 4, 2004, pp. 291-300

원문보기 상세보기
이현근, 오병수, 정귀성, "PEM 연료전지 자동차 적용을 위한 성능실험에 관한 기초연구", 한국수소 및 신에너지 학회논문집, Vol. 11, No. 3, 2000, pp. 137-147
Y. Tabe, S. K. Park, K. Kikuta, T. Chikahisa, and Y. Hishinuma, 'Effect of cathode separator structure on performance characteristics of free-breathing PEMFCs', J. of Power sources, Vol. 162, Issue 1, 2006, pp. 58-65

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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