[논문]운전조건에 따른 PEMFC 스택 냉시동 특성 연구

고재준; 이종현; 김세훈; 안병기; 임태원

제안 방법

연료전지 스택의 운전을 위해 스택 온도는 냉각수 온도 입구 기준 65°C로 하였고, 가습기의 온도 조절을 통해 상대습도 50% 의 반응가스가 들어가게 하였다. 30분 이상의 안정화 후 정지조건에서 셀내 물제거를 위해 가스 퍼지를 50A의 SR 1.5/2.0 유량, 즉 Anode는 는 수소를 이용하여 11 1pm으로, cathode는 공기를 이용하여 341pm으로 20초간 실시하였다. Soaking 후냉시동시 저온의 건조가스를 100A의 SR1.
0 유량, 즉 Anode는 는 수소를 이용하여 11 1pm으로, cathode는 공기를 이용하여 341pm으로 20초간 실시하였다. Soaking 후냉시동시 저온의 건조가스를 100A의 SR1.5/2.0 으로 공급한 후 100A의 전류를 인가함으로 전기 화학반응을 일으켜 스택 온도를 상승시켰다. 냉시동결과 -20°C에서 자체발열 냉시동이 가능함을 확인하였고, 가스공급 후 25초 내에서 최저 전압을 나타내며 이후 전극이 해동되면서 ice blocking은 없어지고 전압이 상승함을 알 수 있었다.
냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다. 겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다. 냉동시에는 스택중앙부에 설치된 온도센서를 이용하여 환경챔버온도와 스택온도가 같아질 때까지 냉동시간을 유지시켜 스택 전체온도가 챔버 온도와 같아 진 후 냉 시동을 실시하였다.
이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다. 냉동시간 선정 및 냉시동시 스택의 온도를 측정하기 위해 일부 분리판 내부에 온도센서를 넣어 온도를 측정하였다.
겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다. 냉동시에는 스택중앙부에 설치된 온도센서를 이용하여 환경챔버온도와 스택온도가 같아질 때까지 냉동시간을 유지시켜 스택 전체온도가 챔버 온도와 같아 진 후 냉 시동을 실시하였다.
스택 운전을 위한 반응가스로 수소와 공기를 사용하였고, 냉각수는 연료전지용 냉각 부동액을 적용하였다. 냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다. 겨울철 연료전지 차량 시동 조건과 동일하게 모사하기 위해 가습기 전단에 가습기 통과 밸브를 두고, 환경챔버 내 배관을 이용하여 공급가스의 온도를 낮추어 무가습의 저온 가스가 공급될 수 있도록 하였다.
평가하였다. 또한 ice blocking test(IBT) 방법을 이용하여 각 운전기술들이 연료전지 스택의 냉 시동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 실험에서는 스택온도를 환경챔버와 부동 냉각수를 이용하여 T5°C 이하로 맞추고, 반응 가스공급 후 10A를 인가하여 측정하였다.
본 연구에서는 연료전지 스택 냉시동 성능을 향상 시키 는데 있어 성 능에 영 향을 주는 시 동/정 지운 전 변수들을 찾았고, 필요한 운전기술들을 적용하여 평가하였다. 또한 ice blocking test(IBT) 방법을 이용하여 각 운전기술들이 연료전지 스택의 냉 시동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
정상운전 및 정지 단계에서는 가습 가스공급과 전류인가를 통한 전기 화학반응, 생성열 제거를 위한 냉각수 순환, 운전 후 셀내 잔존 수 제거를 위한 퍼지가 포함된다. 스택 운전온도, SR 그리고 퍼지조건을 변수로 하여 평가한 다음 냉동 단계에서는 환경챔버의 냉동 온도를 설정하고 냉동시간은 스택 중앙부에 있는 온도 센서의 온도와 환경챔버 온도가 같아질 때를 기준으로 한다. 냉동 후 환경 챔버내 온도와 스택 온도가 같아지게 되면 마지막 단계로 무가습 저온가스를 공급하고, 전류를 인가하여 냉시동 한다.
1은 연료전지 스택을 환경챔버에 넣고 가스라인, 냉각수라인, 전자부하, 전압센서, 온도센서 등을 연결한 사진이다. 스택 운전을 위한 반응가스로 수소와 공기를 사용하였고, 냉각수는 연료전지용 냉각 부동액을 적용하였다. 냉시동 후 생성된 물이 배관 출구에서 얼어 가스 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 단열시켰다.
연료전지 스택은 공급가스가 흐를 수 있는 유로가 형성된 흑연 분리판 사이에 백금촉매를 이용한대 면적(250cnj이상) 상용 막-전극 접합체(MEA, membrane electrode assembly) 와 felt type의 가스확산층(GDL, gas diffusion layer)을 두어 단위 셀을 제작하였다. 이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다.
제작하였다. 이것을 20셀로 적층하고 연료전지 차량에서 사용하는 엔드플레이트와 체결기구를 이용하여 연료전지 스택을 제작하였다. 냉동시간 선정 및 냉시동시 스택의 온도를 측정하기 위해 일부 분리판 내부에 온도센서를 넣어 온도를 측정하였다.

성능/효과

2) 40°C 이하에서 운전 후 -20°C 부터 냉 시동을 실시한 결과 셀내 응축된 과량의 물 때문에 ice blocking이 빠르게 발생하였고, 이는 충분한 해동 시간을 확보해 주지 못하여 자체발열 냉 시동에 실패하였다. 스택 온도를 55°C 이상에서 운전한 후 동일 조건으로 운전시에는 -20°C 냉 시동이 가능하였다.
3) 자체발열 냉시동을 위한 전류인가시 20-100A 모두 -20°C 냉시동이 가능하였지만 고전류에서는 해동시간이 빠른 대신 초기 전압강하가 크고, ice blocking이 빠르게 일어남에 따른 역전압 발생 가능성이 높으므로 냉시동시 스택 및 연료전지 시스템 성능을 고려하여 전류량 선정이 필요하다.
4) 다양한 조건하에서 정지시 스택 내 물량에 따라 냉 시동 특성이 달라지고 이를 정량적으로 판단하는데 ice blocking test(IBT)가 유용함을 확인하였다. 이 평가를 통해 온도가 운전 정지 전 10°C 올라갈 때마다 cathode 전극에서 생성 가능한 물량이 약 두배로 증가함으로 물량 기준 냉 시동 성능이 두배 향상되었고, SR을 1.
하강단계, 4) 전극내 얼음 해동에 의한 전압 상승단계의 4단계로 나타남을 확인하였다. 역전압 없이 안정적으로 냉시동을 완료하기 위해서는 3단계에서 발생하는 ice blockin俎에 의해 cathode 전극이 완전히 막히기 전에 4단계에서 발생하는 자체발열 또는 외부 열원에 의해 전극 내 얼음이 해동되어야 함을 알 수 있었다.
Table 1은 인가된 전류에 따라 냉시동 결과를 분석한 것이다. 40 -70A 전류 사이에서 0.2V 이상의 안정적인 최저전압과 60초 이내의 빠른 해동 성능을 보였다. 따라서 전압 안정성을 확보하면서 가능한 빠르게 스택을 해동시키기 위해서는 스택과 시스템 성능을 고려한 전류량 조절이 필요하다.
0 으로 공급한 후 100A의 전류를 인가함으로 전기 화학반응을 일으켜 스택 온도를 상승시켰다. 냉시동결과 -20°C에서 자체발열 냉시동이 가능함을 확인하였고, 가스공급 후 25초 내에서 최저 전압을 나타내며 이후 전극이 해동되면서 ice blocking은 없어지고 전압이 상승함을 알 수 있었다. 특히, 엔드 셀 부분(CH01V, CH₂₀V)의 전압 상승률이 스택중앙부에 위치한 셀들보다 떨어졌는데, 엔드 셀에서 생성된 열이 엔드플레이트와 집전판으로 손실되었기 때문으로 판단된다.
6에서와 동일하게 운전 및 퍼지를 실시한 후 온도를 (a) 55°C와 (b) 65°C까지 올려 운전한 후 -20°C에서 냉시동한 결과이다. 두 조건 모두 안정적인 냉시동이 가능하였지만, 고온 운전 후가 더 높은 냉시동 성능을 나타냈다. 스택 운전온도가 높을수록 스택 내 잔존수가 줄어들어 ice blocking까지 도달하는 시간이 길어짐에 따라 발열 시간을 증가되기 때문에 스택 해동을 가능하게 한 것으로 판단된다.
이것는 냉시동시 10°C 의 운전온도 상승이 ice blocking 시간을 2배 지 연 시키는 결과를 나타내므로 물량 기준으로 냉 시동성능이 2배 향상되었다고 말할 수 있다. 또한 고 SR운전의 경우에는 SR 1.5/2.0 대비 3/4가 약 30% 의 냉시동 성능 증가 효과가 있고, RH 50% 퍼지 대비 무가습 퍼지의 경우에는 약 20%의 효과가 있음을 ice blocking test를 통해 확인하였다.
4V의 높은 값으로 적용하였다. 스택 평균 전압이 0.4V 될 때까지 cathode에서 생성 가능한 물량을 계산한 결과 30°C부터 10°C 증가할수록 약 2배의 물 생성량이 증가함을 알 수 있다. 이것는 냉시동시 10°C 의 운전온도 상승이 ice blocking 시간을 2배 지 연 시키는 결과를 나타내므로 물량 기준으로 냉 시동성능이 2배 향상되었다고 말할 수 있다.
확인하였다. 역전압 없이 안정적으로 냉시동을 완료하기 위해서는 3단계에서 발생하는 ice blockin俎에 의해 cathode 전극이 완전히 막히기 전에 4단계에서 발생하는 자체발열 또는 외부 열원에 의해 전극 내 얼음이 해동되어야 함을 알 수 있었다.
이 평가를 통해 온도가 운전 정지 전 10°C 올라갈 때마다 cathode 전극에서 생성 가능한 물량이 약 두배로 증가함으로 물량 기준 냉 시동 성능이 두배 향상되었고, SR을 1.5/2.0 대비 3/4로 했을 경우 약 30%의 성능 증가, RH 50% 퍼지가 아닌 무가습 퍼지를 실시하였을경우 약 20%의 냉시동 성능 증가가 나타났다.
이상의 결과로부터 저온에서 운전 정지시에는 스택 내 물 축적 량이 많아 냉시동시 빠르게 ice block- i咽이 일어나는 것으로 판단되고, 한번 ice blocking 에 의해 냉시동이 실패하였을 때는 전류량을 줄여도 바로 전압강하가 나타남을 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과로부터 안정적인 냉시동 완료를 위해서는 세 번째 단계에서 발생하는 ice blocking 으로 인해 전극이 완전히 막히기 전에 네 번째 단계인 MEA의 해동이 먼저 일어나야 됨을 알 수 있었다. 왜냐하면 ice blocking에 의해 cathode 전극이 완전히 막히게 되면 더 이상 산소환원 반응에 의한 발열반응이 일어나지 않기 때문이다.
퍼지 시간보다는 상대적으로 운전 온도가 높고, 무가습 퍼지와 고SR 운전을 적용했을 때 전압 감소가 나타나는 시간이 크게 길어졌다.

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