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문제 정의
- 본 연구에서는 수소와 공기를 사용하는 고분 전해질 연료전지의 작동조건 변화에 따른 성능 특성과 임피던스를 측정하여 성능손실을 분석하여 고분자 전해질 연료전지의 성능인자의 영향을 규명하였다.
제안 방법
- 위와 같은 기본 실험조건을 기준으로 작동조건을 Table 2와 같이 변화시켜 고분자 전해질 연료전지의 전압과 전류를 측정하였다. 또한, 고분자전해질 연료전지의 저항손실과 활성화손실을 자세하게 규명하기 위하여 선형근사로 최대전력 밀도를 나타내는 전압 약 0.5V일 때 임피던스 실험을 수행하였다* 0.1Hz~ 10000Hz의 주파수 영역에서 진폭 30mV의 정현파형태의 전압을 교란시켜 10Hz 사이마다 6개의 값을 측정하여 임피던스의 실수부값과 허수부값을 Nyquist 선도로 나타내었다"(2)
- 연료극에 공급되는 수소가스의 유량과 공기극에 공급되는 공기의 유량은 질량유량 컨트롤러(MKS instruments, 1179) 로 유량을 조절하였다. DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL60-1)를 이용하여 일정전압모드로 연료전지의 전압과 전류를 실시간으로 취득하였으며, 교류 임피던스 스펙트로미터를 이용하여 저항손실과 활성화 손실을 측정하였다. 또한, 배압 조절기(marklyn controls, 44~2福62-24)를 이용하여 연료극과 공기극의 배압을 조절하였다.
- 또한, 배압 조절기(marklyn controls, 44~2福62-24)를 이용하여 연료극과 공기극의 배압을 조절하였다. 가습장치를 이용하여 수소와 산소를 가습하였으며, 작동 후 질소가스를 이용하여 연료전지내의 수소와 공기를 제거하였다.
- 고분자 전해질 연료전지의 작동조건에 따른 영향을 알아보기 위해 연료전지의 작동온도, 유량, 가습온도, 배압을 조절하여 실험하였다. 기본 실험조건으로 고분자 전해질 연료전지의 작동온도와 가습온도는 333K로 설정하였고, 공기극과 연료극의 배압은 각각 100kPa를 기준으로 조절하였다.
- 배압을 조절하여 실험하였다. 기본 실험조건으로 고분자 전해질 연료전지의 작동온도와 가습온도는 333K로 설정하였고, 공기극과 연료극의 배압은 각각 100kPa를 기준으로 조절하였다. 수소의 유량은 110cm3/min, 공기의 유량은 400cm7min 로 공급하였는데, 이는 본 실험에서 측정된 최대작동전류(1.
- DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL60-1)를 이용하여 일정전압모드로 연료전지의 전압과 전류를 실시간으로 취득하였으며, 교류 임피던스 스펙트로미터를 이용하여 저항손실과 활성화 손실을 측정하였다. 또한, 배압 조절기(marklyn controls, 44~2福62-24)를 이용하여 연료극과 공기극의 배압을 조절하였다. 가습장치를 이용하여 수소와 산소를 가습하였으며, 작동 후 질소가스를 이용하여 연료전지내의 수소와 공기를 제거하였다.
- 1에 나타낸 연료전지 성능 평가 장치를 이용하여 측정하였다. 연료극에 공급되는 수소가스의 유량과 공기극에 공급되는 공기의 유량은 질량유량 컨트롤러(MKS instruments, 1179) 로 유량을 조절하였다. DC 전자식 컨트롤러 (AMREL, FEL60-1)를 이용하여 일정전압모드로 연료전지의 전압과 전류를 실시간으로 취득하였으며, 교류 임피던스 스펙트로미터를 이용하여 저항손실과 활성화 손실을 측정하였다.
- 59이다. 위와 같은 기본 실험조건을 기준으로 작동조건을 Table 2와 같이 변화시켜 고분자 전해질 연료전지의 전압과 전류를 측정하였다. 또한, 고분자전해질 연료전지의 저항손실과 활성화손실을 자세하게 규명하기 위하여 선형근사로 최대전력 밀도를 나타내는 전압 약 0.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 고분자 전해질 연료전지는 단위 연료전지로서 구리재질의 집전판과 수소와 공기의 공급을 위한 사형(serpentine) 유로가 형성되어 있는 그라파이트 재질의 분리판으로 구성되어있다. 전해질-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 전해질과 전극을 이루는 촉매와 가스확산층(gas diffusion layer, GDL)이 조립되어있는 5-layer MEA를 사용하였으며, 미국 LYNNTEK 에서 제작하였다.
- 그라파이트 재질의 분리판으로 구성되어있다. 전해질-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 전해질과 전극을 이루는 촉매와 가스확산층(gas diffusion layer, GDL)이 조립되어있는 5-layer MEA를 사용하였으며, 미국 LYNNTEK 에서 제작하였다. 본 실험에서 사용한 실험용 연료전지의 상세 제원을 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 2) 연료극의 가습온도가 증가함에 따라 활성화 에너지가 낮아져 산화반응이 원활히 일어나 활성화 손실이 감소하였다. 공기극의 가습온도가 상승함에 따라 환원반응이 활성화되어 활성화 손실과 저항손실이 감소하였다.
- 3) 공기극의 유량이 증가할수록 저항손실이 다소 증가하였으나 원활한 환원반응이 발생되어 활성화 손실이 감소하였다.
- 4) 배압이 증가할수록 산화반응과 환원반응이 활성화되어 활성화손실이 현저하게 감소하였다.
- 68 0嵐에서 공기극 가습온도가 333K일 때 1.449。 cm2S 감소하였으며, 이는 연료극 가습온도의 증가가 산화반응에 활성화를 촉진하면서 활성화 손실이 감소하여 연료전지의 성능이 향상되는 것으로 판단할 수 있다.
- 감소하였다. 공기극의 가습온도가 상승함에 따라 환원반응이 활성화되어 활성화 손실과 저항손실이 감소하였다.
- 이는 작동온도가 상승함과 함께 고분자 전해질 연료전지의 산화-환원반응에 필요한 활성화 에너지가 감소하게 되어 성능이 향상된 것으로 판단할 수 있다. 또한 개방회로전압은 작동온도가 313K일 때 0.929V에서 333K일 때 0.959V로 증가하는 것으로 나타났다.
- 3mWcm2 증가하였다. 또한, 배압이 100kPa일 때 개방회로전압이 0.915V에서 200kPa일 때 0.943V로 현저히 증가하는 것으로 나타났다.
- 11은 배압증가에 따른 임피던스 결과를 Nyquist 선도로 나타낸 것이다. 배압이 100kPa일 때 저항 손실은 0.15枝 匸1구이고 200kPa일 때 0.164Q・cm2로 약 0.007Q・cm2 증가하였는데, 이를 통하여 배압의 증가에 따라 양이온 교환 반응에 큰 영향이 없는 것을 확인할 수 있다. 활성화손실은 배압이 100kPa일 때 L9520CE2에서 200kPa일 때 1.
- 2에 나타내었다. 작동온도가 313K 일 때 최대출력밀도는 47.7mW/cm2이었으며, 작동온도가 333K일 때 68.2mW/cm2로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 작동온도가 상승함과 함께 고분자 전해질 연료전지의 산화-환원반응에 필요한 활성화 에너지가 감소하게 되어 성능이 향상된 것으로 판단할 수 있다.
- 7은 공기극 가습온도에 따른 임피던스 결과를 Nyquist 선도로 나타낸 것이다. 저항손실은 공기극 가습온도가 313K일 때 0.216Q・ ciS에서 333K 일 때 0.165Q・cm2로 감소하는 것으로 나타났으며, 이로부터 공기극 가습온도가 전해질의 전기 화학반응을 활발하게하는 작동조건이라고 판단할 수 있다. 활성화손실은 공기극의 가습온도가 313K일 때 2.
- 전극의 산화.환원반응이 활발해져 저항 손실과 활성화손실이 감소하여 성능이 향상되었다.
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