[논문]시동/정지 반복에 따른 고분자전해질 연료전지의 성능 저하에 관한 연구

조유연; 조은애; 김정현

시동/정지 반복에 따른 고분자전해질 연료전지의 성능 저하에 관한 연구
A Study on Performance Degradation of PEMFC by Repetitive Startup/Shutdown Cycling 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.4, 2009년, pp.317 - 322

조유연 (서울시립대학교, 화학공학과) , 조은애 (한국과학기술연구원 연료전지연구단) , 김정현 (서울시립대학교, 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate degradation mechanism of PEMFC operated with repetitive startup/shutdown cycling, i-V characteristics, impedance, cyclic voltamograms were measured. OCV decreased from 0.967 to 0.951 V while the cell voltage at 800mA/$cm^2$ from 0.657 to 0.563V, implying that the electrodes rather than membrane electrolyte was damaged during the cycling operation. Electrochemical analyses supported that the performance degradation could be mainly attributed to degradation of the electrodes such as a decrease in electrochemical active surface area rather than degradation of membrane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Takagi 등a은 연료와 공기의 중단 순서를 공기 먼저 또는 연료 먼저 중단 하는 실험을 수행하여 공기를 먼저 중단하는 것이 더 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. Kim 등⑵은 연료전지 운전 정지 시, 더미 저항을 이용하여 연료전지 내부에 남아있는 가스들을 제거하여 내구성을 높이는 방법을 연구하였다.
1에 나타낸 개략도와 거의 유사한 결과를 얻었다. 본 연구에서는 이러한 cycle을 28, 200회 반복하였으며, 운전 중에 성능과 전기화학적 특성을 측정하여 성능 저하와 전기화학적 특성 변화와의 상관관계를 규명하고자 하였다.
본연구에서는 탄소 담체의 부식을 감소시키기 위해 운전 정지 시 공기의 공급을 먼저 중단하고, 더미 저항을 사용하여 공기극 내부의 잔존 산소를 모두 제거한 후 수소 공급을 중단하는 방법을 적용했을 때의 성능 저하와 전기화학적 특성 변화와의 상관관계를 조사하였다.

제안 방법

일정 cycle 운전 후에, ELT 사의 ESL-300Z DC electronic load를 이용하여 I-V 성능 곡선을 그리고, ZAHNER사의 IM6를 이용하여 임피던스(electro chemical impedance spectroscopy; EIS)와 순환전류법(cyclyic voltametry; CV)를 이용하여 전기 화학분석을 하였다. 임피던스는 50mHz 부터 10kHz의 주파수 범위에서 0.

대상 데이터

2는 본 연구에서 사용한 실험장치 사진이다. 전극 면적 이 25&I12인 상용 MEA를 사용하였다. 공기는 995sccm 수소는 330sccm으로 공급하였다.

데이터처리

가스의 공급과 중단은 3방향 솔레노이드 밸브를 이용하여 조절하였다 연료전지의 전지 온도는 65°C이며, 가습기 온도는 양쪽 모두 65°C를 유지하였다. 모든 실험은 national instruments 사의 LABVIEW 프로그램을 이용하여 자동으로 진행하였다.

성능/효과

3) EAS 값이 52.85m"g에서 18.36m2/g으로 감소하였다.
1) OCV는 0.967V에서 0.951 V로 거의 변화가 없었으나, 800mA/cm 에서의 전압은 0.師V에서 0.563V 로 94mV 가 감소하여 14.3% 떨어졌고, 성능 감소율은 3.154UV/cycle이다.
2) 옴 저항은 0.09Q aS에서 0 UQ 冬蛆으로 크게 변화하지 않았으나, 전자 전달 저항의 경우 cycle이 진행될수록 초기 0.807Q cnf에서 4.8172 cnj로급격히 증가하였다.
6(b)에 도시하였다. 28, 200 cycle을 반복함에 따라 EAS 값이 52.85m% 에서 18.36m2/g으로 감소하였다. 이는 Fig.
4(b)와 (c)는 열림 회로 전위 (open circuit voltage, OCV) 와 800mA/cm² 에서의 전압을 cycle 에 따라 도시한 결과이다. 28, 200회를 반복한 결과 OCV 는 0.967V에서 0.951 V로 거의 변화가 없음을 알 수 있다(전압 감소율: 0.567uV/cycle, 1.65%). 반면, 800mA/cm² 에서의 전압은 0.
154 uV/cycle이다. OCV는 전해질 막을 투과하는 기체투과도와 관련된 것으로 OCV 값의 변화가 거의 없는 것으로 보아 전해질 막을 통한 기체 투과도는 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 28, 200 cycle 후에도 전해질막은 거의 손상이 없다는 것을 의미한다.
위와 같은 결과들을 통하여 28, 200 cycle의 시동 /정지 운전 결과 전해질막의 손상보다는 전극 층의 손상이 더 빠르게 진행되는 것을 알수 있었다. 이러한 전극층의 손상을 방지하고 고분자 전해질 연료전지의 내구성을 향상시키기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
Yu 등 g 은 상용 MEA와 흑연화된 탄소를 사용한 MEA를 이용하여 PEMFC의 내구성을 비교하였다. 흑연화된 탄소를 사용한 MEA가 상용 MEA 보다 더 향상된 내구성을 보였다. Owejan 등u)은 흑연화된 탄소를 가스 확산층의 미세 다공성 층에 사용하여 25%의 향상된 성능을 보였다.

후속연구

있었다. 이러한 전극층의 손상을 방지하고 고분자 전해질 연료전지의 내구성을 향상시키기 위한 추가적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (13)

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