[논문]운전조건에 따른 PEMFC 스택의 성능에 관한 실험적 연구

이지홍; 이명용; 이상석; 남일상; 이도형

doi:10.5916/jkosme.2009.33.5.770

운전조건에 따른 PEMFC 스택의 성능에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Performance of PEMFC Stack Depending on Operating Conditions 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.5, 2009년, pp.770 - 777

이지홍 (부경대학교 대학원) , 이명용 (부경대학교 대학원) , 이상석 (부경대학교 대학원) , 남일상 (육군종합정비창) , 이도형 (부경대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The energy depletion and the environmental pollution like global warming are worldwide issues. For correcting these problems there are many studies on new-renewable energy in Korea. A kind of new-renewable energy, PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is a low temperature fuell cell and there are some cases of small craft or submarine adopted PEMFC system in maritime. PEMFC's performance is affected the operating conditions. Finding optimum operating conditions must be performed before adopting PEMFC to system. So in this study, we experiment about various operating conditions to apply 150W PEMFC stack for a model boat. And through the results, we find optimum operating conditions and study an effect of operating conditions to PEMFC.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 PEMFC를 소형 선박에 적용하기 이전에 모형 보트에 PEMFC 시스템을 적용하기 위한 기초 단계로써 150W급 PEMFC 스택을 이용하여, 다양한 운전조건에 대하여 실험을 수행하였다. 그리고 실험결과를 통하여 운전조건이 PEMFC에 미치는 영향을 분석하고 최적의 운전조건을 찾고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 PEMFC를 소형 선박에 적용하기 이전에 모형 보트에 PEMFC 시스템을 적용하기 위한 기초 단계로써 150W급 PEMFC 스택을 이용하여, 다양한 운전조건에 대하여 실험을 수행하였다. 그리고 실험결과를 통하여 운전조건이 PEMFC에 미치는 영향을 분석하고 최적의 운전조건을 찾고자 하였다.
또한 높은 전류밀도에서는 생성되는 열에 의해 연료극은 더욱 건조해져 스택의 내구성에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 수분 생성량이 적을 것으로 예상되는 전류 밀도가 0.15A/cm²일 때와 이에 상대적으로 수분 생성량이 많을 것으로 예상되는 전류밀도가 0.4A/cm²일 때의 스택전압(V_stack)을 비교함으로써 각 운전조건에 따른 영향 및 성능을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 운전조건이 PEMFC에 미치는 영향을 분석하고 최적의 운전조건을 찾기 위하여 150W급 PEMFC 스택을 수소와 공기의 화학양론비, 입구 온도 및 습도를 변화시켜 실험을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

2V 간격으로 스텝입력을 하였다. 그리고 물 생성에 대한 이력현상을 고려하기 위하여, 전압을 높이는 방향과 낮추는 방향으로 실험을 수행하여 평균값을 취하였으며, 각 스텝 당 30초 동안 데이터를 획득하였다. 본 연구에서 전압을 조절하여 데이터를 획득한 이유는 운전조건마다 최대 전류밀도가 각각 달랐으며, 이에 의해 Electric Load 조작 상 애로점이 생겼기 때문이다.
입구 온도 변화 실험 조건은 80℃이상으로 스택을 운전할 경우 일반적으로 내구성문제로 인해 운전을 피하는 것으로 알려져 있으므로 50℃, 60℃, 70℃, 80℃로 하였고, 이 때 상대습도는 75%로 고정하였다. 그리고 습도 변화 실험 조건은 65%, 75%, 85%, 95%, 100%이며 이 때 입구온도는 60℃로 고정하였다.
0으로 하였다. 그리고 입구 온도 및 습도 조건은 수소와 공기 모두 60℃, 75%로 하였으며, 상압조건에서 실험을 수행하였다. 각 화학양론비 변화에 관한 공급 가스량은 Table 2와 같다.
는 각각 수소와 공기의 화학양론비이며, I는 전류, F는 패러데이상수(96458[C])이다. 본 연구에서 전류는 25A를 기준으로 하였고, 공급 가스의 화학양론비 변화 실험은 수소 화학양론비는 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8로 공기 화학양론비는 1.0, 1.5, 2.0으로 하였다. 그리고 입구 온도 및 습도 조건은 수소와 공기 모두 60℃, 75%로 하였으며, 상압조건에서 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 공급 가스의 화학양론비와 온도 및 습도를 변경하여 실험을 수행하였다. 수소와 공기의 화학양론비에 따른 공급량은 다음의 식으로 정의된다.
6A/cm²까지 측정함으로서 최대 전류밀도까지 측정하지는 못했다. 본 연구에서는 최대 전류밀도까지 분극곡선을 얻기 위하여 Electric Load의 CV(Constant Voltage) 모드^[8]를 이용하여 0.4~8.6V 사이를 0.2V 간격으로 스텝입력을 하였다. 그리고 물 생성에 대한 이력현상을 고려하기 위하여, 전압을 높이는 방향과 낮추는 방향으로 실험을 수행하여 평균값을 취하였으며, 각 스텝 당 30초 동안 데이터를 획득하였다.
0으로 하였다. 입구 온도 변화 실험 조건은 80℃이상으로 스택을 운전할 경우 일반적으로 내구성문제로 인해 운전을 피하는 것으로 알려져 있으므로 50℃, 60℃, 70℃, 80℃로 하였고, 이 때 상대습도는 75%로 고정하였다. 그리고 습도 변화 실험 조건은 65%, 75%, 85%, 95%, 100%이며 이 때 입구온도는 60℃로 고정하였다.

대상 데이터

Table 1은 테스트 스테이션의 주요 구성품과 Electric Load의 측정 범위 및 정도이다. 본 연구에 사용된 150W 용량의 PEMFC 스택은 BCFC사에서 제작한 수냉식 연료전지로써 멤브레인은 Nafion 212, GDL(Gas Diffusion Layer)은 E-Tek을 사용하며, 반응면적이 64cm²인 단 셀 10개로 구성되어 있다.

성능/효과

이러한 현상은 과도한 수분으로 인한 공기극의 플러딩 현상에 의한 것이라고 생각된다. 0.4A/cm²의 경우 상대습도가 65%, 75%, 85% 조건에서는 전류밀도 변화에 비해 95%에서 크게 향상됨을 알 수 있었다. 이것은 상대습도가 65%, 75%, 85%조건에서는 높은 발열량에 의해 수분이 부족하다가 95% 조건에서 수분이 충분한 분위기가 만들어졌기 때문이라 생각된다.
1. 각 운전조건에 대하여 분극곡선 및 출력곡선을 얻은 결과, 모든 조건에서 유사한 형태의 곡선을 얻을 수 있었고 최대출력은 100~130W정도였다.
2. 수소 화학양론비에 따른 성능을 비교한 결과, #=1.4 조건이 가장 좋았으며, #=1.0조건의 경우 다른 조건들에 비해 운전영역이 좁음을 알 수 있었다.
3. 공기 화학양론비에 따른 성능을 비교한 결과, λAir=2.0 조건의 λAir=1.5비하여 경우 공기량이 많음에도 불구하고 스택전압이 거의 유사하였다.
4. 입구 온도 및 습도에 따른 성능을 비교한 결과, 온도가 증가할수록 전류밀도가 증가하는 경향을 보였으며, 스택 내부의 온도를 대략적으로 예측할 수 있었다. 그리고 상대습도가 증가할수록 전류 밀도 또한 증가하는 경향을 보였으며, 상대습도 100%의 경우 플러딩 현상에 의해 성능이 떨어졌다.
Fig. 7에서 전체적으로 상대습도 변화에 따른 성능 변화는 0.15A/cm²와 0.4A/cm²모두 상대습도가 증가 할수록 스택전압이 증가하는 경향을 보이며, 100% 조건의 경우에는 95% 조건에 비하여 상대습도가 커졌음에도 불구하고 성능이 떨어졌다. 이러한 현상은 과도한 수분으로 인한 공기극의 플러딩 현상에 의한 것이라고 생각된다.
입구 온도 및 습도에 따른 성능을 비교한 결과, 온도가 증가할수록 전류밀도가 증가하는 경향을 보였으며, 스택 내부의 온도를 대략적으로 예측할 수 있었다. 그리고 상대습도가 증가할수록 전류 밀도 또한 증가하는 경향을 보였으며, 상대습도 100%의 경우 플러딩 현상에 의해 성능이 떨어졌다.
최대 전류밀도는 반응물이 촉매 표면에 도달하는 속도보다 빠르게 소비되는 시점의 전류밀도를 의미하므로 반응물의 농도에 관련이 있다고 할 수 있다. 따라서 대부분의 운전 조건에서 농도손실이 지배적인 영역(본 연구에서는 2~4V정도의 영역)에서 최대 전류밀도 및 출력을 얻을 수 있었고, 그 세부적인 값은 Table 3과 같다. 최대 전류밀도는 #=1.
4A/cm²에서는 전체적으로 공기 화학양론비가 증가할수록 성능이 증가하는 경향을 보였다. 이것으로 보아 낮은 전류밀도의 경우 수소 화학양론비에 더 민감하지만 높은 전류밀도의 경우 공기 화학 양론비에 더 민감함을 알 수 있었다. 하지만 λ_Air =1.
4A/cm²에서 수분 생성이 많은 상황에서 60℃ 조건의 경우 수분이 응축되어 반응에 안 좋은 영향을 주지만, 70℃조건의 경우 공급 가스의 온도에 의해 수분이 포화 상태와 가까워짐에 따라 성능이 향상된 것이라 생각된다. 이를 통해 공급 가스온도 70℃, 상대습도 75%일 때의 노점온도가 63.5℃이므로 본 스택의 내부 온도가 60~65℃정도라는 것을 예측할 수 있었다.
4A/cm²모두 80℃조건에서 스택전압이 가장 높게 나타나지만, 70℃ 조건과의 차이는 거의 없었다. 한편, 0.4A/cm²에서60~70℃ 사이의 그래프 기울기가 70~80℃ 사이의 그래프 기울기에 비하여 두드러지게 큰 것으로 보아 60~70℃ 사이에서 큰 성능 향상이 있음을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 0.

후속연구

0 조건에서 수소 화학양론비에 변화에 따라 최대 전력이 들쑥날쑥한 결과가 얻어졌으며, 이것은 공급 공기량이 작아 공기극의 수분제거가 원활하지 못하여 불안정했기 때문이라 생각된다. 이러한 불안정한 결과들은 본 연구에 사용된 스택이 수분 및 열에 민감하기 때문이라 생각되며 이러한 현상에 대한 자세한 연구는 추후 연구에서 이루어져야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEMFC는 무엇에따라 큰 영향을 미치나요?	PEMFC는 공급가스 화학양론비, 온도, 습도 등의 운전조건에 따라 성능에 큰 영향을 미치며, 이에 따라 적당한 운전조건을 찾는 과정은 PEMFC를 시스템에 적용하기 이전에 수행해야 하는 과정이다.
	PEMFC의 성능에 영향을 미치는 요인 중 하나로 그 요인은 무엇인가요?	PEMFC의 성능에 영향을 미치는 여러 요인 중에서 전기화학반응에 의한 수분의 생성은 그 요인 중의 하나이다. 수분의 생성은 전류밀도와 관계가 있으며 전류밀도가 높을수록 공기극의 수분 생성이 많아진다.
	운전조건이 PEMFC에 미치는 영향을 분석하고 최적의 운전조건을 찾기 위한 실험 결과로 어떤 결론을 얻을 수 있었나요?	1. 각 운전조건에 대하여 분극곡선 및 출력곡선을 얻은 결과, 모든 조건에서 유사한 형태의 곡선을 얻을 수 있었고 최대출력은 100~130W정도였다. 2. 수소 화학양론비에 따른 성능을 비교한 결과, #=1.4 조건이 가장 좋았으며, #=1.0조건의 경우 다른 조건들에 비해 운전영역이 좁음을 알 수 있었다. 3. 공기 화학양론비에 따른 성능을 비교한 결과, λAir=2.0 조건의 λAir=1.5비하여 경우 공기량이 많음에도 불구하고 스택전압이 거의 유사하였다. 이러한 현상은 λAir=2.0의 경우 공기 흐름에 의한 과도한 수분 제거 때문이라 생각된다. 4. 입구 온도 및 습도에 따른 성능을 비교한 결과, 온도가 증가할수록 전류밀도가 증가하는 경향을 보였으며, 스택 내부의 온도를 대략적으로 예측할 수 있었다. 그리고 상대습도가 증가할수록 전류 밀도 또한 증가하는 경향을 보였으며, 상대습도 100%의 경우 플러딩 현상에 의해 성능이 떨어졌다. 5. 앞의 결론들을 종합하여 볼 때, 본 스택의 경우 #=1.4, λAir=1.5, 입구온도 70℃, 상대습도 95% 조건이 최적의 운전조건임을 알 수 있다.

참고문헌 (9)

산업자원부(지식경제부), "신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법", 부칙 제7284호, 2004.12.31
http: //www.zebotec.de/front_content.php?idcat45
Gunter Sattler, "PEFCs for naval ships and submarines: many tasks, one solution", Journal of Power Sources, Vol. 71, Issues 1-2, pp. 144-149, 1998

상세보기
김명환, 오철, "선박 동력용 연료전지 및 시스템 계발에 대한 제언적 연구", 한국마린엔지니어링학회 2006년도 후기학술대회논문집, pp. 273-274, 2006
김동하, 함미숙, 김민진, 유상필, 엄석기, 이원용, 김창수, '잠수함용 고분자연료전지 이젝터의 성능평가기법 개발', 대한기계학회 2006년도 춘계학술대회 강연 및 논문 초록집, pp. 1008-1805, 2006
J. Larminie, A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, John Wiley & Sons, 2000
M.G. Santarelli, M.F. Torchio, "Experimental analysis of the effects of the operation variables on the performance of a single PEMFC", Energy Conversion & Management Vol. 48, Issues 1, pp. 40-51, 2007

상세보기
Operation manual(Electric Load PLZ-4W Series), www.kikusui.co.jp
Frano Barbir, PEM Fuel Cells -Theory and Practice-, Elsevier Academic Press, 2005

저자의 다른 논문 :

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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