[논문]보관상태가 자동차용 고분자전해질 연료전지의 성능 감소에 미치는 영향

조은애

doi:10.5229/jkes.2010.13.4.277

보관상태가 자동차용 고분자전해질 연료전지의 성능 감소에 미치는 영향
Effects of Storage Condition on Degradation of Automotive Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.13 no.4, 2010년, pp.277 - 282

초록
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자동차용 고분자전해질 연료전지의 열화는 시동 또는 정지 시에 'reverse-current condition'이라 불리는 현상에 의해 촉진된다. 연료전지 자동차의 운전 종료 후 장시간동안 주차를 해 두면, 대기 중의 공기가 스택 내로 서서히 유입되어 시간이 경과함에 따라 산소분압이 점차 높아져 궁극적으로는 연료극과 공기극의 유로가 모두 공기로 충진된다. 이때 재시동하면서 연료극으로 수소가 공급되면, 연료극 유로 내에 수소와 공기가 공존하게 되고, 연료극에 공기가 존재하는 부위의 공기극에 1.4 V 이상의 높은 전압이 발생하는데, 이를 reverse-current condition 이라고 하며 공기극의 탄소담지체와 백금 촉매 산화의 원인으로 작용한다. 본 연구에서는 재시동시 스택 내에 존재하는 산소의 농도에 따른 열화 현상을 규명하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Durability of automotive polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) strongly depends the startup/shutdown procedure. Formation of hydrogen/air boundary in the anode gas channel, so-called reverse current condition, particularly induces fast degradation of the cathode. Under the reverse current condition, high voltage is present at the cathode facing air in the anode gas channel and is a function of residual oxygen concentration in the gas channels, that increases with storage time and reaches 21% (air) eventually. In this study, effects of residual oxygen concentration in a PEMFC on degradation of the PEMFC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 운전 정지 상태에서 스택 내부의 산소분압이 시동시 발생하는 reverse current condition에 의한 열화에 미치는 영향을 조사하였다. 유로 내의 산소농도가 1% O₂인 경우 1,200 cycle 동안 성능 저하가 거의 나타나지 않았으나, 21% (공기) 인 경우 성능 저하가 뚜렷이 나타났다.
본 연구에서는 최적의 연료전지 자동차 설계를 위해, 보관 상태에서 스택 내의 산소 분압이 자동차용 고분자전해질 연료전지의 성능 감소에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

2. A schematic voltage profile for the startup/shutdown cycling employed in this study.
Fig. 2에 나타낸 시동/정지 반복 운전으로 인한 성능 저하를 측정하기 위해 200, 600, 800, 1200 cycle 운전 후 전기화학적 특성 평가를 수행하였다.
05 V/s였다. 막을 통한 가스투과도를 확인하기 위해서 linear sweep voltametry(LSV)를 측정하였다. 전압 범위는 0.
먼저, 연료전지의 성능을 측정하기 위해서 i-V 성능 곡선을 측정하였다. i-V 곡선 측정 시 연료전지의 온도는 65o C이며 버블러 형태의 가습기를 통과하여 가스들의 습도를 95% 이상으로 유지하였다.
시동/정지 반복운전을 1,200회 반복하기 전과 후의 MEA 단면을 SEM 으로 관찰하였다. 운전 전에는 공기극과 연료극의 두께는 11 µm, 전해질 막의 두께는 18 µm였다.
운전이 종료된 후에는 MEA 단면에 대해 SEM 분석을 수행하였다.
1% O₂+ 99% N₂ 혼합가스는 주차 시간이 짧은 경우 또는 공기 배기구의 기밀도가 높은 경우를 모사한 것이고, 공기는 주차시간이 길어가 공기 배기구의 기밀도가 낮은 경우를 모사한 것이다. 이후 연료극에 수소를 공급함과 동시에 더미 저항을 단락시키고, 3초 후 공기 공급을 시작하였다 (시동과정). 운전온도는 65℃ 수소와 공기의 유량은 각각 330, 995 sccm 였으며, 상대습도는 95% 이상이었다.
전기화학적 저항 (옴 저항과 전자 전달 저항)을 측정하기 위해서 IM6를 이용하여 임피던스 분석 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 수행하였다. 주파수 범위는 50 mHz부터 10 kHz 였으며 0.
전기화학적 저항 (옴 저항과 전자 전달 저항)을 측정하기 위해서 IM6를 이용하여 임피던스 분석 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 수행하였다. 주파수 범위는 50 mHz부터 10 kHz 였으며 0.85 V의 DC 전압을 걸어주었고 진폭 5 mV의 AC전압을 가하였다. 기준전극과 상대전극으로 수소극인 연료극을, 작동전극으로 공기극을 사용하였다.
촉매의 활성 면적 변화를 확인하기 위해서 cyclic voltammetry (CV)를 측정하였다. 전압 측정 범위는 0.

대상 데이터

85 V의 DC 전압을 걸어주었고 진폭 5 mV의 AC전압을 가하였다. 기준전극과 상대전극으로 수소극인 연료극을, 작동전극으로 공기극을 사용하였다.⁴⁾
막-전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 상용 제품을 사용하였다. 촉매 loading 양은 공기극과 연료극 각각 0.

성능/효과

97 V 정도였으며, cycle을 반복함에 따라 뚜렷한 경향성은 나타나지 않았다. 0.6 V 에서의 전류밀도는 cycle을 반복함에 따라 큰 폭으로 감소하였으며, 1% 산소보다는 공기의 경우 성능 감소가 빠르게 진행되었다. Fig.
8에 도시하였다. 1,200 cycle 동안 1% O₂인 경우 55에서 29 m²/g 으로, 공기의 경우 65에서 7 m²/g으로 현격하게 감소하였다. 이러한 EAS의 감소는 Fig.
원점에 가까운 지점의 x축 접점이 옴의 저항이며, 반원의 지름이 전하 전달 저항 값이다.⁵⁾1% O₂와 공기의 경우 모두 옴의 저항은 거의 일정하게 유지되지만 전하 전달 저항은 cycle에 따라 뚜렷하게 증가하였으며, 공기의 경우 1% O₂ 보다 더 빠르게 증가하였음을 알 수 있다.
10의 전해질 막의 열화는 미미하다는 결과를 고려할 때, 옴 저항의 증가는 전극의 활성 감소 때문인 것으로 사료된다. 전하전달 저항은 0.07 Ωcm²에서 1% O₂인 경우와 공기인 경우 각각 2.4Ωcm², 12.8Ωcm²으로 증가하여 공기극의 반응 활성이 크게 손상되었음을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차용 고분자전해질 연료전지의 상용화 목표 내구성은?	자동차용 고분자전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 상용화 목표 내구성은 운전시간 5,000시간이다. 그러나 현재는, 운전 조건에 따라 다르긴 하지만, 실도로 운전 조건에서 대략 3,000시간 정도인 것으로 알려져 있다.
	자동차용 고분자전해질 연료전지의 현재 실도로 운전 조건에서 운전가능시간은?	자동차용 고분자전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 상용화 목표 내구성은 운전시간 5,000시간이다. 그러나 현재는, 운전 조건에 따라 다르긴 하지만, 실도로 운전 조건에서 대략 3,000시간 정도인 것으로 알려져 있다. 건물용 연료전지에 비해 자동차용 연료전지의 성능감소가 빠른 것은 잦은 시동/정지 반복 운전 때문인 것으로 알려져 있다.
	건물용 연료전지에 비해 자동차용 연료전지의 성능감소가 빠른 이유는?	그러나 현재는, 운전 조건에 따라 다르긴 하지만, 실도로 운전 조건에서 대략 3,000시간 정도인 것으로 알려져 있다. 건물용 연료전지에 비해 자동차용 연료전지의 성능감소가 빠른 것은 잦은 시동/정지 반복 운전 때문인 것으로 알려져 있다. 연료전지 자동차 운전을 중지하고 주차상태를유지하면, 공기배기구로대기 중의 공기가 유입되어 스택 내부의 산소분압이 점차 높아지며, 궁극적으로는 스택 내부의 수소/공기 유로가 모두 공기로 충진된다.

참고문헌 (6)

Y. Takagi and Y. Takakuwa, 'Effect of Shutoff Sequence of Hydrogen and Air on Performance Degradation in PEFC', ECS Trans., 3, 855 (2006).

상세보기
J. H. Kim, E. A. Cho, J. H. Jang, H.-J. Kim, T.-H. Lim, I.-H. Oh, J. J. Ko, and S. C. Oh, 'Development of a Durable PEMFC Startup Process by Applying a Dummy Load-I. Electrochemical Study', J. Electrochem. Soc., 156, B955-B961 (2009).

상세보기
J. H. Kim, E. A. Cho, J. H. Jang, H.-J. Kim, T.-H. Lim, I.-H. Oh, J. J. Ko, and I.-J. Son, 'Development of a Durable PEMFC Start-Up Process by Applying a Dummy Load-II. Diagnostic Study', J. Electrochem. Soc., 157, B118-B124 (2010).

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