고분자 전해질 연료전지용 water-to-gas 막 가습기의 투과 특성 Humidification Characterization of water-to-gas Membrane Humidifier for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell원문보기
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지의 연료가습을 위하여 막 증발법을 적용한 막가습기를 제작하여 특징과 성능을 알아보았다. 막가습기 내부 물의 온도를 $30{\sim}60^{\circ}C$, 연료기체의 유속을 300~3,000 mL/min, 막 가닥수를 10, 50, 100 가닥으로 변화 하였을 때 결과를 dew point로 나타내었다. 그 결과 $60^{\circ}C$일 때 $51.19^{\circ}C$, 900 mL/min일 때 $54.22^{\circ}C$, 100 가닥일 때 $60.03^{\circ}C$로 연료 가습성능이 가장 좋았다. 특히, 막 가습기 물질 전달식의 모델링을 통해 연료전지에 적용할 때 막 가습기 공경 크기에 따른 반응기체의 가습량을 예측하는 것이 가능하였다. 100 W급 스택에 적용하였을 때, 전압과 출력값이 변화되지 않고 안정적으로 작동하였으며 제작한 막 가습기는 기존 기포가습기보다 부피는 훨씬 작으면서도 가습 성능은 우수한 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지의 연료가습을 위하여 막 증발법을 적용한 막가습기를 제작하여 특징과 성능을 알아보았다. 막가습기 내부 물의 온도를 $30{\sim}60^{\circ}C$, 연료기체의 유속을 300~3,000 mL/min, 막 가닥수를 10, 50, 100 가닥으로 변화 하였을 때 결과를 dew point로 나타내었다. 그 결과 $60^{\circ}C$일 때 $51.19^{\circ}C$, 900 mL/min일 때 $54.22^{\circ}C$, 100 가닥일 때 $60.03^{\circ}C$로 연료 가습성능이 가장 좋았다. 특히, 막 가습기 물질 전달식의 모델링을 통해 연료전지에 적용할 때 막 가습기 공경 크기에 따른 반응기체의 가습량을 예측하는 것이 가능하였다. 100 W급 스택에 적용하였을 때, 전압과 출력값이 변화되지 않고 안정적으로 작동하였으며 제작한 막 가습기는 기존 기포가습기보다 부피는 훨씬 작으면서도 가습 성능은 우수한 것을 알 수 있었다.
In this study, characterization and performance of membrane humidifier using membrane distillation was evaluated for moisture of fuel gas in the PEMFC. The data were expressed dew point. The best results show $51.19^{\circ}C$ at $60^{\circ}C$ of water temperature, $54.22^{...
In this study, characterization and performance of membrane humidifier using membrane distillation was evaluated for moisture of fuel gas in the PEMFC. The data were expressed dew point. The best results show $51.19^{\circ}C$ at $60^{\circ}C$ of water temperature, $54.22^{\circ}C$ at 900 mL/min and $60.03^{\circ}C$ at 100 strands. The mass transfer modelling of membrane humidifier were able to predict humidification of fuel gases for operating PEMFC. When the membrane humidifier was applied to the 100 W stack, it showed stable voltage and power. The volume of membrane humidifier was small however, showed better performance than bubble humidifier.
In this study, characterization and performance of membrane humidifier using membrane distillation was evaluated for moisture of fuel gas in the PEMFC. The data were expressed dew point. The best results show $51.19^{\circ}C$ at $60^{\circ}C$ of water temperature, $54.22^{\circ}C$ at 900 mL/min and $60.03^{\circ}C$ at 100 strands. The mass transfer modelling of membrane humidifier were able to predict humidification of fuel gases for operating PEMFC. When the membrane humidifier was applied to the 100 W stack, it showed stable voltage and power. The volume of membrane humidifier was small however, showed better performance than bubble humidifier.
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문제 정의
건조한 공기는 중공사막 안쪽으로 유입되며 중공사막 외부에 물이 채워지며, 건조한 공기와 물의 흐름은 반대방향으로 공급된다. 본 실험에서는 기포가습기의 수위를 일정하게 유지시키면서 가습기를 통과하는 반응기체의 유속 및 가습기 내부의 물 온도에 따른 성능을 살펴보았다. 반응기체의 유속은 300-3, 000 mL/min, 가습기 온도는 30~60℃까지 각각 변화시켰다.
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에 사용되는 막 가습기를 막 증류법 (membrane distillation) 을 이용하여 제작하고, 기존의 기포가습기와 가습 특성을 비교하고 PEMFC에 적용하여 전지의 성능을 알아보았다. 또한 막 가습기의 물질전달식의 모델링을 통해 연료전지 반응 기체의 상대습도를 예측하였다.
AGMD (air gap MD)는 어느 경우에나 적용될 수 있는 범용 형태이다. 본 연구에서는 이러한 막 증발법 중 SGMD법을 이용하여 연료전지의 가습을 위한 새로운 MD 가습 시스템을 제작하였다. Fig.
제안 방법
각각의 온도에서 dew point는 단위전지가 물의 온도와 같은 온도로 작동할 때 막의 충분한 수화가 가능한 습도임을 나타낸다. 기포가습기의 온도는 60P를 유지시키고 (b) 반응기체의 유량을 300, 600, 900 mL/min으로 변화시키면서 출구에서 나오는 공기의 dew point를 측정하였다. 그 결과 유속이 300 mL/min 일 때 51.
3) 막 가습기의 가습량을 물질전달식을 사용하여 예측이 가능하였다. 중공사막의 공경 (pore size), 막의 뒤틀림 (membrane tortuosity), 막의 두께 (membrane thickness), 공극률(factional void volume of the membrane) 을 고려하여 가습량을 예측하였으며, 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
또한 막 가습기의 물질전달식의 모델링을 통해 연료전지 반응 기체의 상대습도를 예측하였다. 위와 같은 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
스택의 성능평가는 일정한 전류(current) 값을 주었을 때 발생되는 전압(voltage)을 측정하였다. 또한 스택을 구성하는 각각의 단위 셀(unit cell)의 전압을 측정하여 편차범위를 10% 이내로 들게 하였으며 0.5 V 이하로 떨어지지 않게 하였다.
막가습기에 주입되는 반응기체는 유량 조절계 (mass flow controller; MFC)를 통해 조절하였다. 또한 중공사막의 외부에 채워지는 물의 온도를 유지하기 위하여 항온수조를 사용하였고 펌프를 이용하여 물을 순환시켰다. 막 가습기의 길이에 따라 내부의 물의 온도와 반응기체의 유속을 변화시키면서 상대습도를 측정하였다.
막 가습기를 통과하여 나오는 반응기체의 온도와 상대습도를 즉정하기 위하여 습도계 (testo 625, testott, Germany)를 사용하였다. 막가습기에 주입되는 반응기체는 유량 조절계 (mass flow controller; MFC)를 통해 조절하였다.
dew point를 기포가습기와 비교하여 알아보았다. 막 가습기와 기포가습기의 온도는 30, 40, 50, 60℃ 로 변화시켰으며 수압 및 반응기체 모두 상압으로 가습기에 공급되었다. Fig.
막 가습기의 가습성능을 공경 크기에 따라 어떻게 변화하는지를 식 (1)의 물질전달식에 대입하여 살펴보았다. 일정 시간을 두고 가습하여 나온 기체를 응축시킨 양을 측정하여 실험치와 식에 대입하여 계산한 값과 비교한 결과를 Table 2에 나타내었다.
또한 중공사막의 외부에 채워지는 물의 온도를 유지하기 위하여 항온수조를 사용하였고 펌프를 이용하여 물을 순환시켰다. 막 가습기의 길이에 따라 내부의 물의 온도와 반응기체의 유속을 변화시키면서 상대습도를 측정하였다. 막 가습기 내부의 물의 온도에따른 영향을 살펴보기 위해 기포가습기와 같은 조건인 30~60。。, 기체의 유속을 300~3, 000 mL/min까지 변화시키며 상대습도를 측정하였다.
막 가습기의 온도를 변화시킴에 따라 변화하는 반응기체의 dew point를 기포가습기와 비교하여 알아보았다. 막 가습기와 기포가습기의 온도는 30, 40, 50, 60℃ 로 변화시켰으며 수압 및 반응기체 모두 상압으로 가습기에 공급되었다.
사용하였다. 막가습기에 주입되는 반응기체는 유량 조절계 (mass flow controller; MFC)를 통해 조절하였다. 또한 중공사막의 외부에 채워지는 물의 온도를 유지하기 위하여 항온수조를 사용하였고 펌프를 이용하여 물을 순환시켰다.
9에 나타내었다. 물의 온도는 30~60℃ 까지 10℃씩 변화를 주었고 각각의 온도에서 유속을 300, 600, 900, 1,000, 3, 000 mL/min까지 변화시켰다. 그 결과 물 온도 60℃에서 유량을 증가시켰더니 가습량이 꾸준히 증가하였다.
스택 내의 MEA (Gore, USA)는 25 cn?의 10장을 적층하여 제작하였고, 운전온도는 일반적으로 안정적인 성능을 보이는 60~ 65℃에서 고정하였다. 발열하는 스택의 온도를 제어하기 위해 일정량의 냉각수를 스택 내부로 순환시키는 방법으로 온도를 유지시켰다. 스택의 성능평가는 일정한 전류(current) 값을 주었을 때 발생되는 전압(voltage)을 측정하였다.
본 연구에서는 정밀여과막 수준의 기공크기를 가지는 소수성 폴리에틸렌(polyethylene) 재질의 중공사막을 이용하여 물은 통과시키지 않으면서 보다 넓은 표면 기공에서 발생되는 증발열에 의한 수분의 증발로 막 증류법(membrane distillation)을 이용한 연료가스의 가습 효율을 높인 막 가습기를 제조 하였다. 이를 PEMFC 시스템에 적용하여 기존 사용되던 기포가습기와 가습특성을 비교하고 특성을 알아보았다.
발열하는 스택의 온도를 제어하기 위해 일정량의 냉각수를 스택 내부로 순환시키는 방법으로 온도를 유지시켰다. 스택의 성능평가는 일정한 전류(current) 값을 주었을 때 발생되는 전압(voltage)을 측정하였다. 또한 스택을 구성하는 각각의 단위 셀(unit cell)의 전압을 측정하여 편차범위를 10% 이내로 들게 하였으며 0.
5에 시스템의 구성도와 스택 사진을 나타내었다. 연료가스는 수소와 공기를 사용하였으며 양론비 2.5 : 1의 값으로 자동 조절하여 유량을 제어한 뒤막 가습기 모듈로 반응가스를 보내고, 가습된 가스는 제작한 스택 내부로 유입되게 세팅하였다. Table 1에 가습온도와 운전조건에 따른 연료전지 성능변화를 나타내었으며 electronic loader (ESL-300Z, ELPTEK.
Ltd, Korea)를 이용하여 측정하였다. 스택 내의 MEA (Gore, USA)는 25 cn?의 10장을 적층하여 제작하였고, 운전온도는 일반적으로 안정적인 성능을 보이는 60~ 65℃에서 고정하였다. 발열하는 스택의 온도를 제어하기 위해 일정량의 냉각수를 스택 내부로 순환시키는 방법으로 온도를 유지시켰다.
높인 막 가습기를 제조 하였다. 이를 PEMFC 시스템에 적용하여 기존 사용되던 기포가습기와 가습특성을 비교하고 특성을 알아보았다.
또한 기포가습기는 반응기체의 가습기 내 체류시간에 따라서 가습성능이 달라진다. 이에 따라 안정적인 가습이 이뤄질 수 있도록 250 mL 이상의 물을 가습기 내에 공급하였으며 물의 양이 일정하게 유지될 수 있도록 주기적으로 수위를 확인하였다. Fig.
대상 데이터
물을 가열하기 위해 옆면에 가열판이 부착되어 있고, 가습기의 하단에 기포분산기 (distributor)가 있어, 공급되는 반응기체를 작은 기포형태로 분산시킨다. 재질은 stainless steel이고 직경은 8 cm, 높이는 10 cm 으로 제작하였다.
성능/효과
6(a), (b)에 물의 온도변화와 반응기의 유속에 따른 기포가습기의 가습성능을 반응기체 (air)의 dew point로 측정하였다. 공기의 유량은 300 mL/min로 일정하게 흘려주었고 (a) 가습기의 온도를 30, 40, 50, 60℃로 증가시킨 결과 dew point는 30.76, 36.36, 45.25, 51.19℃로 증가하였다. 이것은 물의 온도가 증가할수록 가습기 내부 에너지가 증가하게 되므로 물의 증발이 쉽게 일어난다고 판단된다.
1) 제작한 막 가습기는 본 연구의 실험범위 내에서 가습기 의 온도 및 반응기 체 유속 변화에도 dew point는 설정 온도까지 상승함으로써 전해질에서의 상대습도가 80% 이상으로 유지되었다.
2) 막 가습기에 사용한 폴리에틸렌 중공사 정밀여과막은 기포가습기보다 동일 온도 범위에서 우수한 가습성능을 보였으며 부피 감소효과가 크다. 따라서 기존에 연구되었던 Nafion과 모세관 현상을 이용한 한외여과막과 더불어 연료전지용 막 가습기의 소재로서 활용될 수 있음을 확인하였다.
4) 막 가습기 의 모듈화를 통하여 100 W급 스택에 약 5시간 적용하였을 때, 전압과 출력값이 변화되지 않고 안정적으로 작동하였으며 제작한 막 가습기는 기존 기포 가습기보다 부피는 훨씬 작으면서 성능은 우수한 것을 알 수 있었다.
5와 10 cm의 경우를 비교하면, 막의 길이가 짧아 도입부와 출구의 막 차압(pressure drop, AP)의 영향이 크지 않고, 비표면적이 2배가 증가되었기 때문에 막 가습기의 가습량은 크게 향상되었다. 그러나 20 cm의 경우 막 길이가 길어짐에 따라 도입부와 출구에 미치는 막차압이 커져 출구 부분으로 갈수록 물의 압력이 줄어들게 되어 출구에서 가습이 이뤄지지 않았기 때문에 가습량의 증가 폭이 작아지는 결과를 가져왔다고 판단된다.
4~2.<y>C 상승하는데 그쳐, 일정면적에서 유속이 증가하였을 때 한계점 이상에서는 유량이 증가하여도 dew point는 크게 증가하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 이는 중공사막 내부로 흐르는 기체의 압력이 물이 막 내부로 향하는 증기압과 같아지는 시점에 도달하는 것으로 물질전달의 평형이 이뤄지는 시점인 것으로 판단된다.
일정 시간을 두고 가습하여 나온 기체를 응축시킨 양을 측정하여 실험치와 식에 대입하여 계산한 값과 비교한 결과를 Table 2에 나타내었다. 그 결과 40℃에서는 계산한 값과 실험값이 0.269, 0.148 kg/m%으로 약간의 차이를 보이고 있으나 60℃에서는 0.411, 0.366 kg/m%로 비슷한 값을 보였다.
10에 나타내었다. 그 결과 물 온도 60℃, 공경 0.1, 0.4, 1.0 ㎛에서 응축량은 각각 0.32, 0.41, 0.46 kg/m%으로 공경이 커질수록 가습이 잘 되는 것을 확인하였다. 중공사막의 표면에서는 증기-액체 계면의 압력 차를 유발하며 증발된 기체가 막을 통과하게 된다.
물의 온도는 30~60℃ 까지 10℃씩 변화를 주었고 각각의 온도에서 유속을 300, 600, 900, 1,000, 3, 000 mL/min까지 변화시켰다. 그 결과 물 온도 60℃에서 유량을 증가시켰더니 가습량이 꾸준히 증가하였다. 이는 물의 온도가 증가할수록막 표면에서의 가습량은 증가되며 반응기체 속도의 증가는 유체상태에 따른 막에서의 물질전달계수가 증가한다[16, 17].
가습성능을 dew point로 나타내었다. 그 결과 물 온도 60℃일 때 각각 50.95, 59.58, 60.03℃로 나타났으며 100 가닥일 때 가습성능이 가장 높았다. 10가닥에서 50 가닥으로 증가시켰을 때에는 막 가습기의 가닥수가 늘어날수록 그 표면적이 증가하므로 가습량은 증가한다.
기포가습기의 온도는 60P를 유지시키고 (b) 반응기체의 유량을 300, 600, 900 mL/min으로 변화시키면서 출구에서 나오는 공기의 dew point를 측정하였다. 그 결과 유속이 300 mL/min 일 때 51.19℃이며 900 mL/min일 때 54.22℃로 유속이 증가함에 따라 dew point가 증가하는 것을 관찰할수 있었다. 이는 가습기 내에 장착된 분산기에 의해 유속이 빠를수록 기포가 작게 쪼개지고 공기와 물의 접촉면적이 커져 물질전달이 좀 더 활발히 일어난다고 판단된다.
8은 반응기체를 공기로 사용했을 때의 각각의 가습기 온도에 따른 dew point변화를 나타내었다. 그 결과 전 온도 범위에서 약 20%정도의 가습성능이 높은 것을 확인하였고 특히 PEMFC 작동 온도인 60T에서 기포가습기의 dew point는 51.19℃, 막 가습기는 60.03℃를 나타내었으며 그 차이는 11.07℃이다. MD 공정에서 막 가습기의 구동력은 열에너지를 이용하며 물의 온도가 높아질수록 막 표면에서의 물이 기화되는 양이 많아지게 된다.
보였으며 부피 감소효과가 크다. 따라서 기존에 연구되었던 Nafion과 모세관 현상을 이용한 한외여과막과 더불어 연료전지용 막 가습기의 소재로서 활용될 수 있음을 확인하였다.
가동 후 6시간 동안 연료전지 파워는 90-95 W 를 일정하게 나타냄을 알 수 있다. 본 연구에서 사용한막 가습기는 직접적인 물의 누수는 없으면서 막 증류법을 이용한 연료 가습이 가능하며 고온에서 뿐만 아니라 저온에서도 안정적인 가습으로 매우 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.
특히, 상온 20℃에서는 막 가습기와 기포가습기와의 성능차이가 나타나지만 60℃ 부근에서는 격차가 많이 줄어드는 경향을 나타내었다. 이러한 결과를 바탕으로 막 가습기가 기존 기포가습기보다 부피는 훨씬 줄이면서도 연료 가습의 효율성을 높일 수 있다고 판단되어 진다. Fig.
이는 물의 온도가 증가할수록막 표면에서의 가습량은 증가되며 반응기체 속도의 증가는 유체상태에 따른 막에서의 물질전달계수가 증가한다[16, 17]. 이를 통해서 물의 온도가 높을수록, 반응기체의 유량이 커질수록 막의 확산계수가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
가능하였다. 중공사막의 공경 (pore size), 막의 뒤틀림 (membrane tortuosity), 막의 두께 (membrane thickness), 공극률(factional void volume of the membrane) 을 고려하여 가습량을 예측하였으며, 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
후속연구
이로 인해 온도차이가 높아질수록 플럭스는 증가하는 경향을 보인다. 또한 막가습기는 전체 온도범위에서 세팅온도보다 높은 dew point를 유지하였으므로 전해질의 수화에 충분히 사용될 수 있다고 판단된다.
참고문헌 (18)
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