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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.
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