[논문]고분자전해질 연료전지 막전극접합체의 특성 (성능, 효율, 수명) 평가 및 분석법에 관한 연구

김남인; 최한신; 주혜숙; 박준영

doi:10.4150/kpmi.2011.18.6.473

고분자전해질 연료전지 막전극접합체의 특성 (성능, 효율, 수명) 평가 및 분석법에 관한 연구
Property Characterization and Analysis in Performance, Efficiency and Durability of the Membrane Electrode Assembly for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.18 no.6, 2011년, pp.473 - 481

김남인 (세종대학교 나노신소재공학과) , 최한신 (한국생산기술연구원 희소금속연구그룹) , 주혜숙 (한국생산기술연구원 희소금속연구그룹) , 박준영 (세종대학교 나노신소재공학과)

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문제 정의

본 논문에서는 고분자전해질 연료전지 기본 성능 평가 방법, 특성 평가 방법, 기타 평가 방법에 대해서 살펴보았다. 기본 성능 평가 방법은 운전 조건인 작동온도, 유량별, 가습별, 가압별로 조건을 달리하여 성능을 측정하고, 성능, 효율, 수명의 측면에서 최적의 운전 조건을 얻는데 목표가 있다. 특성 평가 방법으로는 전기화학적 방법, 물리화학적 방법, 가속수명평가 방법 등이 있고, 기타 신뢰성 평가 방법으로는 저온 보관, 운전, 시동, Voltage cycling, On-off test 등이 있다.
본 논문에서는 고분자전해질 연료전지 기본 성능 평가 방법, 특성 평가 방법, 기타 평가 방법에 대해서 살펴보았다. 기본 성능 평가 방법은 운전 조건인 작동온도, 유량별, 가습별, 가압별로 조건을 달리하여 성능을 측정하고, 성능, 효율, 수명의 측면에서 최적의 운전 조건을 얻는데 목표가 있다.
마지막으로 고분자전해질 연료전지는 작동(시동/운전/정지) 시 수명감소가 발생하여 효율이 떨어지게 되는데, 성능 열화를 최소화하기 위한 운전 기술이 중요하다. 본 논문에서는 고분자전해질 연료전지의 수명 향상을 위한 운전 방안 등도 논의되었다. 본 연구는 고분자전해질 연료전지의 이론적 이해를 통해 기술적인 문제를 해결하고 연료전지 조기 상업화에 기여하리라 믿는다.
본 리뷰 논문의 목표는 고분자전해질 연료전지의 성능향상을 위해 성능, 효율, 수명 등의 특성평가 방법 등을 제시하고, 최근 기술적 이슈가 되고 있는 운전 기술의 중요성도 설명하였다.
본 논문에서는 고분자전해질 연료전지의 수명 향상을 위한 운전 방안 등도 논의되었다. 본 연구는 고분자전해질 연료전지의 이론적 이해를 통해 기술적인 문제를 해결하고 연료전지 조기 상업화에 기여하리라 믿는다.

제안 방법

특성 평가 방법 중 전기화학적 방법은 Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS), Cyclic Voltammetry(CV), Hydrogen Crossover Current 등이 있다. 각각의 분석 방법으로 멤브레인 자체 저항과 cell 내부의 저항 및 커패시턴스 측정과 백금 촉매의 전기화학적 표면적(Electrochemical Surface Area)을 계산, 멤브레인의 화학적 변화를 예측했다. 물리화학적 방법으로는 XRD, EDX, XPS, 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 등이 있다.
물리화학적 방법으로는 XRD, EDX, XPS, 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 등이 있다. 그 중 X선을 이용한 방법인 XRD, EDX, XPS를 통해서는 결정구조와 격자상수, 생성물질과 반응물의 비율 등을 알 수 있고, 전자를 이용한 방법인 SEM과 TEM으로는 MEA의 표면과 단면을 직접 관찰하여 백금 촉매와 탄소 지지체의 뭉침과 MEA의 물리적인 변화를 관찰할 수 있다.
기본적으로 연료전지의 회로를 그려보면 단순한 직류 회로가 아닌 교류 회로이기에, 저항 성분, 커패시턴스 성분, 인덕턴스 성분이 복합적으로 작용한다. 그러므로 EIS를 사용하여 시간이나 주파수에 따라 분석하여 Nyquist plot을 그리고, 그 모습은 반원 두 개를 연속적으로 그린 것이다. 처음 x축과 만나는 지점의 값이 멤브레인의 저항이고, 첫 번째 반원을 분석하여 charge-transfer 저항과 허위의 double-layer capacitance를 얻을 수 있다.
먼저 고분자전해질 연료전지의 다양한 운전조건에서 평가의 필요성과 전기화학적·물리화학적 분석법 등을 설명하였다.
가속수명평가 프로토콜을 개발하기 위해 고분자전해질 연료전지의 다양한 열화 가속 인자 등을 발굴해내고 그 작동조건에서의 열화 메커니즘을 정확하게 분석하여, 단기간 운전으로도 장기간 운전했을 때의 고분자전해질 연료전지의 수명을 유사하게 예측할 수 있다. 수명 평가시 열화에 영향을 미치는 가속 인자로 온도, 유량비, 가압, 가습, 운전 전압 등을 조정하여 가속 수명 평가 테스트를 하고, 가속계수를 도출함으로써 연료전지의 정상상태 운전에서의 수명 예측이 가능하다[27].
기타 신뢰성 평가 방법으로 저온 보관/운전/시동과 Voltage cycling, On-off test등이 있다. 저온 보관/운전/시동은 저온에서의 고분자전해질 연료전지의 성능과 수명을 평가하여, 실제 저온상황에서의 성능감소를 예측할 수 있었고, 그에 따른 보완책을 제시할 수 있었다. Voltage cycling과 On-off test는 계속해서 cell에 전기화학적 부하를 가하며, cell의 기본 성능과 가속 수명평가를 할 수 있다.

이론/모형

고분자전해질 연료전지의 열화원인을 알아내는 데에는 부품들 간의 실패 모드 영향 분석(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)과 결함 나무 분석(Fault Tree Analysis, FTA)이 사용된다. FMEA는 부품이 고장 나는 원인을 나열하고, 각각의 원인이 전체에 얼마나 영향을 미칠 수 있는지 분석하는데 일반적으로 쓰이며, FTA는 Top-down의 방식으로 기록되며, 특정 고장의 원인을 잠재적으로 결정하고, 고장이 일어날 확률을 계산하여 분석하는 방법으로 두 방법을 알맞게 분배하여 사용함으로 매우 정확한 열화 원인을 알 수 있다.

성능/효과

가속 수명 평가로는 여러 운전 조건을 달리하여 열화 가속 계수를 산출하고, 그에 따른 열화 메커니즘을 정확하게 분석하여 적용해서 수명예측 및 수명 향상을 얻을 수 있는 최적의 운전조건을 찾을 수 있었다. 기타 신뢰성 평가 방법으로 저온 보관/운전/시동과 Voltage cycling, On-off test등이 있다.

후속연구

Voltage cycling과 On-off test는 계속해서 cell에 전기화학적 부하를 가하며, cell의 기본 성능과 가속 수명평가를 할 수 있다. 고분자전해질 연료전지는 시동, 정지, 운전시 각각 수명 및 성능 감소가 일어나는 원인이 있는데, 그 원인들을 정확하게 분석하여 수명 및 성능 감소를 최소화 하기 위한 프로토콜의 개발과 함께 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질 연료전지의 핵심 소재는 무엇인가?	고분자전해질 연료전지의 막전극접합체는 크게 세부분으로 구성되어 있다. 가장 핵심인 소재는 멤브레인, 촉매층, 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)이고 이를 합하여 막전극접합체(Membrane electrode assembly, MEA)라고 한다. 멤브레인은 애노드에서 공급된 수소가 이온화되고, 멤브레인을 통과하여 캐소드로 가서 산소와 만나게 되는 발생장소이다.
	화석연료는 언제부터 사용되었는가?	인류는 오래 전부터 에너지를 이용해왔으며, 특히 산업혁명을 거치면서 본격적으로 석유와 석탄같은 화석연료를 에너지원으로 사용하게 되었다. 그러나 많은 에너지 전문가들은 곧 화석연료의 매장량이 바닥을 드러낼 것이며, 과도기적으로 현재는 원자력을 많이 사용하고 있지만, 이웃나라 일본의 예에서 보듯이 폐 핵연료 처리 및 방사능 유출의 가능성 때문에 화석연료 기반의 에너지 시대가 수소 기반의 신재생 에너지 시대로 바뀔 것으로 예측하고 있다[1].
	에너지 전문가들이 화석연료 기반의 에너지 시대가 수소 기반의 신재생 에너지 시대로 바뀔 것으로 전망하는 이유는 무엇인가?	인류는 오래 전부터 에너지를 이용해왔으며, 특히 산업혁명을 거치면서 본격적으로 석유와 석탄같은 화석연료를 에너지원으로 사용하게 되었다. 그러나 많은 에너지 전문가들은 곧 화석연료의 매장량이 바닥을 드러낼 것이며, 과도기적으로 현재는 원자력을 많이 사용하고 있지만, 이웃나라 일본의 예에서 보듯이 폐 핵연료 처리 및 방사능 유출의 가능성 때문에 화석연료 기반의 에너지 시대가 수소 기반의 신재생 에너지 시대로 바뀔 것으로 예측하고 있다[1]. 그 중에서 수소 연료전지는 기존 화석연료의 치명적 문제인 환경오염 유발과 지구온난화를 발생시키지 않는 청정 에너지 발전 고효율 시스템이다[2].

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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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