[논문]연료전지차 스택 내 국부적 수소 부족에 기인한 셀 역전압 거동 모사에 대한 연구

박지연; 임세준; 한국일; 홍보기

doi:10.7316/khnes.2013.24.4.311

연료전지차 스택 내 국부적 수소 부족에 기인한 셀 역전압 거동 모사에 대한 연구
A Study to Simulate Cell Voltage-Reversal Behavior Caused by Local Hydrogen Starvation in a Stack of Fuel Cell Vehicle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.4, 2013년, pp.311 - 319

박지연 (현대자동차 연구개발본부 연료전지개발1팀) , 임세준 (현대자동차 연구개발본부 연료전지개발1팀) , 한국일 (현대자동차 연구개발본부 연료전지개발1팀) , 홍보기 (현대자동차 연구개발본부 연료전지개발1팀)

Abstract ▼ AI-Helper

A clear understanding on cell voltage-reversal behavior due to local hydrogen starvation in a stack is of paramount importance to operate the fuel cell vehicle (FCV) stably since it affects significantly the cell performance and durability. In the present study, a novel experimental method to simulate the local cell voltage-reversal behavior caused by local hydrogen starvation, which typically occurs only one or several cells out of several hundred cells in a stack of FCV, has been proposed. Contrary to the conventional method of overall fuel starvation, the present method of local hydrogen starvation caused the local cell voltage-reversal behavior in a stack very well. Degradation of both membrane electrode assembly (i.e., pin-hole formation) and gas diffusion layer due to an excessive exothermic heat under voltage-reversal condition was also observed clearly.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 기존에 사용되던 수소 공급 중단 또는 전반적인 수소 S. R. 감소에 따른 전체적인 수소 공급 부족에 의한 역전압 발생과는 다르게, 수소 S. R. 은 정상적으로 유지하면서도 분리판의 수소 공급 입구가 과량의 액상 물, 얼음 또는 기타 이물질에 의해 국부적으로 막히는 경우를 모사한 것이다. 이 경우 국부적으로 수소 공급 문제가 발생한 연료전지 셀이 다른 정상 셀들(Normal Cells)과 마찬가지로 수 분이상 정상적으로 운전되다가 수 분 후 역전압이 발생하게 되어, 실제 연료전지차량에서 발생하는 정상적인 운전상태에서 1개 또는 몇 개 셀에서 급격히 발생하는 국부적 역전압 현상을 모사할 수 있게 된다.
본 연구에서는 실제 연료전지차량 내 수백 개 셀로 구성된 스택에서 발생하는 일부 셀의 국부적 수소 부족에 의한 역전압 발생 현상을 모사하는 새로운 실험적 기법을 제안하고, 이 기법에 의해 발생한 역전압에 의한 셀의 열화 현상을 분석하였다.
본 연구에서는 실제 연료전지차량의 스택에서 발생하는 국부적 수소 부족에 의한 셀 역전압 현상을 재현성 있게 모사할 수 있는 방법을 제시하고, 이러한 제어된 조건에서 역전압에 노출된 연료전지 셀의 성능 및 MEA 미세구조 변화를 연구하였다.

제안 방법

3번 셀을 구성하는 분리판 매니폴드(Manifold) 중수소 공급 입구의 약 83%를 폴리이미드(Polyimide) 필름으로 차단하여 5셀 스택의 전체 애노드에는 S. R. = 1.5로 수소가 정상적으로 공급되지만 이 3번 셀에서만 국부적 수소 부족이 유발되도록 고안하였다. 캐소드에는 공기를 S.
R.=2.0으로 공급하고 480mA/cm²의 정전류밀도를 인가하여 각 셀들의 전압 변화를 관찰하였다.
SEM을 사용하여 애노드 촉매층 표면을 분석한 결과 3번 셀에서 국부적 수소 부족에 의한 역전압 발생으로 인해 MEA내 핀 홀이 발생한 것을 관찰하였다. 또한 EDX로 원소를 분석한 결과 핀 홀 주위에 부착된 이물질은 역전압시 발생한 과다한 열로 인해 애노드 촉매층에 부착하게 된 기체확산층의 미세기공 층임을 확인하였다.
또한 에너지 분산형 X선 분광기(EDX: Energy Dispersive X-Ray Spectrometer, System-6, Thermo Noran Inc., USA)를 사용하여 MEA 촉매층 표면의 원소 분석을 실시하였다.
또한 이러한 방법은 기존에 발표된 바와 같이 애노드에 수소대신 질소를 공급한 후 주로 40 ~ 200mA/cm² 과 같은 저전류밀도 영역에서만 운전이 가능한 단점이 있다^12~13). 본 연구에서 전체적인 수소 공급 차단시험은 단셀(Single Cell)을 사용하여 애노드에 수소 대신 질소를 공급하고 캐소드에 공기를 S. R.=2.
역전압 발생에 의한 MEA의 손상 정도를 형태학적으로 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope, Inspect^TM, FEI Co., USA)을 사용하여 역전압 모사 평가 전후의 MEA 애노드 촉매층 표면 변화를 관찰하였다.
연료전지 셀의 전기화학적 성능은 5셀을 기준으로 전압-전류밀도 분극(Potential-Current Density Polarization) 곡선을 측정하여 실시하였다. 셀 성능 측정은 한국 원아테크사의 1kW 급 상용화 장비를 사용하여 실시하였으며, 측정 시 사용한 조건은 본 연구에서 별도의 언급이 없는 한 다음과 같다: 셀 입구 온도=65℃, 반응 기체 압력=상압(Near Ambient Pressure), 애노드 수소/캐소드 공기 R.
전체적 수소 부족 및 국부적 수소 부족에 의한 역전압 발생 거동 모사 시험 모두 셀 입구 온도 =65℃, 애노드/캐소드 상대 습도(R. H.: Relative Humidity) =50%/50% 조건을 사용하였다.

성능/효과

특히 기존의 전체적인 수소 공급 부족 조건에서는 200mA/cm²의 저전류밀도만 가해도 셀 전압 감소 및 역전압 도달 속도가 너무 빨라서 실제 연료전지차량의 저속도 상태만 모사할 수 있는 단점이 있다. 그러나 본 연구에서 실시한 국부적 수소 공급 부족 방법은 480mA/cm²의 중전류밀도에서도 5분 이상 정상 운전된 후 역전압에 도달하기 때문에 연료 전지차량의 중속도 이상에서의 현상을 보다 잘 모사할 수 있는 장점이 있다.
기존에 사용되던 애노드에 질소를 공급하여 유발된 전체적인 수소 부족 조건과는 다르게, 본 연구에서 사용한 5셀 스택에서 의도적으로 국부적 수소 부족에 의한 역전압을 유도한 3번 셀의 경우 실제 연료 전지차량에서와 같이 수 분 동안 정상적으로 운전되다가 급격한 셀 전압 하락 및 역전압 현상이 발생하는 것을 관찰하였다. 이러한 역전압 모사 시험 전후의 I-V 셀 성능을 비교한 결과 개회로 전압은 역전압 시험 전 1.
따라서 역전압 조건에서 발생한 과다한 열로 인해 MEA에 핀 홀이 발생하고 또한 기체확산층의 미세 기공층이 핀 홀 부위에 부착된 것을 알 수 있으며, 이러한 역전압 모사 조건이 실제 연료전지차량에서 발생하는 국부적 수소 부족에 의한 일부 셀들의 역전압 거동 뿐만 아니라 MEA 및 기체확산층의 파손 현상도 형태학적으로 잘 모사하는 것을 알 수 있다.
SEM을 사용하여 애노드 촉매층 표면을 분석한 결과 3번 셀에서 국부적 수소 부족에 의한 역전압 발생으로 인해 MEA내 핀 홀이 발생한 것을 관찰하였다. 또한 EDX로 원소를 분석한 결과 핀 홀 주위에 부착된 이물질은 역전압시 발생한 과다한 열로 인해 애노드 촉매층에 부착하게 된 기체확산층의 미세기공 층임을 확인하였다.
2mm 이상의 크기로서, 심한 역전압 조건에 노출된 것은 그 크기가 수 mm × 수 mm 이상이 되기도 한다. 본 연구에서 적용한 셀 역전압 유발 조건은 충분한 열을 발생시키기에 생성된 핀 홀이 MEA의 애노드 촉매층 뿐만 아니라 전해질 막 및 캐소드 촉매층까지 완전히 관통하였고 그 발생 핀 홀의 위치를 육안으로도 관찰할 수 있다. Fig.
기존에 사용되던 애노드에 질소를 공급하여 유발된 전체적인 수소 부족 조건과는 다르게, 본 연구에서 사용한 5셀 스택에서 의도적으로 국부적 수소 부족에 의한 역전압을 유도한 3번 셀의 경우 실제 연료 전지차량에서와 같이 수 분 동안 정상적으로 운전되다가 급격한 셀 전압 하락 및 역전압 현상이 발생하는 것을 관찰하였다. 이러한 역전압 모사 시험 전후의 I-V 셀 성능을 비교한 결과 개회로 전압은 역전압 시험 전 1.007V에서 역전압 시험 후 0.952V로 5.5% 감소하였고, 1500 mA/cm²에서의 셀 전압은 역전압 모사 시험 전 0.555V에서 시험 후 0.533V로 약 4.0% 감소하였다.
역전압 발생으로 인해 모든 전류밀도 영역에서 I-V 셀 성능이 저하되었다. 특히 개회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)은 역전압 시험 전 1.007V에서 역전압 시험후 0.952V로 5.5% 감소하였고 1500mA/cm²의 고전 류밀도에서 셀 전압이 역전압 시험 전 0.555V에서 시험 후 0.533V로 4.0% 감소한 것을 관찰하였다. 이러한 I-V 셀 성능 감소는 역전압 조건에서 발생한 과다한 열로 인해 MEA 및 기체확산층이 많이 손상된 것에 기인한다고 판단된다.

후속연구

본 연구에서 제안한 역전압 모사 기법을 사용하면 실제 연료전지차량에서 발생하는 국부적 수소 부족에 의한 역전압 발생 현상을 잘 모사할 수 있기 때문에, 역전압 내구성이 우수한 연료전지 MEA 신소재 검증 평가에 활용시 연구개발을 가속화할 수 있는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 셀 성능 및 내구성에 악영향을 미치는 요인은?	이러한 연료전지 내 물 범람, 동절기의 얼음 생성 또는 반응 기체(Reactant Gas) 공급 장치 이상 등의 다양한 원인들에 의해 PEMFC에 사용되는 반응 기체들인 애노드의 수소 및 캐소드의 산소 또는 공기의 공급 부족 문제가 모두 발생할 수 있는데, 이 중 특히 애노드의 수소 연료 부족(Hydrogen Fuel Starvation)이 연료전지 셀 성능 및 내구성에 매우 치명적인 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다2~6).
	고분자 전해질막 연료전지가 자동차에서 정상적으로 작동하기 위한 조건은?	일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질 막연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW 이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능 해야 한다1). 연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온(Proton)과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 (Cathode) 쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
	PEMFC의 전기 생성 과정을 개괄적으로 서술하시오	일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질 막연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW 이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능 해야 한다1). 연료전지의 전기 생성을 위한 반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노드(Anode)에 공급된 수소가 수소 이온(Proton)과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 (Cathode) 쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다. 연료전지 내 전기화학 반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생 시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 “물 범람 또는 홍수(Flooding)” 문제가 발생하게 되고 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내부로 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.

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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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