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문제 정의
- 본 연구에서는 초소형 습도센서를 연료전지의 채널에 직접 삽입하여 반응가스의 흐름에 따라 애노드와 캐소드에서 습도의 변화를 직접적으로, 실시간으로 측정할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 보편적으로 사용되고 있는 연료전지 스테이션의 가습조절 방법의 신뢰성을 검증하였고 가스의 이동경로를 따라서 멤브레인을 통한 물의 이동이 전류밀도와 가습기 온도, 그리고 가습방향의 변화에 의하여 어떻게 변화하는지 관찰하였다.
제안 방법
- PEMFC 내부의 습도 변화를 초소형 온습도 센서를 통하여 관찰하였다. 공기극 분리판 중심부에서 측정하는 일반적인 PEMFC 대표온도에 비하여 채널 내부의 온도는 약 2 ℃ 높으며 가습기 온도를 기준으로 계산된 습도는 실제 측정한 습도와 거의 일치하였다.
- 5 는 실제로 운전하고 있는 PEMFC에서의 수소극과 공기극의 습도 분포를 나타낸다. PEMFC 의 성능은 정전류방식으로 측정하였으며 전압이 0.4 V 근방이 될 때까지 전류를 3 A 씩 증가시켰다. 가습기의 온도에 따라 다소 차이는 있지만 최대 전류밀도는 1.
- 4 는 공기극만을 가습한 채 수소극은 건조한 수소를 공급하면서 전류밀도에 따른 습도 분포를 측정한 결과이다. 공기극에 공급되는 공기의 가습량은 가습기의 온도를 40, 50, 60, 70 ℃로 변경하여 조절하였다. 각 조건에서의 상대습도는 각각 50.
- 공기극의 가습온도의 상승이 수소극 습도의 변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 공기극의 외부가습 온도가 증가하면서 전반적으로 수소극의 상대습도가 증가하였다.
- 본 실험에서는 채널흐름에 따라 수소극과 공기극에서 각각 측정한 5 곳의 습도를 바탕으로 각 성분의 증감을 예측할 수 있었다.
- 본 연구에서 사용된 온습도센서는 SENSIRION 사의 SHT75 모델이며 이 센서에서 발생하는 디지털 신호를 National Instrument 사의 DAQ 로 수집하고 LabVIEW™ 를 이용하여 프로그램을 제작하여 데이터의 모니터링과 저장이 가능하도록 하였다.
- 센서의 위치에 따른 상대습도의 변화를 관찰하였다. 모든 조건에서 센서번호의 증가와 더불어 상대습도가 상승한 것을 확인할 수 있다.
- 5 는 수소극만을 가습한 채 공기극에는 건조한 공기를 공급하면서 전류밀도에 따른 습도분포를 측정한 결과이다. 수소극의 가습기 온도도 마찬가지로 40, 50, 60, 70 ℃으로 변경하였다. 전반적으로 Fig.
- 이며 단일사형채널을 가진 단위 PEMFC 를 사용하였다. 애노드와 캐소드에는 각각 5 개의 습도센서가 채널 내에 삽입되어 있어 가스의 흐름에 따른 습도의 변화를 측정할 수 있도록 하였다. 채널의 폭과 깊이는 습도센서의 삽입이 용이하도록 3 mm X 3 mm 로 하였다.
- 본 연구에서는 초소형 습도센서를 연료전지의 채널에 직접 삽입하여 반응가스의 흐름에 따라 애노드와 캐소드에서 습도의 변화를 직접적으로, 실시간으로 측정할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 보편적으로 사용되고 있는 연료전지 스테이션의 가습조절 방법의 신뢰성을 검증하였고 가스의 이동경로를 따라서 멤브레인을 통한 물의 이동이 전류밀도와 가습기 온도, 그리고 가습방향의 변화에 의하여 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 본 연구의 결과를 통하여 채널의 흐름을 따라 수소극과 공기극 사이를 이동하는 물의 분포를 국부적으로 확인할 수 있게 되었다.
- 44 A/cm2 을 기준으로 바뀌는 반응가스 공급방식의 영향을 받는다. 전류밀도가 작은 경우 MFC 가 유량을 제어하는 과정에서 과도하게 밸브가 잠기게 되어 연료 및 산소부족현상이 발생할 수 있기에 본 실험에서는 j=0.44 A/cm2 에서의 유량을 기준으로 그 이하의 전류밀도 범위에서 모두 적용하였다. 전류밀도가 증가하여도 유량이 증가하지 않기 때문에 채널의 후반부로 갈수록 공기극의 물 농도가 증가하게 되고 이로 인한 수소극으로의 역 확산 역시 증가하였다.
대상 데이터
- GDL 은 미세다공층(microporous)이 있는 Sigracet® 의 GDL 35 를 사용하였다.
- MEA(membrane electrode assembly)는 (주) CNL Energy 에서 제작하였으며 Nafion 211 를 막으로 사용하고 수소극과 공기극 모두 0.4 mg/cm2의 로딩으로 제작되었다. GDL 은 미세다공층(microporous)이 있는 Sigracet® 의 GDL 35 를 사용하였다.
- 본 연구에서는 유효면적이 50 cm2이며 단일사형채널을 가진 단위 PEMFC 를 사용하였다. 애노드와 캐소드에는 각각 5 개의 습도센서가 채널 내에 삽입되어 있어 가스의 흐름에 따른 습도의 변화를 측정할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 채널의 후반부에 비하여 역 확산은 상대적으로 적으나 전기삼투현상에 의한 공기극으로의 이동은 적절한 멤브레인의 수화에 의하여 오히려 활발하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 본 현상은 센서번호가 증가할수록 감소하였다.
- 센서의 위치에 따른 상대습도의 변화를 관찰하였다. 모든 조건에서 센서번호의 증가와 더불어 상대습도가 상승한 것을 확인할 수 있다. 수소극에는 가습기를 거치지 않은 건조한 수소가 공급되었고 전기삼투현상이 수소극에서 공기극 방향으로 일어난다는 것을 감안하면 채널을 따라서 공기극측의 물의 농도가 확연히 증가하여 상당수의 물이 확산에 의하여 수소극으로 이동한다는 것을 알 수 있다.
- 이를 통하여 보편적으로 사용되고 있는 연료전지 스테이션의 가습조절 방법의 신뢰성을 검증하였고 가스의 이동경로를 따라서 멤브레인을 통한 물의 이동이 전류밀도와 가습기 온도, 그리고 가습방향의 변화에 의하여 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 본 연구의 결과를 통하여 채널의 흐름을 따라 수소극과 공기극 사이를 이동하는 물의 분포를 국부적으로 확인할 수 있게 되었다.
- 27 ℃로 측정되었다. 상대습도는 가습기의 온도 증가와 함께 증가하며 10 개의 센서가 측정한 습도의 표준편차는 가습기 온도별로 1.17~2.09 %로 측정되었다.
- 가습기를 지나 셀까지 도달하는 가스라인에는 히터를 장착하여 중간에 온도하강으로 인한 응축을 방지하였으며 가스라인의 온도를 연료전지와 동일한 온도인 70 ℃로 유지하였다. 수소극과 공기극의 각 5 개, 총 10 개의 센서에서 측정된 온도와 습도의 평균값과 표준편차를 Fig. 3 에 표현하였으며 내장된 센서에 의하여 측정된 온도는 열전대의 온도인 70 ℃보다 다소 높은 72 ℃정도에서 유지되고 있음을 알 수 있으며 가습기 온도가 낮은 조건에서 보다 높게 나타나고 있다. 온도 측정에 있어서 표준편차는 0.
- 모든 조건에서 센서번호의 증가와 더불어 상대습도가 상승한 것을 확인할 수 있다. 수소극에는 가습기를 거치지 않은 건조한 수소가 공급되었고 전기삼투현상이 수소극에서 공기극 방향으로 일어난다는 것을 감안하면 채널을 따라서 공기극측의 물의 농도가 확연히 증가하여 상당수의 물이 확산에 의하여 수소극으로 이동한다는 것을 알 수 있다. 첫 번째 센서, S-1 은 입구로부터의 거리가 짧지만(3.
- 다만 가습기의 온도가 연료전지의 온도에 근접하는 조건에서는 다소 차이를 보였다. 운전중인 PEMFC 의 공기극을 가습하며 수소극에서 측정한 습도분포는 가습기의 온도와 함께 증가하며 채널의 후반부로 갈수록 증가하였다. 다만 전류밀도의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
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