[논문]고분자 전해질 연료전지 스택에서 전해질막의 열화 가속시험

정재진; 이세훈; 이혜리; 김세훈; 안병기; 고재준; 박권필

doi:10.9713/kcer.2016.54.1.6

고분자 전해질 연료전지 스택에서 전해질막의 열화 가속시험
Accelerated Degradation Test of Electrolyte Membrane in PEMFC Stack 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.1, 2016년, pp.6 - 10

정재진 (순천대학교 화학공학과) , 이세훈 (순천대학교 화학공학과) , 이혜리 (순천대학교 화학공학과) , 김세훈 (현대자동차 환경기술연구소) , 안병기 (현대자동차 환경기술연구소) , 고재준 (현대자동차 환경기술연구소) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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최근까지 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 열화연구는 대부분 단위전지에서 연구되었다. 그런데 실제 PEMFC의 구동과 열화는 PEMFC 스택에서 이루어진다. 그래서 본 연구에서는 스택에서 열화가속 시험을 진행하여 단위전지의 결과와 비교하였다. 여러 종류의 열화 가속 시험 중에서 전기화학적 열화와 기계적 열화를 반복해 고분자전해질 막을 열화시키는 방법을 사용했다. 312시간 동안 전해질막을 열화시킨 후 0.6V에서 전류밀도는 스택과 단위전지에서 각각 28.4%, 27.8% 감소했다. 수소 투과 전류밀도는 스택은 16.8% 단위전지는 15.2% 증가했다. 스택과 단위전지에서의 열화 가속 시험 결과가 비슷해 단위전지의 가속 시험 방법을 스택에 적용해도 됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Until a recent day, degradation of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) has been mainly studied in unit cell. But operation and degradation of real PEMFC going along in stack instead of unit cell. Therefore in this work, ADT (Accelerated Degradation Test) of PEMFC was done in stack and the result from stack's test was compared with that of unit cell. The polymer electrolyte membrane was degraded by repeated electrochemical and mechanical degradation method among several ADT methods. Current densities of MEA at 0.6V decreased in stack and unit cell, 28.4% and 27.8% respectively after ADT for 312 hours. Hydrogen crossover current densities of membrane increased in stack and unit cell, 16.8% and 15.2% respectively after ADT for 312 hours. The result of ADT in stack was similar that of ADT in unit cell, which showed that ADT method of unit cell was available to the stack.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제 PEMFC 구동과정에서 열화는 한 종류에 의해서만 진행되는 것이 아니라 복합적으로 진행된다. 그래서 본 연구에서는 전해질막 열화가 전기화학적 열화와 기계적 열화가 반복해 일어나는 가속 시험 방법을 스택에 적용해 단위전지 결과와 비교하고자 하였다.

제안 방법

312시간 가속 시험한 5셀 MEA 성능들을 평균해 332시간 가속시험한 단위전지 MEA 성능과 비교하였다. 전해질 막의 주요 특성인 H.
ECSA는 Potentiostat를 이용한 Cyclo voltammetry (CV)로 측정하였다. CV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀온도 70 ℃, 상대습도 100%에서 scan rate30 mV/sec로 전압을 변화시키면서 전류를 측정하는데, 16cycle 후 측정한 값을 택했다.
전기화학적 열화 방법은 OCV, 90 ℃, anode : H₂ 300ml/min, RH 10%, cathode : O₂ 300 ml/min, RH 65% 조건으로 총 268시간 구동하였다. 기계적 열화는 가습/건조에 의한 전해질 막 팽창/수축을 반복하였는데 가습은 80℃, anode : N₂ 1,000 ml/min, RH100%, cathode : N₂ 1,000 ml/min, RH 100% 조건을 10분간 유지하였고 건조는 80 ℃, anode : N₂ 1,000 ml/min, RH 0%, cathode : N₂ 1,000 ml/min, RH 0% 조건을 20분간 유지하여 가습/건조 열화는총 44시간 반복하였다.
막 저항 및 부하전달 저항은 Impedance Analyser (Solatron, SI1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 ℃,상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency10,000 Hz~0.
막을 통한 수소 투과도 측정을 위한 LSV 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 ℃, 상대습도 100%에서scan rate 1 mV/sec로 0~0.5 V 범위에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다.
열화 후 전기화학적 방법에 의해 측정한 MEA의 특성은 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 임피던스에 의한 막저항 및 부하전달 저항(Charge transfer resistance, CTR) 측정 등이었다.
임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 ℃,상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency10,000 Hz~0.1 Hz 범위에서 측정하였다.
전해질 막 가속 열화 방법은 전기화학적 열화와 기계적 열화를 반복하였다. 전기화학적 열화 방법은 OCV, 90 ℃, anode : H₂ 300ml/min, RH 10%, cathode : O₂ 300 ml/min, RH 65% 조건으로 총 268시간 구동하였다. 기계적 열화는 가습/건조에 의한 전해질 막 팽창/수축을 반복하였는데 가습은 80℃, anode : N₂ 1,000 ml/min, RH100%, cathode : N₂ 1,000 ml/min, RH 100% 조건을 10분간 유지하였고 건조는 80 ℃, anode : N₂ 1,000 ml/min, RH 0%, cathode : N₂ 1,000 ml/min, RH 0% 조건을 20분간 유지하여 가습/건조 열화는총 44시간 반복하였다.
전기화학적 열화와 기계적 열화 과정을 단위전지와 스택에 적용했을 때 차이가 얼마나 있는지 확인하였다. 가속 열화 가속시험을 주로 단위전지에서 수행하였는데 실제로 연료전지는 스택에서 작동되므로 단위전지에서 연구한 결과가 스택에 적용될 수 있는지 확인하는 것은 중요하다.

대상 데이터

전극면적이 25 cm²인 HMC MEA를 사용하였고, 5개의 MEA를 적층한 스택의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등 cell 운전조건을 station(CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. 수냉식 방법에 의해 스택의 온도를 제어하였다.

이론/모형

인 HMC MEA를 사용하였고, 5개의 MEA를 적층한 스택의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등 cell 운전조건을 station(CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. 수냉식 방법에 의해 스택의 온도를 제어하였다.

성능/효과

스택의 I-V는 5셀의 평균값이다. 0.6V에서 전류값 감소가 단위전지와 스택 각각 28.4%,27.8% 로 비슷한 결과를 나타내 단위전지에 적용한 막 열화 가속화시험 기법이 스택에 적용해도 같은 결과가 도출됨을 확인하였다.
막열화과정에서 Pt 촉매 활성 면적이 감소해 LSV 측정 과정 중 투과된 수소가 산화되지 않고 통과한 것이 원인이다[4]. 2번 셀이 수소 투과도가 제일 크지만 I-V 성능 감소는 작아 수소투과전류밀도가 전체 성능에 미치는 영향이 작음을 알 수 있다.
전반적으로 전해질 막 열화 후 거의 비슷한 활성면적을 나타냈다. 각 셀의 ECSA를평균하여 초기값과 비교했을 때 24.6% 감소하였다. 막의 전기화학적 열화나 가습/건조의 기계적 열화는 막 열화 가속 시험 조건인데 전극열화가 발생한 것이다.
Table 3에 단위전지와 스택에서 가속 시험 후 I-V성능, 임피던스,수소투과도, 전극활성면적 변화를 종합해 정리했다. 단위전지 가속시험 시간이 20시간 스택보다 길어 전반적으로 단위전지가 스택보다 열화가 더 되었음을 확인할 수 있다.
8에 전해질 막 열화 전후의 단위전지와 스택의 수소투과 전류 밀도 변화를 나타냈다. 전해질 막 열화 후 수소투과도 증가가 단위전지와 스택 각각 16.8%, 15.2% 증가하였다. 전해질 막 열화에서 수소투과도는 매우 중요한 인자인데 비슷한 결과를 나타내 단위전지에 적용한 막 열화 가속화 시험 기법이 스택에 적용해도 같은 결과가 도출됨을 확인하였다.
7). 전해질 막 열화시험이었지만 전극열화도 단위전지와 스택 열화가 동일한 형태로 진행됨을 확인한 것이다.
2%비슷하게 증가하였다. 전해질 막 열화에서 H.F.R.과 수소투과도는매우 중요한 인자인데 스택과 단위전지에서 비슷한 결과를 나타내 단위전지에 적용한 막 열화 가속화 시험 기법을 스택에 적용해도 같은 결과가 도출됨을 확인하였다.
2% 증가하였다. 전해질 막 열화에서 수소투과도는 매우 중요한 인자인데 비슷한 결과를 나타내 단위전지에 적용한 막 열화 가속화 시험 기법이 스택에 적용해도 같은 결과가 도출됨을 확인하였다.
스택에서 각 셀의 MEA는 모두 같은 제품으로 내구성도 같지만 셀의 위치에 따라 온도, 습도, 전압 등 조건이 달라 312시간 열화후 셀 간에 성능 차이가 있었다. 전해질 막의 저항과 접촉 저항을 나타내는 H.F.R 값의 변화가 I-V 성능에 미치는 영향이 컸고, 전해질막의 핀홀과 크랙 발생에 의한 수소투과 전류밀도 증가는 I-V 성능에 미치는 영향이 작았다.
312시간 가속 시험한 5셀 MEA 성능들을 평균해 332시간 가속시험한 단위전지 MEA 성능과 비교하였다. 전해질 막의 주요 특성인 H.F.R.이 스택과 단위 전지 각각 43.1%, 41.9% 증가해 비슷하였고, 수소투과 전류밀도도 스택과 단위전지 각각 16.8%, 15.2%비슷하게 증가하였다. 전해질 막 열화에서 H.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEMFC 내구성이 연료전기차의 시장 확대를 위한 중요한 요소인 이유는?	그러나 기존의 내연기관, 하이브리드, 전기차와 비교해 연료전지차가 경쟁우위를 차지하기 위해서는 가격 저감, 내구성 향상, 신뢰성 향상 등에 관한 연구개발이 계속 진행되어야 한다. 이중에서 PEMFC 내구성은 수명 그 자체뿐만 아니라 가격, 신뢰성에 영향을 미치기 때문에 연료전지차의 시장 확대를 위해 특히 중요한 요소라고 할 수 있다.
	전해질 막의 열화는 무엇으로 나뉘는가?	PEMFC MEA의 열화는 크게 전해질막의 열화와 전극열화로 분류된다. 또 전해질 막의 열화는 전기화학적 열화, 기계적(mechanical)열화로 나뉜다. 전기화학적 열화는 셀 내에서 발생한 라디칼/과산화수소가 고분자막을 공격해 막이 열화되는 것을 말한다[8].
	PEMFC 가속시험이 단위전지가 아닌 스택에서 이루어져야 하는 이유는?	지금까지 PEMFC 가속시험은 단위전지에서 주로 이루어졌다[3-5]. 상용화 시 PEMFC는 높은 출력을 내기위해 단위전지보다 스택을 사용하므로 스택에서의 실제 내구성 평가가 이루어져야 하는데 그렇지 못했다. 스택에서의 MEA 열화 및 내구성은 가속시험방법보다는 정상 운전 후 수명이 다 했을 때 분석 평가하는방법을 사용해 많은 비용과 시간이 소모되었다[6,7].

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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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