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문제 정의
- 본 연구에서는 습도와 온도 제어를 통한 기체투과도 측정을 통해, 실제 가동 중인 PEMFC의 기체 투과도를 실시간으로 측정할 수 있음을 증명하였다. 하지만, 실제 가동 중에 변화하는 압력 등은 향후 고려되어야 한다.
제안 방법
- 측정된 수소 농도를 eqn. (2)식을 통해 실시간 기체 투과도를 구하였다.
- GC를 이용하여 실시간으로 고분자전해질막의 기체 투과도를 측정하기 위해 단일 기체(H2)에 대해서 측정 온도 30~90°C, 상대 습도 50/100% 일정한 유속으로 공급하였다.
- 또한, 설계된 PEMFC에 산처리된 필름 샘플(샘플크기 : 8 × 8 cm2)을 체결하고 습도와 온도를 조절한 가스를 음극에 고순도 수소 가스를, 양극에는 아르곤 가스를 일정 유속으로 공급하고 일정 주기로 양극에서 배출 된 가스를 응축기(-10°C)를 통과한 후 GC를 통해 수소 농도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 고분자전해질막인 Nafion212를 사용하여 2가지 방법으로 기체 투과도를 측정 비교해 보았으며, 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 이 같은 문제점을 보완하고자 설계 제작된 연료전지를 기체의 습도와 온도 조절이 가능한 PEMFC station과 기체크로마토그래피(Gas chromatography (GC))를 이용하여 양극에서 배출된 수소의 농도를 실시간으로 측정하여 실제 PEMFC 운전 중일 때와 비슷한 습도, 온도 조건 하에서의 양극의 수소 농도를 측정하여 기체 투과도를 구하였다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되고 있는 과불소계 고분자전해질막인 DuPont사의 Nafion212를 사용[12]하여 Time-lag법과 GC를 이용하여 실제 가동 조건과 동일한 온도, 습도 조건 하에서의 수소 기체 농도를 실시간으로 측정(in-situ법)하여 구해진 기체 투과도를 비교하였다.
- 수소 가스의 정량적 분석을 통해GC 분석도 정확함을 확인한 후, 음극에는 수소 가스 양극에는 아르곤 가스를 500 mL/min 유속으로 공급해주며 양극 배출구의 가스 중 수소의 농도를 무 가습 상에서의 cell 온도에 따라 측정해 수소 가스 투과도의 온도 의존성을 Fig. 3에서 확인하였다[16].
- 실제 가동 중인 연료전지와 같은 온도 습도 조건 하에서의 실험을 진행하기 위해 PEMFC를 station, GC, 응축기를 이용하여 기체 투과도를 측정한다. Fig.
- 온도 의존성 뿐만 아니라 습도에 대한 의존성을 알아보기 위해 실제 PEMFC의 가동 조건에 맞추어 측정온도 65/80°C에서 상대 습도 50/100%의 조건으로 기체 투과도를 측정하여 Fig. 5의 그래프로 표시하였다.
- 이 같은 문제점을 보완하고자 설계 제작된 연료전지를 기체의 습도와 온도 조절이 가능한 PEMFC station과 기체크로마토그래피(Gas chromatography (GC))를 이용하여 양극에서 배출된 수소의 농도를 실시간으로 측정하여 실제 PEMFC 운전 중일 때와 비슷한 습도, 온도 조건 하에서의 양극의 수소 농도를 측정하여 기체 투과도를 구하였다. 본 연구에서는 일반적으로 사용되고 있는 과불소계 고분자전해질막인 DuPont사의 Nafion212를 사용[12]하여 Time-lag법과 GC를 이용하여 실제 가동 조건과 동일한 온도, 습도 조건 하에서의 수소 기체 농도를 실시간으로 측정(in-situ법)하여 구해진 기체 투과도를 비교하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 기체의 온도, 상대습도(RH) 유속 등을 제어할 수 있는 Station (CNL Energy Co, Korea)과 제작된 PEMFC (CNL Energy Co, Korea)를 제공받아 사용하였다. 사용된 고분자전해질막인 Nafion212는 Dupont사로부터 구입하여 사용하였으며, 단일 기체 H2, N2, O2는 초고순도(99.
- 본 연구에서 기체의 온도, 상대습도(RH) 유속 등을 제어할 수 있는 Station (CNL Energy Co, Korea)과 제작된 PEMFC (CNL Energy Co, Korea)를 제공받아 사용하였다. 사용된 고분자전해질막인 Nafion212는 Dupont사로부터 구입하여 사용하였으며, 단일 기체 H2, N2, O2는 초고순도(99.999%)를 구입하여 사용하였다. 산처리 과정에서 사용된 황산용액(순도 : 95-98%)은 씨그마알드리치코리아에서 구입하여 사용하였다.
- 999%)를 구입하여 사용하였다. 산처리 과정에서 사용된 황산용액(순도 : 95-98%)은 씨그마알드리치코리아에서 구입하여 사용하였다.
이론/모형
- Barrer은 압력이 영향이 변수로 포함되어 있지만 온도에 대해서는 변수로 포함되어 있지 않다[17]. Time-lag법을 이용하여 eqn. (1)을 통해 구한 Nafion212의 기체 투과도는 30°C에서 6 [Barrer] 정도로 측정이 되었으며, 온도가 올라감에 따라 70°C에서는 20 [Barrer] 수준까지 증가하였다.
- 고분자전해질막의 기체 투과도를 측정하기 위해 단일 기체(H2, N2, O2)에 대해서 측정온도 30~70°C, 공급압 760 torr로 Time-lag법을 통해 기체 투과도를 측정하였다.
- 이와 비교하기 위해 Fig. 4는 무 가습 상태에서의 Nafion212의 기체 투과도를 Time-lag법을 이용하여 측정한 데이터이다. Barrer은 기체 투과도 단위이며, 1 Barrer = 10-10 cm3 cm s-1 cm-2cmHg-1이다.
성능/효과
- In-situ 수소투과도 분석 값을 통해 기체 투과도가 온도/습도의 의존성이 있음을 확인하였고, 온도에 증가로 인해 투과도가 증가하게 되며, 습도의 증가에서는 투과도가 줄어드는 현상을 확인하였다.
- Time-lag법을 이용하여 측정된 기체 투과도는 수소 기준 30°C에서 6 [Barrer] 70°C에서 20 [Barrer] 수준까지 증가하였으며, 이는 온도에 대한 기체 분자의 확산 속도가 증가한 효과라고 볼 수 있다.
- 5의 그래프로 표시하였다. 그 결과 온도에 대해서는 위의 실험과 동일하게 투과도가 증가하는 경향을 나타냈지만, 상대 습도가 증가함에 따라 수소 투과도가 줄어드는 현상이 나타났다. 이는 물을 포함한 수소 기체 분자의 체적이 건조한 수소 기체 분자의 체적보다 커져 막의 투과 현상에 관여하는 것으로 보여진다.
- Time-lag법을 이용하여 측정된 기체 투과도는 수소 기준 30°C에서 6 [Barrer] 70°C에서 20 [Barrer] 수준까지 증가하였으며, 이는 온도에 대한 기체 분자의 확산 속도가 증가한 효과라고 볼 수 있다. 또한, 그 기체 분자의 Kinetic diameter가 작을수록 그 효과가 큼을 확인하였다.
후속연구
- 하지만, 실제 가동 중에 변화하는 압력 등은 향후 고려되어야 한다. 이러한 목적으로 In-situ 수소투과도 측정장비와의 hybrid system 개발 등이 검토/연구될 것이며, 그 결과는 추후로 보고될 예정이다.
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