[논문]고분자전해질 연료전지에서 고분자 막의 이온 전도도

황병찬; 정회범; 이무석; 이동훈; 박권필

doi:10.9713/kcer.2016.54.5.593

고분자전해질 연료전지에서 고분자 막의 이온 전도도
Ion Conductivity of Membrane in Proton Exchange Membrane Fuel Cell 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.5, 2016년, pp.593 - 597

황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 정회범 (순천대학교 화학공학과) , 이무석 (코오롱인더스트리(주) Eco연구소 중앙기술원) , 이동훈 (코오롱인더스트리(주) Eco연구소 중앙기술원) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자전해질 연료전지에서 전해질막의 이온전도도에 미치는 상대습도, 전류밀도, 온도의 영향에 대해 연구하였다. 전해질막의 물의 함량과 물의 이동은 이온전도도에 많은 영향을 미친다. 전기삼투와 역확산만으로 물 이동을 모사하고 해석하였다. 이온전도도는 셀 밖에서 측정 장비로 막 상태에서 그리고 막전극합체로 구동상에서 측정되었다. 상대습도 증가에 따라 막 내 물 함량이 증가하였고 물 함량 증가에 따라 이온전도도도 상승하였다. 전류밀도 증가에 따라 전기삼투와 역확산에 의한 물의 양이 증가해 물 함량이 선형적으로 증가하였고 그 결과 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 선형적으로 상승하였다. 온도가 $50^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$C로 증가함에 따라 이온전도도는 약 40% 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of relative humidity, current density and temperature on the ionic conductivity were studied in PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Water contents and water flux in the electrolyte membrane largely affected ion conductivity. The water flux was modelled and simulated by only electro-osmotic drag and back-diffusion of water. Ion conductivities were measured at membrane state out of cell and measured at MEA (Membrane and Electrode Assembly) state in condition of operation. The water contents in membrane increase as relative humidity increased in PEMFC, as a results of which ion conductivity increased. Current enhanced electro-osmotic drag and back diffusion and then water contents linearly increased. Enhancement of current density results in ion conductivity. Ion conductivity of about 40% increased as the temperature increased from $50^{\circ}C$ to $80^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 막의 이온전도도는 셀 밖의 이온전도도 측정장치에서 측정되므로 구동과정에서 즉 전류가 흐르는 과정에서 임피던스를 측정하지 못하는 단점이 있다. 본 연구에서는 고분자막의 이온전도도를 측정하기 위해 고가의측정장비를 따로 사용하지 않고 PEMFC 실험에서 일반적으로 사용하는 단위전지와 스테이션 그리고 임피던스 분석기를 이용해 구동 과정에서 이온전도도를 측정하여 이론값과 비교 검토하였다.
본 연구에서는 고분자막의 이온전도에 미치는 여러 인자들의 영향에 대해 알아보기 위해 transport 모델 중에서 Ohm’s law 그룹의 모델식에 의해 간단한 모델식을 세우고 수치해석하였다.

가설 설정

3. 추진력은 전압 구배와 농도 구배만 고려한다.
5. 각 물성들(확산 계수, 전기삼투 계수, 이온 전도도)의 활성화에너지(Activation energy)는 물의 농도에 의존하지 않는다.

제안 방법

막 상태의 물 함량 및 이온전도도를 측정하기 위해 MSB-AD-VFC (Bel Japan)를 사용하였다. HFR측정과 동일하게 80 ^oC에서 진행하였고, RH는 5~95%까지 10%단위로 측정하였다. 측정한 물 함량으로 이온전도도를 구하였다.
고분자전해질 연료전지에서 이온전도도에 미치는 물 함량, 전류밀도, 상대습도 및 온도의 영향을 전기삼투와 역확산만을 고려한 모델식을 모사한 결과와 실험한 것을 비교해 아래와 같이 정리하였다.
모델식의 실험적 검증을 위하여 임피던스 측정을 통한 이온전도도 측정을 하였다.
본 연구에서는 고분자막의 이온전도에 미치는 여러 인자들의 영향에 대해 알아보기 위해 transport 모델 중에서 Ohm’s law 그룹의 모델식에 의해 간단한 모델식을 세우고 수치해석하였다. 물과 이온의 전달이 전기삼투와 확산에 의해서만 이뤄지는 조건의 1차원 모델식에 의해 수치해석하여 실험결과와 비교검토하였다. 일반적으로 막의 이온전도도는 셀 밖의 이온전도도 측정장치에서 측정되므로 구동과정에서 즉 전류가 흐르는 과정에서 임피던스를 측정하지 못하는 단점이 있다.
임피던스 분석을 통해 HFR (High Frequency Resistance) 값을 구하여 이온전도도를 계산하였다. 셀 온도 80 ^oC에서 Anode와 Cathode에각각 H₂ 93 ml/min, Air 296 ml/min의 조건에서 상대습도를 변화시키며 임피던스 분석기(SI 1260, Solatron)로 측정하였다.
인 MEA (5730, Gore Fuel Cell)와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
임피던스 분석을 통해 HFR (High Frequency Resistance) 값을 구하여 이온전도도를 계산하였다. 셀 온도 80 ^oC에서 Anode와 Cathode에각각 H₂ 93 ml/min, Air 296 ml/min의 조건에서 상대습도를 변화시키며 임피던스 분석기(SI 1260, Solatron)로 측정하였다.
HFR측정과 동일하게 80 ^oC에서 진행하였고, RH는 5~95%까지 10%단위로 측정하였다. 측정한 물 함량으로 이온전도도를 구하였다. 이때 사용한 식은 다음과 같다[14].

대상 데이터

전극면적이 25 cm²인 MEA (5730, Gore Fuel Cell)와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.

이론/모형

막 상태의 물 함량 및 이온전도도를 측정하기 위해 MSB-AD-VFC (Bel Japan)를 사용하였다. HFR측정과 동일하게 80 ^oC에서 진행하였고, RH는 5~95%까지 10%단위로 측정하였다.

성능/효과

4. 물의 확산 계수, 이온 전도도는 막에서 물의 농도와 온도의 함수다.
6에 비교하였다. 70 ^oC, 40 mA/cm²에서 모사한 결과는 상대습도가 증가할수록 선형적인 3차 곡선의 형태로 증가함을 보이고 있다.Fig.
4에 비교하였다. 80 ^oC, 40 mA/cm² 조건에서 실험과 모사한 것으로서, 물 함량이 증가할수록 선형적으로 이온전도도가 증가함을 모사 결과를 통해 알 수 있다. 실험결과와 모사결과는 전체적으로 경향이 맞으나 C_w 범위에 따라 오차차이가 발생했다.
상대습도100%에서 전류밀도가 1,600 mA/cm²일 때 물 함량이 16 mol/m³까지 증가해 이온과 물이 자유롭게 이동하는 상태에 도달할 수 있음을 볼 수 있다. 물 함량 변화량은 OCV에서 1,000 mA/cm²로 전류가 발생하면 상대습도 50%, 100%에서 각각 2.83배와 1.44배로 물 함량이 증가해 저가습일 때 전기삼투와 역확산에 의한 영향이 커짐을 확인하였다.
상대습도 증가에 따라 막 내 물함량이 증가하였고 물 함량 증가에 따라 이온전도도도 상승하였다.
온도 변화에 따른 막 내 물 함량의 변화는 작았다. 이 때, 이온전도도는 온도 30 ^oC 증가에 약 40% 증가했는데 이것은 물 함량 변화에 의한 것이 아니고 이온전도도가 물질의 확산과 온도에 따라 증가하는 것으로 해석되었다. 즉, 온도와 확산의 두 가지 인자의 영향을 동시에 받는다고 해석할 수 있다.
임피던스 측정을 통해 이온전도도를 구하여 해석모델을 검증하였는데, 평균적으로 20% 정도의 오차가 발생하였고, RH 80%이상인 구간에서 오차 점차 증가하여 최대 40.5%였다.
전류밀도 증가에 따라 전기삼투와 역확산에 의한 물의 양이 증가해 물 함량이 선형적으로 증가하였고 그 결과 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 선형적으로 상승하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질 연료전지에서 고분자 막은 어떤 역할을 하는가?	고분자전해질 연료전지의 고분자 막은 이온전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 간 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. anode에서 수소 산화에 의해 발생한 수소이온이 막을 통해 이동하는 과정에 물을 동반함으로 막에서 물의 양과 물의 이동도 매우 중요하다[1].
	이동(transport) 모델이란?	cluster network model[3], dusty-fluid model[4],capillary model[5], micro heterogeneous two phase model[6], percolation model[7] 등이 구조 모델에 해당한다. 이동(transport) 모델은 이온과 물, 가스가 농도 구배 등 구동력에 의해 막을 통해 전달되는 것을 모사한 모델로 세 그룹으로 분류할 수 있는데 Stefan-Maxwell식 그룹[8], Nernst-Planck 식 그룹[9], Ohm’s law 그룹[10] 등이다. StefanMaxwell 식, Nernst-Plank 식은 화학종, 확산대상의 구조(다공성),점도 등 고려해야할 변수가 많은 반면, Ohm’s law는 변수가 적어 적용하기 쉽다.
	anode에서 고분자 막에 물의 양과 물의 이동이 매우 중요한 이유는?	고분자전해질 연료전지의 고분자 막은 이온전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 간 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. anode에서 수소 산화에 의해 발생한 수소이온이 막을 통해 이동하는 과정에 물을 동반함으로 막에서 물의 양과 물의 이동도 매우 중요하다[1].

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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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