[논문]고분자전해질 연료전지에서 고분자막의 이온전도도에 미치는 전류밀도의 영향

황병찬; 오소형; 이대웅; 정회범; 유승을; 구영모; 나일채; 이정훈; 박권필

doi:10.9713/kcer.2018.56.1.1

고분자전해질 연료전지에서 고분자막의 이온전도도에 미치는 전류밀도의 영향
Effect of Current Density on Ion Conductivity of Membrane in Proton Exchange Membrane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.1, 2018년, pp.1 - 5

황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 오소형 (순천대학교 화학공학과) , 이대웅 (순천대학교 화학공학과) , 정회범 (순천대학교 기계공학과) , 유승을 (자동차부품연구원) , 구영모 (자동차부품연구원) , 나일채 ((주)CNL Energy) , 이정훈 ((주)CNL Energy) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 실제 구동되는 고전류밀도 범위까지 임피던스를 분석해 이온전도도에 대해 연구하였다. 가스확산층(GDL)유무가 임피던스에 미치는 영향을 수소투과도 측정에 의해 간접적으로 검토하였다. 저전류 범위(<$80mA/cm^2$)에서 상대습도(RH)가 60% 이상 높을 때는 고분자 막의 수분 함량이 충분해 막의 이온전도도가 전류 변화의 영향을 받지 않았다. 그러나 RH가 낮을 때는 전류밀도가 증가하면서 수분 생성에 의해 이온전도도가 증가했다. 고전류 영역($100{\sim}800mA/cm^2$)에서 HFR (High Frequency Resistance)로 구한 막의 이온전도도 실험값과 수치해석에 의해 구한 값을 비교하였다. RH 100%에서는 실험값과 모사한 값 모두 전류 변화에 영향을 받지 않고 일정한 이온전도도를 유지함을 보였다. RH 30~70%에서는 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 증가하다 일정해 지는 경향을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we study the ion conductivity by analyzing the impedance to the high current density range that the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is actually operated. The effect of GDL (Gas Diffusion Layer)presence on impedance was investigated indirectly by measuring hydrogen permeability. When the RH (Relative Humidity)was higher than 60% in the low current range (< $80mA/cm^2$), the moisture content of the polymer membrane was sufficient and the ion conductivity of the membrane was not influenced by the current change. However, when RH was low, ion conductivity increased due to water production as current density increased. The ion conductivity of the membrane obtained by HFR (High Frequency Resistance) in the high current region ($100{\sim}800mA/cm^2$)was compared with the measured value and simulated value. At RH 100%, both experimental and simulated values showed constant ion conductivity without being influenced by current change. At 30~70% of RH, the ionic conductivity increased with increasing current density and tended to be constant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 PEMFC 실제 구동은 200 mA/cm² 이상의 전류밀도에서 대부분 진행되므로 높은 전류밀도에서 이온전도도에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고분자막의 이온전도에 미치는 상대습도, 온도, 전류의 영향에 대해 알아보기 위해 전류밀도 800 mA/cm²범위까지 이온전도도를 측정하여 물과 이온의 전달이 전기삼투와 확산에 의해서만 이뤄지는 조건의 1차원 모델식에 의해 수치 해석하여 비교 검토하였다.
본 연구에서는 PEMFC가 실제 구동되는 고전류밀도까지 임피던스를 분석해 이온전도도를 실험하고 모델식을 수치해석해 비교하였다.
본 연구에서는 transport 모델 중에서 Ohm’s law 그룹의 모델식에 의해 간단한 모델식을 세우고 수치 해석하였다.

제안 방법

Injection port와 column, detector의 온도는 각각 100 °C, 40 °C, 110 °C를 유지 하였다. 5,000 ppm 수소 표준가스를 기체 혼합기에서 고순도 아르곤과 혼합해 2,500 ppm, 1,250 ppm, 625ppm 수소로 만들어 검량곡선을 작성하였다. PEMFC anode에는 고순도 수소 가스를, cathode에는 아르곤 가스를 일정 유량으로 유입하고 cathode 출구 가스를 응축기(-5 °C)를 통과시킨 후 GC injection port로 직접 유입해 수소 농도를 측정하였다.
Injection port와 column, detector의 온도는 각각 100 °C, 40 °C, 110 °C를 유지 하였다.
PEMFC anode에는 고순도 수소 가스를, cathode에는 아르곤 가스를 일정 유량으로 유입하고 cathode 출구 가스를 응축기(-5 °C)를 통과시킨 후 GC injection port로 직접 유입해 수소 농도를 측정하였다.
고분자 막을 통한 수소투과도는 Thermal conductivity detector(TCD)와 molecular sieve column (5A F-3847, 3.0 m, 3.0 mm ID)을 장착한 기체 크로마토그래프(GC, SHIMADZU GC –4B)로 측정하였다.
고전류 영역에서 HFR로 구한 막의 이온전도도 실험값과 수치해석에 의해 구한 값을 비교하였다. RH 100%에서는 실험값과 모사한 값 모두 전류변화에 영향을 받지 않고 일정한 이온전도도를 유지함을 나타냈다.
일반적으로 고분자막의 이온전도도는 셀 밖의 이온전도도 측정 장치에서 측정되므로 구동과정에서 즉 전류가 흐르는 과정에서 임피던스를 측정하지 못하는 단점이 있다. 본 연구에서는 고분자막의 이온전도도를 측정하기 위해 고가의 측정장비를 따로 사용하지 않고 PEMFC 실험에서 일반적으로 사용하는 단위전지와 스테이션 그리고 임피던스 분석기를 이용해 구동 과정에서 이온전도도를 측정하였다. 고분자 막의 주요 역할인 이온전도도는 측정장비의 문제 등으로 많은 경우 0~80 mA/cm²의 낮은 전류밀도에서 측정되고 검토되었다.
본 연구에서는 높은 전류밀도에서 측정이 가능한 임피던스 분석기(Biologics)와 낮은 전류밀도에서 Solatron 1250을 이용해 막의 저항을 나타내는 HFR을 측정했다. 전류 밀도 80 mA/cm² 이하의 낮은 전류밀도에서 Solatron 임피던스 분석기에 의해 RH와 전류량을 변화시키며 HFR을 측정한 결과를 Fig.
인 MEA (G Type, CNL Energy Co)와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 K셀(CNL Energy)에 80토크로 체결하였다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNLEnergy)으로 제어하였다.
실제 PEMFC 구동조건에서는 GDL이 반드시 필요한데 GDL없이 임피던스를 측정하는 경우도 있어서, GDL유무가 임피던스에 미치는 영향을 수소투과도측정에 의해 간접적으로 검토하였다. MEA가 GDL과 접촉이 없을 때는 RH가 높은 영역에서도 RH증가에 따라 수소투과도가 계속 상승하는 경향을 보인다.
임피던스 분석을 통해 HFR (High Frequency Resistance) 값을 구하여 이온전도도를 계산하였다. 저전류(<80 mA/cm²)에서 임피던스 분석은 Impedance analyser (Solatron, SI 1260)로 DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000 Hz~0.
저전류(<80 mA/cm2)에서 임피던스 분석은 Impedance analyser (Solatron, SI 1260)로 DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000 Hz~0.1 Hz 범위에서 측정하였고, 고전류(100~800 mA/cm2)에서는 Impedance analyser(BioLogics, HCP-803, France)로 온도 70°C에서 Anode와 Cathode에 각각 H2 93 ml/min, Air 296 ml/min의 조건에서 상대습도를 변화시키며 측정하였다.
전극면적이 25 cm²인 MEA (G Type, CNL Energy Co)와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 K셀(CNL Energy)에 80토크로 체결하였다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNLEnergy)으로 제어하였다.

이론/모형

막을 통한 수분의 이동은 확산, 전기삼투, Cathode에서 물 생성 등 3가지만 고려하여 각각의 Flux 식으로 아래 (2)식처럼 나타내었다[2]. 막에 대한 모델식을 1차원, 정상상태, 등온, 등압 가정 하에, Berg의 경계조건[9]을 이용해 MATLAB으로 Cw값을 산출한 후 이온전도도 식에 대입하였다.

성능/효과

RH 100%에서는 실험값과 모사한 값 모두 전류변화에 영향을 받지 않고 일정한 이온전도도를 유지함을 나타냈다. RH 30~70%에서는 막의 수분함량이 작아 낮은 전류밀도에서는 이온전도도가 작은 값을 보이나 전류가 증가하면서 발생한 많은 양의 수분이 역확산되어 수분이 anode쪽 끝까지 갈 수 있어 이온전도도가 최고점에 도달하고 이후 일정해 짐을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온교환막에서 이온과 수분 전달 모델 중 구조 모델의 종류는 무엇이 있는가?	구조 모델은 막의 내부 구조를 단순화시킨 개념의 모델이다. cluster network model[3], dusty-fluid model[4], capillary model[5], micro heterogeneous two phase model[6], percolation model[7] 등이 구조 모델에 해당한다. transport 모델은 이온과 수분,가스가농도구배등구동력에의해막을통해전달되는것을모사한모델로 세 그룹으로 분류할 수 있는데 Stefan-Maxwell식 그룹[8],Nernst-Planck 식 그룹[9], Ohm’s law 그룹[10] 등이다.
	고분자전해질 연료전지의 고분자 막의 역할은 무엇인가?	고분자전해질 연료전지의 고분자 막은 이온전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 사이 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. anode에서 수소 산화에 의해 발생한 수소이온이 막을 통해 이동하는 과정에서 물을 동반함으로 막에서 물의 양과 물의 이동도 매우 중요하다[1].
	고분자전해질 연료전지의 고분자 막에서 수분 함량과 수분 이동량에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?	고분자전해질 연료전지의 고분자 막은 이온전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 사이 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. anode에서 수소 산화에 의해 발생한 수소이온이 막을 통해 이동하는 과정에서 물을 동반함으로 막에서 물의 양과 물의 이동도 매우 중요하다[1]. 그래서 PEMFC에서 이온전도도는 막의 수분 영향을 많이 받으므로 막의 수분 함량과 수분 이동량 등에 대한 실험 및 이론적 고찰이 있어야 한다.

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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