[논문]캐소드극 입구 가습 조건이 고분자 전해질 연료전지의 성능에 미치는 영향

문철언; 이서희; 고동수; 양장식; 최경민; 김덕줄

[국내논문] 캐소드극 입구 가습 조건이 고분자 전해질 연료전지의 성능에 미치는 영향
Effect of Inlet Humidity Condition at Cathode Side on Performance of a Polymer Exchange Membrane Fuel Cell 원문보기

문철언 (부산대학교 대학원 기계공학과) , 이서희 (부산대학교 대학원 기계공학과) , 고동수 (부산대학교 대학원 기계공학과) , 양장식 (부산대학교 기계 기술 연구소) , 최경민 (부산대학교 기계공학부) , 김덕줄 (부산대학교 기계공학부)

This paper shows that inlet humidity condition at cathode side is one of dominant parameters affecting the performance of PEMFC. To investigate effects of inlet humidity condition, the performance measurements were conducted for a single PEMFC with two operating variables : cathode relative humidity and dry condition in anode dry. The fuel cell employed for the experiments is a unit PEMFC with a 25$Cm^2$, Nafion$^(R)$112 membrane. As a result of this study, the cell performance is getting higher by increasing inlet humidity condition at cathode side. The cell performance is different from each operating temperature an it has maximum30% higher than dry condition at 60$^{\circ}C$ operating temperature with 80% relative humidity.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 연료전지의 성능에 중요한 영향을 미치는 인자중의 하나인 cathode극 입구 가습조건의 변화에 따른 성능평가를 수행하였으며, 이를 통해 실재 실험 스케일에 맞추어 실험을 통해 획득한 데이터를 검증하고 예상할 수있는 새로운 1차원 시뮬레이터의 개발을 위한 기초 데이터베이스 구축을 그 목적으로 하고 있다.
본 연구에서는 연료전지의 성능을 결정짓는 여러 가지 변수 중 cathode극 입구 가습조건의 변화에 따른 성능 평가 실험을 수행하였다.

제안 방법

(4) 본 실험에서는 cathode극 입구 가습정도의 변화에 따른 단위 전지의 성능 평가를 수행하였다. 이번 성능평가 실험에 의해 획득된 데이터들은 실제 실험 스케일의 새로운 1차원 시뮬레이터 개발을 위한 데이터베이스 자료로 사용 될 것이다.
연료전지의 작동 온도는 end-plate내에 부착되어있는 카트리지 히터와 컨트롤러를 통해 변화 시켰으며, cathode극 입구 가습조건에 따른 성능평가를 수행하기 위해 anode극 입구 가습조건은 무 가습으로 일정하게 하였으며, cathode극 입구 가습조건을 변화시키기 위해 Table. 1에서와 같이 챔버 내 물의 온도를 변화시키면서 상대습도를 조절하였다.
물이 채워져 있는 가습 챔버(humidifing chamber) 내에 산소를 통과 시키면서 발생하는 버블(bubble)을 100%가습된 산소로 가정하고, 챔버 내의 물의 온도를 조절함으로써 챔버와 일정 온도로 작동되고 있는 단위전지와의 온도차이로 상대습도를 조절하였다.
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 단위 전지를 설계 제작하여, 성능을 좌우하는 인자중의 하나인 cathode극 입구부분의 상대습도의 변화가 단전지의 성능에 미치는 영향을 무 가습 조건의 실험과 비교하여 수행하였다.

대상 데이터

3은 연료전지 성능평가 시스템에 사용된 단위전지와 분리판 유로의 형태를 보여준다. 단위전지는 graphite 분리판을 사용하고 그 분리판을 전류 집전체로 사용하였으며, 절연처리된 알루미늄 end-plate를 결합하여 제작되었다. 분리판의 양쪽끝에는 부하를 걸어주고 전류 및 전압을 측정하는 전자부하장치가 연결되어 있으며, end-plate에는 연료전지를 가열하고 작동온도를 조절할 수 있는 카트리지히터와 온도센서가 결합 되어 있으며 연료를 공급하고 회수하는 라인이 연결되어 있다.
수소는 무가습 상태로 바로 공급이 되며, 산소는 고압 용기로부터 유량계를 거쳐서 가습챔버를 통해 가습이 되어 셀 내부에 공급된 후 대기 중으로 버려진다. 단위전지의 성능곡선을 얻기 위해서 KIKUSUI사의 전자 부하장치(electric load)를 사용하였다.
분리판의 양쪽끝에는 부하를 걸어주고 전류 및 전압을 측정하는 전자부하장치가 연결되어 있으며, end-plate에는 연료전지를 가열하고 작동온도를 조절할 수 있는 카트리지히터와 온도센서가 결합 되어 있으며 연료를 공급하고 회수하는 라인이 연결되어 있다. 또한 본 실험에서 사용된 유로의 형태는 사행유로의 변형타입인 mixed-serpentine을 사용하였다.
% Pt/Vulcan XC-72)을 사용하였으며 Nafion^Ⓡ 112가 전해질로 사용되었다. 연료는 순도 99.999%의 고순도 수소와 일반 산소를 사용하였다. 수소는 무가습 상태로 바로 공급이 되며, 산소는 고압 용기로부터 유량계를 거쳐서 가습챔버를 통해 가습이 되어 셀 내부에 공급된 후 대기 중으로 버려진다.
4는 연료전지 평가 시스템의 개략도를 나타내고 있다. 테스트 셀은 25㎠의 반응면적을 가지고 있으며 E-TEK의 전극(1mg/cm Pt loading, 20wt.% Pt/Vulcan XC-72)을 사용하였으며 Nafion^Ⓡ 112가 전해질로 사용되었다. 연료는 순도 99.

성능/효과

(1) 무 가습 조건일 때 단전지의 성능은 작동 온도가 상승 할수록 전해질막의 건조(dry)로 막의 이온 전도도가 감소하면서 생긴 옴 저항(ohmic loss)으로 인해 저하된다.
(2) 셀 자동온도 40℃ 50℃ 60℃ 서 cathode 극 가습조건을 40%, 60%, 80%로 변화시킨 결과, 공급 산소의 가습율이 증가하면 전해질막의 이온 전도도가 증가하여 성능이 향상되었으며 전류밀도 I=130mA/cm² 부근에서 최대 30%까지의 성능이 증가하였다.
(3) 작동온도별 최대출력의 증가율을 비교해보면 저온영역의 작동온도보다 고온 영역에서 증가율이 더욱 커진 것으로 보아, 가습의 영향으로 인한 성능 향상은 저온 영역에서보다 고온 영역에서 더욱 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다.
또한 최대 출력의 증가율을 비교해 보면 단위 전지의 작동온도가 저온일 때 무가습 조건과 비교해 최대 16% 올랐으나 고온일 때는 최대 30% 출력이 향상됨을 확인함으로써 단위 전지의 작동온도가 고온영역으로 올라갈수록 전해질막 가습으로 인해 출력 상승폭이 높아짐을 알수 있다. 이것은 셀 작동온도가 고온영역으로 갈수록 전해질막의 건조도가 증가함으로써 이온전도도가 현격히 떨어지게 되는데, 이 때 공급 산소의 상대습도를 증가시키면 막의 함수량이 증가하게 된다.
6 셀 작동온도가 40℃로 일정 할 때, cathode 입구의 산소 상대습도를 변화 시켜가면서 성능평가를 수행한 성능곡선을 나타내고 있다. 무 가습 조건에서 80% 까지 상대습도를 증가시키면서 성능평가를 수행한 결과, 산소의 상대습도가 증가할수록 성능이 향상됨을 확인 할 수 있었고, 출력은 무 가습 조건과 비교 하였을 때 전류밀도 I=130mA/cm 구간에서 최대 16% 이것은 cathode 입구 가습조건이 향상됨에 따라, 즉 산소의 상대습도가 증가함에 따라 단위전지 내부의 cathode 에서의 물의 농도가 증가하기 때문이다. cathode 에서의 증가된 물의 농도는 anode의 물의 농도보다 크게 되어 | 물 농도의 구배가 발생하게 되는데, 이러한 물 농도의 구배로 인해 전해질막 내부에서 cathode 극에서 anode으로 물의 역 확산이 일어나서 전해질 막을 가습하게 된다.
이 두 조건에서도 앞의 40℃ 서와 마찬가지로 상대습도가 증가함에 따라 셀 성능이 향상됨을 확인 할 수 있고, 출력은 무 가습 조건과 비교 하였을 때, 50℃ I = 130mA/cm2 20%, 60% 일때는 최대 30% 지 향상됨을 확인 할 수 있었다.

후속연구

(4) 본 실험에서는 cathode극 입구 가습정도의 변화에 따른 단위 전지의 성능 평가를 수행하였다. 이번 성능평가 실험에 의해 획득된 데이터들은 실제 실험 스케일의 새로운 1차원 시뮬레이터 개발을 위한 데이터베이스 자료로 사용 될 것이다.
이러한 연구들은 정상유동, 완전 포화 조건에서 수행이 되었다. 하지만 실험실 스케일의 PEM 단위전지 성능평가 시스템에서의 성능을 예측하기 위해선 실재 존재하는 손실들을 모두 포함하여 단위전지(unit cell)의 성능을 평가할 수 있는 새로운 1차원 시뮬레이터(simulator)의 개발이 요구된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

고분자 전해질 연료전지의 발전 방식은 무엇인가?

최근 화석 연료를 사용하는 화력 발전소, 수송기관 등의 급격한 증가와 함께 이들 시스템이 배출하고 있는 각종 공해 및 유해 배출가스의 영향으로 인한 지구 온난화, 환경오염 문제에 관한 관심이 높아지면서, 무공해 전력발생원인 연료전지에 대한 개발 및 연구가 절실히 요구되고 있으며 특히, 대체-청정에너지원인 수소에너지와 산소를 연료로 사용하여 발전하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 주목을 받고 있다.(1~3)

고분자 전해질 연료전지의 성능에 가장 많은 영향을 미치는 것은 무엇인가?

이러한 고분자 전해질 연료전지의 성능에 가장 많은 영향을 미치는 부분 중의 하나가 연료전지 내부에서의 질량 전달(mass transfer)이다. 이에따라 질량 전달과 셀 성능과의 관계에 대한 연구와 문제를 개선하기 위한 연구가 다방면으로 진행되어 왔다.

고분자 전해질 연료전지의 장점은 무엇인가?

PEMFC(Polymer Exchange Membrane Fuel Cell)의 경우 고분자 전해질막을 사용하여 전지 내 부식문제를 해결 하였고 다른 종류의 연료전지와 비교하여 시동시간이 짧고 수명이 긴 특성을 가진다. 또한, 부하변동에 따른 빠른 응답특성, 높은 에너지 효율, 낮은 작동온도에서의 높은 전류 밀도, 그리고 전지의 제조 및 구조의 간단함 등의 장점으로 인해 수송기관의 동력원으로써 그 연구가 활발히 진행되고 있다.

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