연료전지 실험

본문내용

전도율이 저하되는 것으로 알려져 있다.
라. Alkarine fuel cell(알칼리성 전해액 연료전지)
수산화칼슘(KOH)을 전해액으로 하는 알카리성 전해액 연료전지는 미국에서 우주 개발용과 해양 개발용 및 운수용으로 개발되어 왔고, 아폴로 우주선에 탑재되어 전력생산 및 음용수 제조용으로 그 실용성이 입증되었다.
개질기를 이용하여 생성된 연이온이 발생되는 부반응이 생기게 되어 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 개질된 천연 가스를 연료로 사용할 경우에도 이산화탄소의 함량이 높아 성능저하 요인으로 작용할 수 있다. 공기 중의 이산화탄소 가스의 농도는 약 0.03 %정도 들어 있으므로, 공기를 연료전지의 산화제로 사용하는 경우에도 이산화탄소 제거 공정을 거친 후 연료전지에 주입하여야 한다.
Alkaline H2 + 2OH- → 2H2O + 2e- O2 + 2H2O + 4e- →4OH- H-
마. Polymer Electrolyte Fuel Cell(고분자 전해질형 연료전지)
PEMFC의 기본구조는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 산화전극과 환원전극이 부착되어 있는 형태로 되어 있다. 산화전극에서는 연료로 사용되는 수소의 전기화학적 산화가 일어나서 전자를 발생하며, 환원전극에서는 산화제인 산소가 전자를 소모하면서 전기화학적인 환원이 일어나게 되어 이로부터 전기에너지가 발생된다.
단위전지를 적층하면 전압을 높일 수 있고, 단위전지의 면적을 크게 하면 전류 생성량을 늘일 수 있으므로, 요구되어지는 성능에 따라 연료전지 시스템을 구성할 수 있다. 반응에서 사용되는 기체는 상압에서부터 5∼6기압까지의 압력 하에 사용되어지며, 온도는 상온에서부터 물의 비등점인 100℃이하의 온도 범위에서 운전되어진다.
고분자 전해질형 연료전지의 주요 요소로는 고체상태의 전해질로 전하를 이동시킬 수 있는 고분자 전해질막과 전자를 생성하는 산화전극 그리고 전자를 소모하는 환원전극이 있다. 계면 반응면적을 극대화하기 위하여 주요 요소를 고온 하에서 압착시키며 이로부터 생성된 단위전지의 전기발생 요소를 M&E(membrane and electrode) assembly라고 한다. M&E assembly는 두께가 얇고(주로 1㎜이하) 가벼우면서도 전기 생성 능력이 우수하여 군사용을 포함한 여러 분야로의 응용이 가능하다.
3. 실험
(1) 실험장치
가. 연료전지 스테이션
fig. 4 fuel cell station
나. 단위전지
fig. 5 단위전지
(2) 실험절차
가. membrane 전처리
나. 촉매 제조
anode : Pt-Ru (black)
cathode : Pt (black)
다. 촉매를 잉크로 만든다.
라. Nafion 용액을 같이 잘 섞어서 교반한다.
마. 이 잉크를 Nafion 막 위에 골고루 분포되게 잘 바른다.
fig. 6 Unit cell
4. 결과 및 고찰
4-1 개미산의 공급 속도에 따른 전지의 성능
개미산의 공급 속도는 1ml/min, 5ml/min, 10ml/min으로 변화를 주었으며 연료극 촉매는 Pt-Ru Black을 사용 하였고 공기극 촉매는 Pt black을 사용 하였다. 촉매의 부하량은 각각 4mgPt/cm2 , 7mgPt/cm2이 되게 하였다. 개미산의 농도는 10M을 사용 하였다. 산화 가스는 가습된 공기를 사용 하였으며 공급 속도는 200ml/min으로 고정하여 실험 하였다. 실험 결과 개미산의 공급 속도에 따라 다양한 성능을 나타 냈지만 유량의 영향은 매우 적다고 할수 있다. 전지의 성능은 10ml/min의 속도로 공급될때 가장 좋은 결과를 보이지만 1ml/min의 속도로 공급될때와 불과 2mW/cm2의 전력밀도 차이를 보일 뿐이다. 따라서 이후의 실험은 개미산의 사용에 따른 전지의 성능을 비교하여 더 좋은 효율을 보이는 개미산의 공급속도 1ml/min으로 고정하여 수행 하였다.
4-2 개미산의 공급 농도에 따른 전지의 성능
개미산의 공급 농도는 2M에서 20M까지 변화를 주었고 연료극 촉매로는 Pt-Ru Black, 공기극 촉매로는 Pt black을 사용 하였다. 촉매의 부하량은 각각 8mgPt/cm2 , 7mgPt/cm2이 되게 하였다. 실험 결과 전지의 OCP는 2M에서 최고값으로 나타났으며 농도가 증가 함에 따라 약간의 감소를 나타냈다. 전지의 성능은 12M까지 증가를 보이다가 그 이후부터 감소를 보였다. 전지의 전력 밀도는 9M까지 증가를 보이다가 이후부터 감소를 보였다. 결과적으로 개미산의 농도가 9M에서 12M사이에서 공급될때 가장 좋은 성능을 보임을 알 수 있다.
4-3 촉매의 부하량에 따른 전지의 성능
공기극의 촉매는 변화 시키지 않고 연료극의 촉매PT-Ru를 4mgPt/cm2 와 8mgPt/cm2를 담지하여 수행하였고 개미산의 농도는 9M이다. 실험결과 촉매의 부하량이 증가함에따라 약 10mW/cm2의 전력 밀도가 증가 하였으며 이를 통하여 전지의 성능이 증가했음을 알 수 있었다.
4-4 촉매의 종류에 따른 전지의 성능
촉매의 종류로는 Pt black, Pt-Ru black, 10wt% Pt-Pd/C, 20wt% Pt-Pd/C의 네종류가 사용 되었으며 부하량은 각각 4mgPt/cm2, 4mgPt/cm2, 6mgctalyst/cm2, 6mgctalyst/cm2 이다. 공급된 개미산의 농도는 9M이다. 실험 결과 20wt% Pt-Pd/C를 사용하였을때 가장 높은 OCP를 보였지만 전류밀도가 증가함에 따라 전압은 급격히 떨어져 전체적인 성능은 Pt black나 Pt-Ru black에 비하여 상당히 떨어짐을 알 수 있다.
5. 결론
개미산의 공급 속도가 전지의 성능에는 커다란 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 또한 전지의 성능이 가장 우수했던 개미산의 공급 농도는 9M이었으며 Pt-Ru 촉매의 경우 8mgPt/cm2 의 부하량일때 성능이 가장 좋았다. 이러한 조건에서 최대 36.6mW/cm2의 전력 밀도를 얻을 수 있었다. Pt-Ru 촉매의 경우 낮은 전위에서 급격한 성능의 저하를 보였는데 이 에 대한 원인을 규명하고 보완 한다면 Pt-Pd 촉매가 개미산 연료전지 시스템에 적합한 촉매로 이용될 수 있다고 판단된다.

키워드

연료전지,   원리,   실험절차