메탄올연료전지실험

목차

1. Introduction..................................................................1

1.1 연료전지............................................................1

1.1.1 연료전지의 개념................................................1

1.1.2 연료전지의 기본반응..........................................1

1.1.3 연료전지 셀의 동작원리........................................1

1.1.4 연료전지의 특징...............................................2

1.1.5 연료전지의 종류................................................3

1.1.6 연료전지의 전망..................................................5

1.2 DMFC.................................................................6

2. Experinamtal....................................................8

2.1 실험 기구 및 시약............................................8

2.2 실험방법......................................................8

3. Results & Discussion..................................9

3.1 Results.................................................9

3.2 Discussion................................................10

Conclusion.................................................12

Reference........................................................12

본문내용

진 MEA를 전류측정장치에 고정시키고 연료가 되는 5mol%의 메탄올을 4ml/min 으로 주입하고 온도를 60℃에 맞추어 놓고 약 30~40분간 로드를 주며 DATA를 측정했다.
3. Results & Discussion
3.1 Results
table 2. Raw data
I
(A)
I
(mA/cm²)
Power (Watts)
Power (mW/cm²)
E_Stack (V)
E_Avg
(V)
E_Anode (V)
E_Cathode (V)
0.01
2.60
0.01
1.28
0.49
0.49
0.49
0.00
0.02
3.75
0.01
1.85
0.49
0.49
0.49
0.00
0.03
5.85
0.01
2.87
0.49
0.49
0.49
0.00
0.04
8.52
0.02
4.14
0.49
0.49
0.49
0.00
0.06
12.70
0.03
6.11
0.48
0.48
0.48
0.00
0.10
20.70
0.05
9.74
0.47
0.47
0.47
0.00
0.16
31.70
0.07
14.60
0.46
0.46
0.46
0.00
0.25
49.90
0.11
22.10
0.44
0.44
0.44
0.00
0.40
79.80
0.17
33.20
0.42
0.42
0.42
0.00
0.63
126.00
0.24
48.10
0.38
0.38
0.38
0.00
1.00
200.00
0.33
66.20
0.33
0.33
0.33
0.00
1.58
317.00
0.39
78.00
0.25
0.25
0.25
0.00
2.36
472.00
0.02
4.23
0.01
0.01
0.01
0.00
table 3. 효율 측정 데이터
I (mA/cm²)
E_Stack (V)
Power (W/cm²)
2.60
0.49
0.00128
3.75
0.49
0.00185
5.85
0.49
0.00287
8.52
0.49
0.00414
12.70
0.48
0.00611
20.70
0.47
0.00974
31.70
0.46
0.0146
49.90
0.44
0.0221
79.80
0.42
0.0332
126.00
0.38
0.0481
200.00
0.33
0.0662
317.00
0.25
0.078
472.00
0.01
0.00423
fig 5. DMFC의 효율 측정
3.2 Discussion
우리는 nafion을 이용해 연료전지를 제작하고 전류측정장치를 이용해 만들어진 연료전지의 효율을 측정하는 실험을 진했했다. 메탄올 연료를 주입해주고 온도를 60℃까지 맞춘다음 지속적으로 스트레스를 주며 전지의 데이터를 얻었다. fig 4에서 보는 바와 같이 table2의 데이터를 바탕으로 해서 DMFC의 효율을 측정해 나타내었다. 효율 측정을 위해 table1에서 mA/cm², V, W/cm² 값을 추출해 그래프로 나태내었는데 그 결과는 그림을 통해 확인할 수 있다. 이론상 연료전지의 전압은 대략 0.94~1V 미만인 것으로 나와 있지만 우리의 실험을 통해 얻은 값은 약 0.5V 정도인 것으로 나타나 이론값 보다 잘 나오지 않았다는 것을 알 수 있다.
이 같은 결과는 실험에 있어서 효율을 방해하는 요소가 있었다는 사실을 보여준다. 우선 가장 먼저 손 꼽히는 이유는 스트레스에 있다고 생각된다. 실제적으로 정확한 실험을 위해서는 스트레스를 약 24시간 이상 걸어주어야 하는데 이번 실험에서는 약 30~40분에 그쳐 측정 효율을 떨어뜨리지 않았나 생각된다. 또다른 한가지는 메탄올의 크로스오버 현상이다. DMFC에서는 메탄올의 수소이온이 고분자전해질 막을 통해 anode쪽에서 cathode쪽으로 이동되는데 이때 메탄올이 직접적으로 전해질막을 통과하는 crossover 현상이 일어나 전체적인 반응의 효율을 떨어뜨리는 것이다. 이러한 활성손실(kinetic loss) 이외에도 전지의 내부저항에 의한 손실이 있을수도 있으며 이러한 요소들이 복합적으로 혹은 단일 요소로 작용해 결국 DMFC의 실제 성능을 이상적인 전위차보다 적게 나타나게 한 것으로 보인다.
Conclusion
이번 실험에서는 메탄올을 직접 연료로 이용하는 DMFC를 제작하고 효율을 측정해보았다. 처음 이론 강의를 들었을 때는 연료전지란 분야에 대해서 아는것도 많지 않고 생소해 매우 복잡하고 어려울 거라고만 생각 되었는데 막상 실험을 진행하고 보니 제작이나 원리등 모두가 의외로 간단하고 쉽게 이해할 수 있었다. 실험을 통해 얻은 데이터를 그래프로 나타내어 확인한 결과 걸어주는 스트레스에 반응해 전압이 변하는 것을 확인 할 수 있었다. 최종적으로 구해진 결과가 0.5V로 이론치보다 적다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과가 나온 정확한 이유는 확인할 수 없었지만 다음 몇가지 중 하나가 원인이 아닐까 생각된다.
먼저 스트레스를 걸어준 시간이 매우 짧아 충분한 데이터를 얻지 못했다는 사실과 메탄올의 크로스오버 현상이다. 메탄올의 경우 이런 상황을 감안해서 5mol%의 농도로 실험을 했지만 쉽게 배재할 순 없는 것 같다. 다음으로는 촉배를 nafion 표면에 코팅할 때 고르게 분산되지 않았을 경우이다. 코팅 과정 자체가 수작업이기 때문에 매 실험마다 같은 결과가 나오지 않았을 수도 있고 따라서 촉매가 균일하지 않게 코팅되었다면 전지의 효율이 떨어질 만한 충분한 이유가 되었을 것이다. 또 다른 이유로는 앞서 실험 했던 다른조의 경우에선 가열압착을 통해 전극 사이를 가깝게 만들어 효율을 높였다고 했는데 우리 실험에서는 그 과정이 빠져 있었기 때문에 이러한 결과가 나온 것 같다.
비록 좋은 결과가 나온 실험은 아니었지만 이 실험을 통해서 연료전지의 원리와 구조, 가능성, 특히 DMFC 대해서 조금더 확실히 알 수 있었던 계기가 되었던 것 같다.
Reference
[1] James Larminie, Andrew Dicks 저, 연료전지 시스템, 도서출판 아진, 2007 p3-25, p183-191
[2] 혼마 타쿠야, 그림으로보는 연료전지, 교보문고, 2007 p26-34, p41-75
[3] 혼마 타쿠야, 연료전지의 활용, 전파과학사, 2005 p15-29, p124-126
[4] 다음 블로그, http://blog.daum.net/matecho/7075236

키워드

메탄올,   연료,   전지