연료전지실험

목차

Abstract

Table of contents ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅰ

List of figures ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅱ

List of tables ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅲ

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

1-1. 연료전지 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1-1-1. 연료전지의 정의 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1-1-2. 연료전지의 원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․2

1-1-3. 연료전지의 특징 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

1-1-4. 연료전지의 연료 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

1-1-5. 연료전지의 종류 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․4

1-2. DMFC ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․7

1-2-1. DMFC의 원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․7

1-2-2. DMFC의 구성요소 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․8

1-2-3. DMFC의 장·단점 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․10

2. Experiment ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

2-1. 실험 장치 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

2-2. 실험 방법 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

3. Result & Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16

3-1. Result ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 16

3-2. Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 17

4. Conclusion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․20

Reference

본문내용

크로스오버(methanol crossover)가 가장 큰 오차를 초래했다고 본다. 메탄올 크로스오버는 연료 중의 미반응 메탄올이 전해질막을 투과하여 양극에 도달해서 여러 가지 장애를 일으키는 것을 말한다. 전해질은 수소이온교환막이므로 막은 쉽게 메탄올을 흡수한다. 투과한 메탄올은 양극 근방에 존재하는 산소와 직접 반응하여 물과 CO2로 된다. 결과적으로 메탄올이 발전에는 기여하지 않고 타 버리게 되므로, 연료를 헛되게 낭비하는 일이 됐고, 이 때문에 양극의 산소 농도가 저하되어 전위가 낮아지게 되므로 이것도 손실이 됐다.
DMFC는 음극의 반응이 느리기 때문에, 메탄올의 농도를 높여서 전류를 많이 얻어 내고 싶지만, 그렇게 되면 메탄올 투과가 증가하게 된다. 1M 메탄올을 주입하기 전에 100 mole% 메탄올을 주입했었다. 그 때 high voltage 영역에서 메탄올의 crossover에 의한 cell potential 감소보다 많은 연료의 공급으로 인한 성능 증가가 더 커 1M을 주입하였을 때보다 성능이 높게 나타났다. 하지만 차차 high current 영역에서는 crossover로 인한 성능 감소가 많은 연료의 공급으로 인한 영향보다 커짐으로써　전지의 성능이 감소했다고 생각했다. 그래서 1M 메탄올을 주입하여 실험했을 때 성능이 많이 떨어졌을 것이라 추측한다.
이번 실험에서의 저항 손실과 농도 손실을 그래프를 통해 알아볼 수 있었다. 전해질 중의 이온 흐름에 대한 저항, 전기 전도성 연료전지 부품을 통한 전자 흐름에 대한 저항 손실은 전류밀도에 정비례한다. 전류밀도가 증가하면서 작은 저항으로 완만한 기울기를 볼 수 있었다. 그리고 전극에서의 전기화학 반응에 의해 반응물이 빨리 소비되지 않아 농도 구배가 생기지 않은 것으로 보인다.
낮은 효율의 원인으로는 stress가 있다. 보통 stress를 12시간 정도 주어야 MEA가 aging 되면서 전지의 성능이 최고로 증가하는데 이번 실험에서는 충분한 stress를 주지 못했다. 또한 그래프의 불안정을 보아 stress로 인해 전자가 튀어 순간 voltage가 갑자기 상승한 것으로 보인다. 전자가 튀는 현상은 불량한 MEA 상태를 반영하고 있다.
이번 실험에서 사용한 CCM(Catalyst coated membrane)형태는 ohmic polarization 영역에서 전압이 완만하게 떨어지는 부분에서 이온 전도도와 전기전도도에 영향을 준다는 것을 알 수 있다. Pt black 스프레이 과정 중에 촉매가 뭉치는 현상을 확인할 수 있었다. 이는 촉매층에 생긴 균열과 전해질 막과 촉매층 사이의 경계면에서 접촉 저항을 발생시켰으며, Nafion dissolution의 증가는 접촉 저항의 증가를 가져온 것으로 보인다.
분극곡선은 연료전지의 가장 중요한 특성이다. 연료전지의 진단 목적으로 사용할 수도 있고, 규모 결정과 제어 목적으로도 이용할 수 있다. 전위-전류 자료를 재구성하면 연료에 관한 다른 정보도 얻을 수 있다. 예컨대 동력밀도(power density)는 전위와 전류밀도의 곱이다. 동력밀도-전류밀도 관계는 동일한 선도에 분극곡선과 함께 나타낼 수 있다(Fig. 1). 이러한 그래프에서 보면, 연료전지에서 도달할 수 있는 동력 밀도에는 최대값이 있음을 알 수 있다. 이 동력의 최대값 이상으로 연료전지를 가동한다는 것은 의미가 없다고 한다. 이보다 낮은 전류와 높은 전위에서도 동일한 동력을 얻을 수 있기 때문이다. PEM 연료전지에서는 1W/cm² 이상의 동력밀도가 보고되어 있지만, 이번 실험에서는 동력밀도가 최대 18mW/cm²으로 나왔다.
4. Conclusion
이번 실험에서는 교수님의 이론 강의를 토대로 하여 메탄올을 연료로 하는 DMFC를 제작 해보았다. 실험 결과, OCV가 문헌값(0.94~0.97V)과 0.45V정도의 큰 오차를 보였다. 이에 대한 원인으로는 DMFC의 메탄올 크로스오버(methanol crossover)와 촉매가 Nadion 막에 고르게 분사 되지 않았다는 점을 들 수 있다. 메탄올 크로스오버(methanol crossover)는 연료 중의 미반응 메탄올이 전해질 막을 투과하여 양극에 도달해서 여러 가지 장애를 일으키는 것을 말한다.
이번 실험으로 촉매를 얼마나 고르게 분사 하느냐에 따라 효능이 달라짐을 알 수 있었다. 분사 시에는 고르게 분사 하기위해서 질소 가스와 함께 천천히 분사 해야 하고, 분사함과 동시에 건조를 시켜야 cracking이 덜 가게 됨을 알았다. 그래서 실험 시 분사 시 드라이기와 질소가스로 건조 했었다. 또한 stress를 12시간 정도 주어야 MEA가 aging 되면서 전지의 성능이 최고로 증가한다는 것을 배웠고, MEA상태가 불량할수록 stress로 인해 전자가 튀어 순간 voltage가 갑자기 상승하는 현상이 일어남을 알 수 있었다. 효율 측정 시에는 cell을 균형적으로 같은 힘으로 압축하기 위해서 볼트를 최대한 같은 힘으로 대각선으로 조여 줘야 함을 알았다. 연료 주입 시에는 분당 1ml의 속도로 메탄올을 주입해야함을 알았다. 하지만 실험 시에는 속도 조절이 쉽지 않아 희석한 메탄올을 썼다.
장시간동안 제작했음에도 불구하고 비교적 효율이 좋지 못하였지만 이러한 과정을 통하여 제작함으로써 DMFC의 구조를 제대로 파악할 수 있었다. 또한 메탄올이 어떻게 들어가서 연료로 사용되는지, 물이 어떻게 배출이 되는지 이론적으로만 익혀온 메카니즘을 파악할 수 있는 좋은 기회였다.
References
[1] 권경현, 그림으로 보는 연료전지, 교보문고, (2007) 80~83.
[2] Frano Barbir, 고분자 연료전지 공학 이론과 실제, 도서출판 북스힐, (2007) 41-66.
[3] James Larminies, Fuel cell systems expleained, wiley, (2003)183-202.
[4] 조성민, 직접 메탄올 연료전지의 제작 및 동작 특성 연구, 성균관대학교, O-5, pp21-26.
[5] 성명은, 2007, MEA 제조 방법에 따른 직접 메탄올 연료전지의 성능저하 현상 평가, 서울대학교, Vol. 3, pp.61-66.

키워드

연료,   전지,   신재생