연료전지실험

목차

Abstract

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

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

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

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

1.1. 연료전지란 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1.2. 연료전지의 작동원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1.3. 연료전지의 종류 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

1.4. 직접메탄올 연료전지 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․8

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

2.1. 실험기구 및 시약 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

2.2. 실험 방법 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

3. Result & Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․14

3.1. Result ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 14

3.2. Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 16

4. Conclusion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․18

Reference

본문내용

험 결과, 문헌값과 거의 같았다. 전류밀도가 낮은 부분부터 높은 부분까지 그래프가 매끄럽게 그려졌다는 것을 알 수 있었다. 이론적으로는 anode 전위가 가역 수소 전극에 대해 0.046V 이상이 되면 자발적으로 메탄올의 산화반응이 일어나야하며, cathode 전위가 1.23V이하가 되면 산소의 환원반응이 자발적으로 일어나야 한다. 그러나 실제로는 전극의 반응활성이 낮기 때문에 이상적인 열역학적 값에서 벗어나게 된다. 또한, DMFC에서는 메탄올이 고분자전해질 막을 통해 anode쪽에서 cathode쪽으로 이동되어 cathode의 과전압(overpotential)을 높이는 crossover 현상이 나타나게 된다. 전해질은 수소이온 교환막이므로 막은 쉽게 메탄올을 흡수한다. 투과한 메탄올은 양극 근방에 존재하는 산소와 직접 반응하여 물과 CO2로 된다. 결과적으로 메탄올이 발전에는 기여하지 않게 됨으로, 이것도 손실이 되었을 것이다. 따라서 Figure 13, 14처럼 실제로 나타나는 값은 이론값보다 작다. 활성손실(kinetic loss) 이외에도 전지의 내부저항에 의한 손실 즉, ohmic loss Ohmic loss 저항손[抵抗損](Ohmicloss;Resistance loss) : 저항에 의한 전력손실로서 저항을 통한 전류치의 제곱으로 표시되며, 이 분이 열손실로 상실된다. 이것은 동손이라고도 하는 것으로 송전선등에서도 1.5~20% 저항선이 있는 것이다. 오옴(ohm)손이라고도 한다[6].
가 생기게 되어 결국 DMFC의 실제 성능은 이상적인 전위차인 1.18 V보다 좀 더 작게 나타났다고 볼 수 있다[4].
또한 문헌을 찾아보면 메탄올의 농도를 높여주면 일시적으로 성능이 증가한다고 적혀있다. 하지만 high current 영역에서는 crossover로 인한 성능 감소가 많은 연료의 공급으로 인한 영향보다 커짐으로써 결국 성능이 낮아진다고 하는데 이번실험은 메탄올의 농도를 잘 맞춘 것 같다.
보통 실험에선 stress를 24시간 정도 주어야 MEA가 aging aging : 숙성과 비슷한 의미로써 특정 조건하에서 cell에 일정한 시간동안 스트레스를 줘서 원자나 전자배열이 고르게 분포하여 더욱 좋은 효율을 나게 하는 것
되면서 전지가 재성능을 발휘한다고 들었다. 이번 실험에서는 stress시간이 턱없이 부족한 것에 비하면 데이터 값이 충분히 잘 나온 것 같다. 하지만 좀 더 시간을 투자 했더라면 더욱 좋은 성능의 cell이 만들어지지 않았을까하는 기대도 충분히 해볼 수 있었다.
Catalyst coated membrane형태 CCM이라고 하는데 이온 전도도와 전기전도도에 영향을 준다고 알려져 있다. 이는 스프레이 과정 중에 촉매가 뭉치는 현상 때문에 일어나는데, 이는 실험 수업시간에 강조하였던 촉매층의 균열 때문에 경계면에서 접촉 저항을 발생시킨다고 한다. 우리조는 실험당시 Pt-black을 담아둔 바이알 병이 분산과정에서 파손되었다. 그래서 다시 제조를 하였는데, 이 시간 덕분에 오히려 차분히 스프레이를 할 시간을 벌었다. 그래서 더욱 꼼꼼하게 코팅을 할 수 있지 않았나 생각한다.
이번 실험에서는 최대 동력밀도가 2545mW/cm²로 나왔다. 동력밀도 (power density)는 전위와 전류밀도의 곱인데, 그래프에서 보면, 연료전지에서 도달할 수 있는 최대 동력밀도가 존재하는 것 같다. 이상적인 값은 찾지 못하였다.
실험 간 오차를 좀 더 보완 한다면 이보다 좀 더 높은 값도 나올 수 있지 않나 생각한다.
Conclusion
이번 실험은 DMFC를 제작해 봄으로서 원리와 과정을 이해하고 효율을 측정해 보는 것이였다. 우선 결과적으로 확인해 볼 수 있는 OCV가 거의 문헌값과 일치했다. 그리고 거의 일정한 상태로 유지하다가 선형에 가깝게 감소하는 것을 볼 수 있었다. 문헌값에 나타나는 알려진 효율감소를 제외하고 실험 결과에 영향을 주는 요인을 생각해 보면 촉매제 제조, 도포, 연료의 농도 그리고 압착, stress주는 시간인데, stress는 일정하게 주고, 촉매제도 만드는 재료가 정해져 있기 때문에 촉매 코팅과 압착을 생각해 볼 수 있다. 촉매 코팅은 손으로 코팅해야 하기 때문에 개인차가 난다고 생각해 볼 수 있다. 그런 점에서 문헌값과 비슷하게 나왔다는 것은 일반적으로 DMFC 제조 시 이런 방식으로 만든다면 비교적 좋은 효율의 cell을 만들 수 있다고 생각할 수 있다. 고르게 분사를 하였기 때문에 일어날 수 있는 여러 문제점(갈라짐, 뭉침으로 인한 효율, 전압, 전류의 불안정, 등)이 일어나지 않았기 때문에 효율 측정 시 큰 어려움을 느끼지 않고 실험을 끝마칠 수 있었다.
조교선생님께서 가열 압착을 4조에 한해서 했고, 이 때문에 효율이 좋게 나온것 같다고 하셨다. 압착을 하면 압착을 하지 않은 것 보다 전극과 전극 사이가 가까워지고 이로 인해 저항도 줄어들면서 보다 좋은 효율을 낼 수 있다는 내용이였다. 가열 압착 시 조가 참여하지 못하여 이 부분의 과정에 대해 실질적으로 보다는 이론적으로 생각해야 했다. 이론적으로 고려를 했지만 매우 중요한 공정이라고 볼 수 있다.
비록 실험 중에 작은 여러 가지 사고로 실험시간이 어떤 조보다 지연되었지만 그만큼 DMFC의 제작과 과정을 면밀히 살필 수 있는 좋은 기회였다. 또한 실험 첫 시간과 같이 마지만 시간에도 리뷰할 수 있는 시간을 주셔서 보다 확실한 실험 수업이 될 수 있도록 노력을 해주신 조교선생님께 감사를 드리고 늦은 시간까지 열심히 했던 조원들 덕분에 좋은 결과가 나온 것 같다.
References
[1].고영태, 이진홍, 공업화학, 3 (4) (1992) 574.
[2].연료전지 종류및 특성, http://blog.naver.com/ph824204/140004050490
[3].오인환, 하흥용, 이태희, 화학공업과 기술, 16 (5) (1998) 431.
[4].전민구, KAIST, 생명화학공학과, 직접 메탄올 연료전지의 성능 저하 연구
[5].네이버 지식검색, Nl/min이란
[6].전기용어 자료실, ohm loss란, http://blog.naver.com/roadpass/6081965

키워드

연료,   전지,   DMFC