Polymer Electrolyte Fuel Cell의 성능 측정 실험 레포트(예비+결과)

소개글

Polymer Electrolyte Fuel Cell의 성능 측정 실험 레포트(예비+결과)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

목적
이론
실험방법
결과 및 토론
결론
참고문헌

본문내용

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0.2124
1100
0.44925
0.291833333
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0.51525
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0.584166667
0.4665
600
0.6065
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0.9518
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1) 연료전지의 작동 원리와 구성
기존의 가솔린 내연기관이 석유 등 혼합연료를 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리는 데 비해, 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌리게 되어 있다. 이 때 전기보터를 돌리는 에너지를 생산해 내는 것이 바로 연료전지이다.
연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다. 연료(수소)를 연소 과정 없이 전기로 직접 바꾸어 주는 에너지 변환장치(배터리)인 셈이다.
연료전지의 음극을 통하여 수소가 공급되고, 양극을 통하여 산소가 공급되면 음극을 통해서 들어온 수소분자는 촉매에 의해 양자와 전자로 나누어진다. 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 양자는 연료전지의 중심에 있는 전해질을 통해 흘러가고 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며 양극에서는 다시 산소와 결합하여 물이 된다.
연료전지를 이용한 발전시스템은 크게 연료변환기, 연료전지(fuel cell stack), 인버터 세부분으로 구성된다.
연료변환기는 천연가스나 메탄올, 가솔린 등의 탄화수소 연료를 진한 수소가스로 변환시켜주는 장치이다. 이렇게 변환된 수소가스와 공기 중의 산소는 전류를 얻기 위해서 연료전지스택으로 공급된다. 연료전지스택 내에서 화학반응으로 발생된 전류는 DC전류이며 인버터를 통해 AC전류로 변환된다.
현재 개발 중인 연료전지는 수소와 메탄올, 청정 가솔린 등을 연료로 이용하고 있으며 수소는 직접 에너지로 사용되고 메탄올과 청정 가솔린은 일단 수소로 전환시킨 뒤 모터를 돌리는 에너지를 생산하게 된다. 따라서 수소를 직접 에너지로 사용하는 연료전지차의 경우 연료변환기장치가 필요없다. 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40~60%로 에너지 효율이 극히 높으며 물 이외에는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지이다.
2) 가습된 공기를 넣어 줄 때 전압이 더 높은 이유
실험에서는 수소유량이 아닌 Wet 상태인 공기를 이용하여 효율을 알아보는 것이다. 가습된 공기를 넣어 줄 때 전압이 더 높은 이유는 공기 속에 수분이 포함되어 있으면 수소 이온은 물질 내부를 자유롭게 이동 할 수 있기 때문이다. 또한 수소 이온의 전도도는 수분의 양에 비례한다. 전해질과 연결된 전극에 수분의 양이 과도하게 됨으로써 전극이나 가스 확산 층의 미세한 공기구멍을 막지 않도록 해야 한다. 이상적인 양의 수분공급을 위해서 공기나 수소 또는 양쪽 모두를 셀에 공급하기 전에 가습을 시키는 것이다. 이렇듯 공기를 가습하면 수분관리가 가능하고 더 높은 전압을 얻을 수 있다.
3) Polarazation Curve와 각 Loss에 대해서 조사
연료전지 전압은 전류가 0일 때의 전압(OCV)에서 활성화에 따른 손실, 농도(또는 물질전달)에 의한 손실, ohmic 손실을 뺀 값으로 나타난다. 이론적으로 OCV는 산소 환원 반응과 수소 산화 반응의 평형 전위의 차이와 일치한다. 그 값은 25℃, 1bar 조건에서 1.23V이다. 그렇지만 실제 운전조건에서는 약 1V를 나타낸다.
연료전지가 운전되는 동안 OCV는 전해질 막을 통한 수소의 이동으로 인한 반응물의 분압 감소 때문에 이론값과 달라지기도 하고, mixed cathode potential의 결과로 백금 촉매 표면과 불순물 산화 반응에 의해 일어날 수도 있다. 또한 두 전극에서 일어나는 전자의 이동 반응의 느림 때문에 성능의 감소가 일어나는 활성화 손실이 원인이 된다. 활성화 손실은 운전 초기 낮은 전류밀도에서 나타나는데 주요 원인은 수소극 또는 연료극에서의 수소 산화 반응보다 느린 공기극에서 일어나는 산소 환원 반응이다. 활성화 손실은 촉매(오염, 용해 등에 의한)와 이오노머(용해, 오염 등에 의한)의 성능이 감소할수록 증가하게 된다.
물질 전달 손실 또는 농도 손실은 반응 가스들이 공급되는 채널로부터 전기화학 반응이 일어나는 곳까지 이동하는 데에 대한 제한 요소들에 의해 나타난다. 물질 전달 손실은 주로 고 전류밀도 영역에서 지배적으로 나타난다. 이것은 대개 부적절한 물 관리, 불충분한 반응 가스 공급, GDL의 오염과 관련되어 있다.
ohmic손실은 전지 전체를 구성하는 요소들에서 일어나는 전하 이동에 대한 저하 때문에 발생한다. 전해질막 건조, 전해질막 오염, 전지구성요소의 접촉 저항, 열 사이클링, 금속 분리판 부식 등과 같은 이유로 일어나며 이들은 대개 전지가 본래 가지고 있을 수밖에 없다.
4) 2차전지(충전지)와 연료전지의 차이는?
2차 전지는 외부의 전기에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때 전기를 만들어 내는 장치이다. 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 축전지, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지가 있다.
연료 전지는 일종의 발전 장치라고 할 수 있다. 산화 환원 반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되며 반응생성물이 연속적으로 계 외로 제거된다. 알카리, 인산형, 용융탄산염형, 고체 산화물형, 고분자 전해질 형 등이 있다.
5. 결론
가습한 공기를 넣어줬을 때의 전압이 가습하지 않은 공기를 넣었을 때 보다 높은 것을 실험을 통해 알 수 있다.
6. 참고문헌
‘현대물리학’ A.Beiser저, 정원모 번역.
‘고체전자공학’, Streetman, Ben G, 喜重堂, 1991.
‘전자재료실험 매뉴얼’.

키워드

Polymer Electrolyte Fuel Cell,   Fuel Cell,   연료전지,   Polarization Curve,   수소연료전지,   퓨어셀,   퓨어셀 성능