국민대) 고분자전해질 연료전지 실험

목차

1. 실험결과

가. 모형 연료전지 시스템 실험

나. 단전지 실험

1) 연료전지의 종류와 구조(cathode, anode)?

2) 저온형 연료전지

2) 태양광 발전의 원리와 구조?

3) 광원의 위치를 변화시켰을 경우에 성능의 차이가 나는 이유?

4) 연료전지의 효율이 낮아지는 원인과 효율을 높이기 위한 방법은?

5) 다음 제원의 연료전지의 성능곡선을 그려보시오.

6) 아래의 성능식을 이용하여 실험에서 얻어진 전류 전압곡선을 Fiffing 하시오.

본문내용

module)과 축전지 및
전력변환장치로 구성됨
태양광 에너지를 받아들여 태양전지로 발전한 직류전력을 전원공급장치를 이용하여 한국전력과 동일한 교류전력으로 변환하여 가정 내의 다양한 가전제품에 전기를 공급한다.
일반계통 연계방식의 태양광발전시스템은 한국전력의 배전선과 연결 되어 있으므로 발전전력이 소비전력을 상회한 경우에는 한국전력으로 송전하여 전기를 판매할 수 있다. 반대로 눈ㆍ비로 인하여 발전한 전력이 부족할 때나 야간 등은 종래와 마찬가지로 한국전력의 전기를 사용하면 된다. 그리고 이러한 전기를 주고받는 것은 자동적으로 이루어지므로 평소의 조작은 일체 불필요하다.
3) 광원의 위치를 변화시켰을 경우에 성능의 차이가 나는 이유?
광원의 거리를 가까이 할수록 빛의 세기가 강해지기 때문에 전기분해가 활발하게 일어날 것이다. 따라서 연료전지의 성능이 더 좋아지기 때문에 전류와 전압의 세기가 거리가 작을수록 더 큰 값을 나타낸다. 또한, 같은 거리일지라도 광원이 비추는 각도에 따라서도 연료전지의 성능이 달라질 수 있다. 따라서 광원의 거리와 각도를 조절하여 단위 면적당 입사량을 크게 하는 것이 성능의 관권이라 할 수 있다.
4) 연료전지의 효율이 낮아지는 원인과 효율을 높이기 위한 방법은?
- 농도 손실
음극측(anode)에는 수분공급이 부족한 경우 고분자 전해막에서 수분의 증발로 인해 수분함량 및 이온전도도가 낮아져 성능이 감소하는 Dry-out 현상이 일어나 효율이 낮아지게 된다.
양극측(cathode)에는 수분의 생성으로 인해 촉매층, 확산층, 유로에 액상의 수분이 존재하여 촉매의 활성을 떨어뜨리고, 기체의 확산을 방해하며, 유로를 막아버리는 Flooding 현상이 일어나 효율이 낮아지게 된다.
이를 해결하기 위하여 음극측(anode)에는 일정한 양의 물을 계속 공급하는 시스템을 설치하고, 양극측(cathode)에는 습기가 없는 공기를 공급하여야 한다.
- 활성화 손실
촉매 측에서의 느린 전기화학 반응속도에 의하여 발생하는 비가역적인 손실이 발생하여 효율이 낮아지게 된다.
이를 해결하기 위하여 다공성 물질을 사용할 수 있다. 다공성 물질을 이용하여 연료 전지에서 나노수준의 기공을 가진 물질이 더 많은 표면적을 통하여 촉매와 반응할 수 있는 면적을 넓혀주어 효율을 높여준다.
5) 다음 제원의 연료전지의 성능곡선을 그려보시오.
Constant
Ballar Mark V(PEMFC at 70℃)
EMF
1.031 V
R
2.45×10 kΩ cm
A
0.03 V
m
2.11×10 V
n
8×10 cmmA
성능식 : V=EMF-R×I-A×ln(I)-m×exp(n×I)
I가 1에서 1280 mA/cm까지 증가하는 경우 전압 V를 엑셀에서 그리시오.
6) 아래의 성능식을 이용하여 실험에서 얻어진 전류 전압곡선을 Fiffing 하시오.
V = EMF - R×I - A×ln(I/I) - B×ln(1-I/I)
EMF = 1.0 V
I = 1.0×10
I = 실험에서 결정된 한계전류(Limiting current)
광원 (20cm)
I
V
FIT
error
0.003
0.7
0.6720791
0.0007796
0.005
0.6
0.6166859
0.0002784
0.009
0.5
0.5169805
0.0002883
0.021
0.23
0.2404657
0.0001095
0.022
0.24
0.2178902
0.0004888
0.027
0.1
0.1035568
1.265E-05
0.017
0.33
0.3310655
1.135E-06
　
　
sum error
0.0019585
EMF
I0
IL
R
A
B
1
1.00E-07
0.028
21.054386
0.0590819
0.0048919
광원 (50cm)
I
V
FIT
error
0.002
0.49
0.352927
0.018789
0.003
0.38
0.3138115
0.0043809
0.004
0.25
0.2823131
0.0010441
0.005
0.05
0.2551288
0.0420778
0.017
0.11
0.059089
0.0025919
0.025
0.17
0.1773324
5.376E-05
　
　
sum error
0.0689376
EMF
I0
IL
R
A
B
1
1.00E-07
0.026
19.569418
0.1438778
-0.31323
6)의 그래프는 5)의 그래프와는 많은 차이를 보였다.
Fitting을 했지만 20cm광원일 때는 데이터 값이 직선으로 큰 폭을 이루며 떨어졌으며, 50cm 광원일 때는 감소하다가 몇 개의 데이터가 경향을 벗어났다. 이렇게 완만하지 않고, 경향에서 벗어난 데이터는 저항이 작아서 전압이 줄어드는 양이랑 만드는 양에 차이가 생김에 따라 발생하는 오차일 수 있다. 뿐만 아니라, 저항 값을 바꾸자마자 바로 데이터를 측정한 것도 영향을 끼칠 수 있다. 실제로 20cm광원의 저항이 1Ω일 때, V값이 0.33이었다가, 조금 시간이 지난 뒤 0.3으로 변해 있는 것을 볼 수 있었다. 좀 더 큰 장치를 이용하여 전압과 전류의 값을 크게 설정하여 변화양상을 관찰 했다면, 좀 더 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터를 얻었을 것이다.
- 소감
연료전지 관련 실험을 두 번째로 접하게 되었다. 저번 실험과 비슷하게 연료전지의 원리와 구조를 살펴보았고, 전류에 따른 전압과 출력 그래프도 그려보았다. 차이점이 있다면, 측정 데이터를 Fitting하는 작업을 해보고, 빛의 세기, 즉 외적인 요인을 변수로 바꿔가면서, 연료전지 내부에서 어떤 변화 양상을 보이는지 까지 더 상세하게 탐구해 보았다.
동영상 강의에서, 가장 초점이 되게 들었던 점은 연료전지의 장점이었다. 연료전지는 저공해, 고효율의 에너지일 뿐만 아니라, 설치가 간편하고, 저소음이라는 점이 매력적이었다. 이러한 강점을 가지고 있는 연료전지를 최대한으로 활용하는 것은 우리 엔지니어의 몫이다.
연료전지에도 약점이 있다. 현재 연료전지에 사용하는 촉매로 백금을 사용한다고 하는데, 백금이 귀금속이라 가격이 비싸고 물량이 부족하다고 한다. 연료전지의 상용화에는 백금을 대체할 수 있는 효율적이면서도 적절한 가격의 촉매 대체재 개발에 좀 더 심혈을 기울여야 할 것이다.

키워드

모형 연료전지 시스템 실험,   I-V 선도,   I-V curve,   I-V,   I-V 성능 곡선,   단전지 실험,   연료전지의 종류와 구조,   태양광 발전 원리