연료전지실험

목차

ABSTRCT Ⅰ

TABLE OF CONTENT Ⅱ

LIST OF FIGURE Ⅲ

LIST OF TABLE Ⅳ

1. INTRODUCTION

1.1. 연료전지의 역사 1

1.2. 연료전지의 동작원리 2

1.3. 연료전지의 종류 2

1.4. 연료전지의 특징 3

1.4.1. 인산형 연료전지(PAFC) 4

1.4.2. 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 4

1.4.3. 고체전해질형 연료전지(SOFC) 4

1.4.4. 고체고분자형 연료전지(PEFC) 4

1.4.5. 직접 메탄올형 . 연료전지(DMFC) 5

1.4.6. 재생형 연료전지(Regenerative Fuel Cell) 5

1.5. 연료전지의 응용 분야 5

1.6. 연료전지 개발 동향 7

1.7. DMFC 7

1.7.1. DMFC 란? 9

1.7.2. DMFC의 시장동향 10

1.7.3. DMFC의 제조업체 10

2. EXPERIMENTAL

2.1. 실험기구 및 시약 11

2.2. 실험 방법 11

3. RESULTS & DISCUSSION

3.1. Raw Data 13

3.2. Discussion 14

4. CONCLUSION 15

REFERENCE 16

Figure 1. 연료전지의 동작원리(PEFC)림 1

Figure 2. 연료전지시스템 구성도 2

Figure 3. 송배전 시스템 5

Figure 4. 연료전지의 응용분야 사례 1 6

Figure 5. 연료전지의 응용분야 사례 2 6

Figure 6. 연료전지의 응용분야 사례 3 7

Figure 7. Scheme of DMFC 9

Figure 8. DMFC의 판매대수 전망 10

Figure 9. DMFC의 효율측정 13

본문내용

데이터로부터 시간에 따른 전류와 전압, 전류밀도 등에 관한 정보를 알 수 있다. 20sec부터 200sec까지의 시간에 따라 전류밀도와 Power가 증가하다가 200sec부근에서 감소하는 것을 확인할 수 있다. V의 경우 180sec에서부터 감소한다. 아래는 DMFC의 효율을 측정을 확인하는 graph이다.
Figure 9. DMFC의 효율측정
Fig. 9은 DMFC의 효율측정결과를 나타낸 그래프이다. 20~100mA 의 stress를 약 30분 측정한 결과로써 DMFC의 효율을 전류밀도인 에 대한 와 V값을 나타내었다.
Discussion
실험결과인 Table 3.을 이용하여 그린 graph인 Fig. 8을 확인하면 문헌 값에 의하면 전압은 0.94~0.97V정도이다. 실험결과 값과 문헌 값이 0.4V정도의 오차를 확인 할 수 있었다.
그래프를 확인하면 전류밀도는 Power에는 반비례하여 감소하는 것을 볼 수 있으며 전압의 경우 일정부근까지 상승하다가 다시 감소하는 모습을 볼 수 있다. 효율은 전압이 가장 높이 상승한 부분에서 측정할 수 있으며 길게 나오는 것이 좋다.
180~200sec에서 전류밀도가 79.651(mA/cm²)에서 35.600(mA/cm²)로 갑작스럽게 떨어지는데 이 부분은 그래프에 궤도에서 벗어난 것을 확인하였다. 이는 만들어진 연료전지의 전압이 손실됨을 확인할 수 있다. 이는 전극에서의 활성화 손실이 전극에서 일어나는 전자이동을 시키는 화학반응을 위한 발생전압의 일부가 loss되기 때문이다. 그리고 또한 methanol crossover 현상도 효율을 감소시켜 오차를 발생시키는 원인이라고 생각한다.
대부분의 메탄올은 anode에서 쉽게 산화되어 대부분은 가 되나 일부는 전해질로 사용되는 perfluorinated 막(Nafion 막)을 수화된 메탄올 상태로 이동하기 쉽기 때문에 cathode에서의 직접 산화반응이 진행되는 crossover현상이 일어난다고 보고되고 있고 이러한 crossover 현상은 DMFC의 성능을 저하시키는 주원인으로 지목되고 있다[6]. 이러한 crossover는 만이 아닌 메탄올이 Nafion막을 쉽게 투과하기 때문에 Nafion막을 대체하는 새로운 막이 필요할 것이다.
crossover현상은 여러 가지 원인에서 일어나는데 그 원인은 다음과 같을 것이다. 단위 전지에서의 메탄올 연료극의 유속의 증가는 반응에 필요한 양보다 오히려 과도한 메탄올 양을 공급하여 전극 표면에서의 메탄올 농도가 증가시키므로 메탄올의 crossover의 속도를 증가시켰을 것이다.
그리고 만약 crossover의 양은 적지만 연료인 메탄올이 반응에 필요한 만큼 충분히 공급되지 않는다면 수소이온의 농도가 감소가 수소이온의 확산속도를 지연시켜 효율이 감소하였을 것이다. 또한 낮은 효율의 원인으로는 stress가 있다. 일반적으로 가해주어야 하는 stress는 12시간 정도로 MEA가 aging되면서 연료전지의 성능을 최대화 할 수 있다. 하지만 실험에서는 30분간의 시간동안 stress를 줌으로써 충분한 stress를 주지 못했다. 그리고 촉매 분사 시에 얼마나 고르게 분사했는가도 효율에 영향을 주었을 것이다.
다양한 원인이 있겠지만, 위에서 언급한 오차에 따른 그래프의 불안정한 곡선 및 결과 data는 실험에 관해 보안함에 있어 더 나은 결과를 가져올 것이다.
CONCLUSION
직접 메탄올 연료전지를 만드는 실험은 DMFC의 구조와 원리 및 세밀한 실험과정을 이해하며 만들어진 효율을 측정하는 실험이다. 실험에 앞서 DMFC의 원리를 간략하게 배우고 그에 관련되어 나오는 용어에 대해 세세하게 짚어가면서 실험과정을 이해하였다.
효율 측정결과 OCV값은 문헌 값과 많은 차이를 보였다. 또한 시간에 따라 측정된 전류밀도에 따른 Power 및 V의 값을 나타낸 그래프를 확인하여 볼 때 불안정한 곡선이 나옴을 확인할 수 있었다.
이러한 오차의 원인은 여러 가지가 있다. 첫째 methanol crossover는 단위 전지에서의 메탄올 연료극의 유속의 증가로 인한 과잉 메탄올 양의 공급에 있다. 이는 전극 표면에서의 메탄올 농도가 증가시키므로 메탄올의 crossover의 속도를 증가시켰을 것이다. 둘째, crossover의 양은 적지만 연료인 메탄올이 반응에 필요한 만큼 충분히 공급되지 않는 점에 있다. 이것은 수소이온의 농도감소를 일으켜 수소이온의 확산속도를 지연시키게 된다. 세 번째로는 불충분한 stress가 있다. 대략 12시간 가해준 stress는 MEA를 aging하게 함으로써 연료전지의 성능을 최대화 할 수 있다. 실험에서는 30분간의 stress를 가해주었다. 그리고 마지막으로 촉매가 얼마나 고르게 분사되었는지의 spray coating도 효율에 영향을 주었을 것이다.
이러한 오차의 원인을 감소시킬 방법을 보안하여 DMFC을 제작한다면 더 나은 효율을 측정할 수 있을 것이다.
DMFC를 직접 만들어가는 과정에서 전처리과정부터 세세하게 실험을 진행하지는 못하였으나, 촉매를 만들고 분산시키고 coating 등을 거쳐 전극을 만들고 연료 전지를 제작하는 과정은 이론을 더욱 잘 이해할 수 있었다.
REFERENCE
1. kisti(한국과학기술정보연구원), 연료전지 (2002)
2. 박태현, 김인호, FEMLAB를 이용한 직접메탄올 연료전지(DMFC) 지배방정식의 전산모사, CLEAN TECHNOGY, 3(1) pp 9~ 17 (2004)
3. 송계찬, 서상준, 조준연, 문상흡, 화학기상 증착법에 의해 변형된 DMFC용 Pt-Ru 합금 촉매의 특성, theories and Application of chem. Eng. vol. 8 (2000)
4. A. Hamnett, Catalyst Today, 38, 445 (1997)
5. Jeremy Kua, W. A. Goddard, J. Am. Chem. Soc., 121, 47 (1999)
6. 석준호, 설용건 , 정두환 , 김창수, 신동열, 양재춘 Effect of Crossover on the Performance of Direct Methanol Fuel Cell(DMFC), (1998)

키워드

연료,   전지,   DMFC