메탄올연료전지실험

목차

1… Introduction…………………………………………… 1
　1…1… 직접 메탄올 연료전지의 원리………………… 2
　1…2… 직접 메탄올 연료전지의 구조 ………………… 4
　1…3… 기술 개발 동향………………………………………… 5
2… Experiment…………………………………………… 6
　2…1… 실험장치 및 시약……………………… 6
　2…2… 실험 방법…………………………………………… 6
3… Results & Discussion……………………………………… 8
　3…1… Results……………………………………………… 8
　3…2… Discussion…………………………………………… 9
4…Conclusion………………………………………………10
5… References……………………………………………11


List ofequations, figures and tables

List of equations
　식 (1…1)………………………………1
　식 (1…2)……………………………… 1
　식 (1…3)……………………………… 1
　식 (3…1)……………………………… 9
　식 (3…2)……………………………… 9
　식 (3…3)……………………………… 9
　식 (3…4)……………………………… 9
　식 (3…5)……………………………… 9
　식 (3…6)……………………………… 9

List of figures
그림 1…1… 직접 메탄올 연료전지의 개념도………………2
그림 1…2… Current/potential curves for the anode and cathode of a DMFC…2
그림 1…3… Schematic diagram of the DMFC single cel…………3
그림 1…4… Schematic of Direct Methanol Fuel cell……………4
그림 1…5… Schematic of MEA and heat/mass transport in passive DMFC…4
그림 2…1… Sketch of the experimental setup ………………7
그림 2…2… Exploded view of the single cell DMFC test fixture………7
그림 3…1… 측정된 데이터에 대한 그래프………………8

List of tables

표 3…1… 측정된 각각의 데이터……………………8

본문내용

기 때문이다. 그러나 촉매를 Pt와 Ru를 50대50으로 섞은 Pt/Ru 촉매를 사용하면, 분해반응이 훨씬 잘 일어나게 된다. 그 이유는 다음 반응식으로 설명할 수 있다.
H2O → Ru-OH + H+ + e- (3.5)
위 (3-5)의 반응식에서 나와 있듯이, Ru는 물을 환원시켜 생성된 OH를 흡착하고,
Ru에 흡착된 OH가 Pt에 흡착된 CO와 반응하여 아래 (3-6)번 반응식처럼 CO2를 쉽게 형성할 수 있게 되어 Pt/Ru촉매 중 Pt부분에서 쉽게 탈착 될 수 있게 해준다. 마지막 남은 proton은 Pt/Ru를 통과하여 산소와 만나 반응하여 전기를 생산하기 때문에 효율을 더욱 높여 주게 된다.
Pt-CO + Ru-OH → Pt + Ru + CO2+H+ + e- (3.6)
그러므로 다시 메탄올이 Pt에 흡착하여 식 (1)에서 (4)까지의 반응이 진행되므로, 연속적으로 전류를 얻을 수 있다. 다만, Pt/Ru촉매를 사용하는 경우에도 식 (3-5)와 (3-6)의 반응이 빠르지 않으므로, 수소와 비교하면 과전압이 커지게 된다. 따라서 Pt 표면에 흡착한 CO에 산소원자를 고효율로 전해 주는 고성능 촉매가 필요하다는 것을 알 수 있다. 다음 효율저하 원인으로는 메탄올 크로스오버(methanol crossover)가 가장 큰 오차를 초래했다고 본다. 메탄올 크로스오버는 연료 중의 미반응 메탄올이 Nafion membrain을 투과하여 양극에 도달해서 여러 가지 장애를 일으키는 것을 말한다. Nafion membrain은 수소 이온 교환막 이므로 쉽게 메탄올을 흡수한다. 투과한 메탄올은 양극 근방에 존재하는 산소와 직접 반응하여 물과 CO2로 된다. 결과적으로 메탄올이 발전에는 기여하지 않고 연소하여 버리게 되므로, 연료를 낭비하게 되었고, 이 때문에 양극의 산소 농도가 저하되어 전위가 낮아지게 되므로 이 점도 효율 저하에 큰 영향을 주었을 것이다.
4. Conclusion
이번 실험 에서는 현재 석유 대체 에너지원으로 각광 받고 있고, 많은 연구가 이루
어지고 있는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 제작하였다. 실험 2조가 직접 만든
DMFC의 최대 전압은 0.493V이다. 이는 2.5cm by 2.5cm크기를 가진 DMFC의 이
론적 값인 1V와 비교 하였을 때 49.3%밖에 되지 않는 매우 낮은 값이다
제작 과정은 어렵진 않았으나, 메탄올 크로스 오버, 불완전 연소시 발생하는 CO로
인한 효율 저하 등 DMFC의 실제 제작시 발생하는 많은 문제와 그 해결 방법에 대
한 것을 배울 수 있었다. 메탄올 크로스 오버는 연료가 되는 메탄올의 농도가 높을
때 발생하는 것이며, 그 이유는 Pt촉매의 부피에 따른 메탄올 산화반응 속도의 한
계 때문이다. 해결 방법으로는 메탄올 수용액의 희석과 고효율의 촉매개발의 필요
성에 대하여 배울 수 있었다. Pt 촉매 표면에 불완전 연소시 발생하는 CO의 강한
흡착으로 인해 떨어지는 효율의 개선 방법으로는 Pt/Ru를 사용하는 방법을 배울 수
있었다. 또 다른 가장 큰 배움으로는 메탄올 연료전지의 구성과 그 이유였다.
Nafion membrain이 물을 함유해야 하는 이유, cathode에는 Tefron이 함유된
carbon paper를, anode에는 물이 통과할 수 있는 carbon paper를 사용하는 이유,
Pt/Ru촉매를 IPA로 처리하는 이유, Nafion memcrain 각 면에 Pt/Ru, Pt촉매를 고
르게 분산시키면서 건조를 천천히 잘 시켜야 하고 분산시키기 전 촉매의 양을 이론
값보다 2배를 준비하여야 하는 이유, Pt/Ru촉매에 Nafion solution을 첨가하는 이유,
지그셀 사용시 사각의 셀에 각각 두개씩 있는 볼트를 지그재그 모양으로 조여 주면
서 각각 볼트에 대해 일정한 힘을 주어야 하는 이유를 배울 수 있었다.
실험 2조가 제작한 DMFC는 좋은 효율을 나타내지는 못하였다. 하지만 모든 제작
과정 에서 그 과정에 대한, 그렇게 하는 것에 대한 이유를 하나하나 알 수 있었다.
졸업 후 신재생 에너지를 직접 다룰 화학공학도 로서, 실험을 직접 해 봄으로서 직
접 메탄올 연료전지의 구성원리와 작동원리, 작동에 있어서 발생하는 문제점과 그
해결 방안 등을 배울 수 있는 의미 있는 시간이 되었다.
5. references
[1] `직접메탄올연료전지 기술개발 현황`
저자미상(이유 : 홈페이지 열람 권한 없음)
www.cheric.org/ippage/p/ipdata/2004/07/file/p200407-401.pdf
검색방법 : 구글 검색어 '직접메탄올 연료전지‘
[2] Small direct methanol fuel cells with passive supply of reactants’
Journal of Power Sources, Volume 191, Issue 2, 15 June 2009, Pages 185-202
T.S. Zhao, R. Chen, W.W. Yang, C. Xu
[3] ‘Experimental study on the characterization of airflow effect on the direct methanol fuel cell’
Renewable Energy, Volume 34, Issue 8, August 2009, Pages 1962-1968
Yean-Der Kuan, Shi-Min Lee, Min-Feng Sung
[4] 'Performance of carbon dioxide vent for direct methanol fuel cells'
Journal of Power Sources, Volume 192, Issue 2, 15 July 2009, Pages 429-434
Shruti Prakash, Paul A. Kohl
[5] 'Mass transport phenomena in direct methanol fuel cells'
Progress in Energy and Combustion Science, Volume 35, Issue 3, June 2009, Pages 275-292
T.S. Zhao, C. Xu, R. Chen, W.W. Yang

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메탄올,   연료전지,   신재생