직접분사에 의한 고분자전해질 연료전지의 운전특성

신 석재, 박 세규*, 하 흥용, 오 인환, 홍 성안

한국과학기술연구원 전지-연료전지센타, 연세대학교 화학공학과*

Operation Characteristics of Proton Exchange Membrane

Fuel Cell by Direct Water Injection

S.-J. Shin, S.-K. Park*, H.-Y. Ha, I.-H. Oh, S.-A. Hong

Battery and Fuel Cell research center,

Korea Institute of Science and Technology

Department of Chemical Engineering, Yonsei university*

서론

고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮고 전류밀도가 크며 시동시간이 짧으면서 부하변화에 대한 응답이 빠른 장점을 가지고 있어 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

전해질로 사용하는 고분자막은 산소의 용해도가 크고, 수소이온 전도도가 크며, 밀도가 낮고, 화학적 안정성 및 기계적 강도가 우수하지만, 전해질 무게의 20% 정도 수화될 때 높은 이온전도성을 나타낼 수 있다.  따라서 고분자막이 수분을 잃고 건조해지면 수소이온전도도가 떨어지게 되고, 막의 수축을 유발하여 전극과 막 사이의 접촉 저항이 증가하게 된다.  반면에 과량의 물이 존재하게 되면 다공성 촉매 표면에 반응기체의 접근이 어려워지고, 환원극에서는 산화제의 물질전달 한계 때문에 전지성능의 감소가 크게 일어나게 된다.  이처럼 고분자 전해질 연료전지에 쓰이는 반응기체는 막의 탈수를 줄이고 높은 이온전도도를 유지하기 위해 물로 적당히 가습시켜야 한다.

물을 공급하는 방법에는 내부 가습법과 외부 가습법으로 크게 나눌 수 있다.  내부 가습법에는 전지내의 가습부에서 물을 함유한 다공성 고분자막을 통하여 미세입자를 공급하는 방법, 전해질막을 직접 가습하는 방법, 다공성 분리판을 이용하는 방법이 있고, 외부 가습법에는 대표적으로 반응기체를 물이 들어있는 bubbler 속을 통과시킨 뒤 전지 내로 유입시키는 방법, 물 투과성막으로 된 가는 관을 이용하는 방법, 미세하게 분산된 물 입자를 반응기체와 함께 전지 내로 직접 분사하는 방법 등이 있다.

구조가 간단하기 때문에 많이 사용되는 bubbler를 이용한 가습은 반응기체의 유량에 따라 가습 정도가 크게 영향을 받기 때문에 유량이 크게 되면 작은 물방울 형태로 물이 전지 내에 공급된다.  따라서 전지의 출력이 커질수록 더 많은 체류시간이 필요하게 되므로 상대적으로 더 큰 bubbler가 제작되어야 한다.  또한 bubbler의 크기가 커질수록 물을 가열하는데 드는 열량도 커지게 되므로 에너지 효율측면에서도 커다란 단점이 된다.  반면에 분산된 물 입자를 반응기체와 함께 공급하는 직접분사방식은 가습장치 작동에 필요한 에너지를 절감할 수 있고 가습되는 물의 양을 조절하기 용이하다.  따라서 본 연구에서는 연료전지 운전시 포화수증기량을 계산하고 온도, 반응기체 이용률, 전극면적에 따른 가습량의 최적 조건을 찾고자 하였다.

실험

1. 고분자 전해질 연료전지 전극제조 및 운전장치

전극 제조시 촉매로 Pt/C(E-Tek), 촉매 지지체로는 carbon paper(TGPH-060)를 사용하였다.  전해질막은 H+형태로 치환된 Nafion 115(Dupont)를, 전해질 용액은 Nafion 용액을 사용하였다.  촉매슬러리는 screen mesh를 이용하여 carbon paper위에 screen printing방법으로 촉매층을 형성시켰다.

제조된 전극과 Nafion 115 막을 hot pressing하여 전해질/전극 접합체(membrane/electrode assembly, MEA)를 제조하였고 이때 전극의 면적은 240cm2이었다.

이렇게 제조된 전해질/전극 접합체(MEA)와 양극판(bipolar plate), 냉각판(cooling plate), 끝판(end plate), 개스킷(gasket)으로 구성된 스택과 원형 실린더에 분사기를 삽입하여 만든 직접 분사장치를 이용하여 운전장치를 구성하였다.

2. 직접 분사에 따른 전극의 성능측정

직접 분사장치를 통하여 미세한 물 입자가 포함된 가습된 반응기체를 공급하여  스택의 성능을 측정하였다.  미세한 물 입자가 스택 내로 바로 들어가 반응기체의 유로가 막히는 것을 방지하기 위해 스택의 폐열을 이용하여 수증기 형태로 스택 내에 공급하였다.  반응기체의 이용률에 따른 전극의 성능을 알아보기 위하여 반응기체의 유량과 물 분사량을 이용률에 따라 변화시키고 electronic loader(Daegil electronics)로 일정한 전류를 흘려주어 그때의 셀 전압을 측정하였다.  이때 물량은 밸브를 사용하여 조절하였다.  전지 운전조건으로는 작동 온도를 상온에서 80℃까지 조절하였고, 상압에서 운전하였다.

결과 및 토론

고분자 전해질 연료전지의 운전시에 반응기체를 bubbler에 통과시키는 방식은 셀과 같은 온도에서 포화된 수증기를 공급하기 위하여 bubbler의 온도를 높게 유지해야 하기 때문에 bubbler의 가열에 많은 에너지가 필요하고, 반응기체의 유량이 커질수록 전지에 공급되는 물 입자가 커지기 때문에 bubbler의 부피가 커지는 등 단점이 많다.

본 실험에서 사용한 직접분사 가습장치는 그림 1에서와 같이 반응기체 중에 물을 분사시킴으로서 물을 미세한 입자로 만들기 때문에 가습을 하기 위하여 별도의 에너지가 필요하지 않으며 스택의 폐열을 이용하면 물을 가열하는 에너지가 전혀 필요하지 않기 때문에 작은 부피의 가습장치로도 기존의 bubbler를 이용한 가습방식과 유사한 가습효과를 볼 수 있다.  이와 같이 직접분사 장치는 부피 및 주변 장치에 사용되는 부하를 크게 줄일 수 있기 때문에 bubbler 형태의 가습기에 비하여 자동차와 같은 이동형 전원에 적합한 형태이다.

그림 2는 본 실험에 사용한 직접분사장치의 사진이다.  그림에서와 같이 원형 실린더의 앞부분에 분사기를 장착하고, 그 분사기에 반응기체와 물이 함께 들어가 원형 실린더 내로 분사되면서 스택으로 가습된 반응기체가 공급되도록 하였다.  분사된 물 입자의 크기는 반응기체와 물의 비율에 의해 결정되는데 입자 크기에 따라 가습효과는 크게 변화하였다.  또한 원형 실린더 내에서 스택의 폐열을 이용할 수 있도록 열교환 장치를 추가하였으며, 가습장치의 주변을 단열시킴으써 스택과의 온도차이를 줄일 수 있었다.

그림 3은 bubbler와 직접분사장치를 이용한 스택의 운전특성을 나타낸 것이다. 스택의 운전조건은 셀 온도 35℃, 수소 이용율 0.8이었으며 가습조건은 bubbler는 28℃로 유지하였고, 직접분사장치는 상온의 물을 셀 온도에 해당하는 포화 수증기량을 공급하면서 폐열을 이용하여 셀 온도와 같이 유지하였다.  그림에서와 같이 직접분사장치의 성능이 bubbler형태의 가습보다 조금 더 나은 것을 확인할 수 있었다.  이와 같은 결과는 직접분사장치를 사용한 가습 방법이 bubbler와 비교하여 차이가 없음을 나타내는 것으로서 공급되는 물의 양을 쉽고 빠르게 조절할 수 있으므로 부하 변화가 심한 사용 조건에도 적합할 것으로 생각된다.  성능이 전류밀도가 높은 영역에서 측정되지 못한 것은 스택을 다른 장치의 동력원으로 사용하여 일정 전류 이상 흐르지 않도록 하였기 때문이었다.

결론

직접분사장치에서 가습되는 물의 양은 온도와 반응기체 유량에 따른 포화수증기량만큼을 분사하였고, 상대습도는 100%미만으로 유지하였다.  분사되는 미세한 물입자(약 10□m)는 스택의 폐열을 이용하여, 수증기 형태로 공급하였다.

직접분사장치를 이용한 가습 방법은 기존의 bubbler를 이용한 가습과 비교하여 장치 유지에 필요한 에너지를 크게 감소시킬 수 있었으며 이 때 스택의 성능은 bubbler방식과 비슷하였다.  따라서 직접분사장치를 이용한 가습방법은 연료전지 운전에 필요한 주변 장치에서 소요되는 에너지를 줄일 수 있는 새로운 방법으로 생각된다.

참고문헌

1. David L. Wood, Ⅲ, Jung S. Yi and Trung V. Nguyen, "Effect of direct liquid water injection and interdigitated flow field on the performance of proton exchange membrane fuel cell", Electrochica Acta,  43 (1997) 3795.

2. K.-H Choi, D.-J Park, Y.-W Rho, Y.-T Kho, T.-H Lee "A study on the internal humidification of an integrated PEMFC stack", Journal of Power Source 74 (1998) 146.

3. K.-H Choi, D.-H Peck, C.-S Kim, D.-R Shin, T.-H Lee, "Water transport in polymer membranes for PEMFC", Journal of Power Source 86 (1999) 197.

4. 오인환, 하흥용, 이태희, 화학공업과 기술, 16 (5), (1998) 431.

Fig. 1. Schematic diagram of Direct Injection

Fig. 2. Direct Injection equipment.

Fig 3. Performance comparison at 36℃ using

O2/H2 at different humidifying type.