교류 임피던스법에 의한 인산형 연료전지 특성 연구

송락현, 이병록, 김창수, 신동열

한국에너지기술연구소

Performance Characteristics of Phosphoric Acid Fuel Cell by AC Impedance Analysis

Rak-Hyun Song, Byung-Rok Lee, Chang-Soo Kim, Dong-Ryul Shin

Korea Institute of Energy Research

서론

인산형 연료전지는 이미 상용화 단계에 있는 기술로 현재 보급 촉진을 위해 신뢰성, 안정성, 성능 개선 등의 연구가 진행되고 있다.[1-3] 인산형 연료전지의 핵심 기술인 전극은 전극촉매층과 전극지지체로 구성되어 있으며, 전극촉매층의 제조조건에 따라 연료전지의 성능은 크게 달라지게 된다. 이러한 분극은 전극의 제조 조건뿐 만 아니라 산소극의 반응 온도 및 부하전위(applied potential)의 변화에 의해서 영향을 받는다. 또한 연료전지는 반응 면적을 증가시키기 위해, 일반적으로 전기화학시스템에 사용하고 있는 평면전극을 사용하지않고, 다공성의 기체확산전극을 사용한다. 인산형 연료전지의 경우 다공성 기체확산 전극내 전기화학적인 반응면은 인산전해질, 산소 기체, 전극촉매층의 3상들로 구성되어 있으며, 이 반응면을 적절히 제어함으로써 인산형 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 인산형 연료전지의 운전시간 등 운전조건에 따른 인산형 연료전지의 특성 거동도 매우 중요하다.

따라서 본 연구에서는 전극제조조건과 전지전압, 반응조건 및 운전조건에 따른 인산형 연료전지의 특성을 교류임피던스 방법을 이용하여 조사하고 토의하였으며, 이를 통하여 고성능 연료전지를 개발하고자 한다.

실험방법

인산형 연료전지의 전극은 탄소종이로 구성된 전극지지체와 백금입자가 함유된 전극촉매층의 두 개의 층으로 구성된다. 전극촉매층의 슬러리를 만든 후 전극지지체위에 코팅하고 건조한 후 롤링한 다음 소성하여 전극을 제조하였다. 촉매층내 PTFE 함량에 따른 단위전지의 성능을 조사하기 위해 Pt/C 분말의 무게에 대하여 PTFE 함량이 35 - 50 wt.% 인 전극을 제조하였다.[4] 또한 제조된 전극을 이용하여 단위전지를 제조하고 연속운전한 후 임피던스거동을 조사하였다.

결과 고찰

인산형 연료전지에서 얻어진 임피던스는 전지내부저항과 산소극의 연결된 캐패스턴스(capacitance) 및 저항이 직렬로 연결된 간단한 회로에 의해 나타낼 수 있다.[5] 이것을 근거로 전지전압에 따른 단전지의 임피던스 거동을 figure 1에 나타내었으며, 전지내부저항은 전지전압에 의존하지않으나 산소극의 계면저항은 전지전압이 증가함에 따라 증가하였다. 전지전압의 증가에 따른 임피던스의 거동으로부터 이 전압 영역에서 전극반응은 활성화 과전압에 지배됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 산소이득의 결과들과 일치하는 양상을 나타내었다.

Figure 2는 운전시간에 따른 임피던스 거동을 나타내고 있다. 전지의 내부저항과 전극의 계면 임피던스는 증가하는 양상을 나타내었다. 전극의 계면임피던스는 전극내 백금표면적과 3상 계면면적에 의존하게 되는데 현재와 같이 짧은 운전시간에서는 전극범람과 같은 3상계면면적의 감소보다는 백금표면적 감소가 주요인인 주사전자현미경 등을 통해 확인하였다. 전지의 내부저항은 전해질과 관계되며, 인산에 의한 전류집전체의 부식이 주요인인 것으로 판단된다.

온도가 증가함에 따라 전극계면의 임피던스 및 전지 내부저항은 감소하였으며, 온도 130 - 190 ℃ 에서 인산전해질의 전기전도도는 0.31 - 0.47(□-cm)-1 이었다(figure 3, figure .4). 전극 촉매층내 PTFE 함량에 따른 초기 전지 성능은 40 wt.% 에서 최대를 나타내었으며, 이것은 전극계면 임피던스가 최적상태를 나타내었기 때문이다. 이로 부터 PTFE 함량에 따른 전지성능 및 임피던스 거동은 산소기체/인산전해질/고체전극으로 이루어지는 3상계면의 면적 변화에 의존함을 알 수 있다.

결론

고성능 인산형 연료전지를 개발하기 위해 인산형 연료전지 전극반응 및 내부 저항 특성을 임피던스법을 이용하여 조사하였다. 전극의 계면 임피던스는 전극제조조건, 운전조건에 따라 민감하게 변화되며, 전지성능의 지표로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 각 요소의 전기화학적인 거동을 해석하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 임피던스법은 연료전지 성능을 나타내는 핵심 지표중의 하나인 전지 내부저항 변화를 동시에 알 수 있다는 잇점이 있다.

참고문헌

1. W. Mitchell, JR., □Fuel Cells,□ Academic Press, 1963, pp. 1-17.

2. A. J. Appleby and F. R. Foulkes, "Fuel Cell Handbook," Van Nostrand Reinhold, 1989, pp. 55-202.

3. 최 수현 외, "연료전지 기술개발(II)," 과학기술처, KE-91033S, 1992, pp. 5-131.

4. 송락현, 김창수, 신동렬, "인산형 연료전지 성능 특성에 미치는 전극 제조 조건의 영향,□ 전기학회논문지, 제45권 2호, pp. 224-229, 1996.

5. Rak-Hyun Song, Dong-Ryul Shin, Chang-Soo Kim, Soo-Hyun Choi, "Fabrication and performance characteristics of 10 kW PAFC," J. New Materials for Electrochemical Systems, 2, pp. 131-135 (1999).

Fig.1   Impedance of single cell as a function of cell voltage

after 200 hr operation. ●=Interfacial resistance of

oxygen electrode, ▲=Internal resistance of single cell.

Fig.2   Impedance of single cell measured at 0.75 V as a

function of operation time. ●=Interfacial resistance of

oxygen electrode, ▲=Internal resistance of single cell.

Fig. 3  Electrical capacitance at the interface of cathode

and electrolyte as a function of temperature.

Fig. 4   Electrical resistance at the interface of cathode

and electrolyte as a function of temperature.