알콜 crossover 현상이 직접 알콜 연료전지의 성능에 미치는 영향

주 영 환, 설 용 건, 김 창 수*, 신 동 렬*

연세대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소*

Effect of alcohol crossover on the performance of Direct Alcohol Fuel cell

Y. H. Chu, Y. G. Shul, C. S. Kim*, D. R. Shin*

Dept. of Chem. Eng. Yonsei University,

KIER, P.O.Box 5, Taedeok Science Town,Taejon, Korea*

서론

급격한 산업의 발전 및 경제성장과 더불어 심각한 상황에 있는 환경오염은 현재 사회 문제로까지 대두되고 있는 상황잉다. 이러한 화석연료 사용에 의한 환경오염 문제를 해결하기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 잇는 청정에너지에 대한 관심이 증가하고 있으며 연료전지(Fuel Cell)는 가장 주목받고 있는 대체에너지 중의 하나이다. 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로서 발전효율이 기존의 발전 장치 (석유 34-40%, 석탄 30-36%, 원자력 30-35%)보다 10-25% 더 높으며 조업중 소음이 없고 저 공해 발전 설비이기 때문에 환경문제를 해결할 수 있으며 다양한 용량으로 제작하여 적용범위가 넓다.[1]

여러 연료전지 중에서도 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 연료로서 메탄올을 사용하기 때문에 기존의 수소나 다른 연료를 사용하는 연료전지에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 즉 수소를 연료로 사용하는 연료전지의 경우 전지의 에너지 밀도가 큰 특성이 있으나 수소 가스의 저장과 수송에 주위를 요하는 문제점을 가지고 있다. 또한 연료인 수소가스는 주로 메탄 및 메탄올 등에 의해 개질 된 기체를 사용하기 때문에 별도의 개질 장치가 필요하다. 이에 반하여 메탄올은 수소나 다른 연료에 비해 가격이 저렴하고 취급이 용이하며 저장이 간편하기 때문에 전기 자동차용 연료원으로서 이용 가능성이 높으며, 메탄올 연료전지는 높은 에너지 밀도를 가지며 또한 메탄올을 완전 연소시키면 CO2와 H2O 만이 생성되므로 청정 에너지로서의 이용 가치가 높다고 할 수 있다.[2]

이러한 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 메탄올은 일부가 고분자 전해질을 수화된 메탄올 상태로 쉽게 이동하는 메탄올 crossover 현상이 일어난다고 보고되고 있고 이러한 현상은 전지의 성능을 저하시키는 주원인이다.[3]

본연구에서는 직접 메탄올 연료전지 시스템하에서 다른 연료들(Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-propanol)을 이용하여 각각의 연료들에 대해 성능을 측정하였으며 다른연료들이 crossover 되는 양을 측정하여 성능 과 crossover 현상과의 관계를 고찰해 보았다.

실험

연료극과 공기극의 전극은 카본 페이퍼를 담지체로 이용하여 연료극은 60% Pt-Ru/C, 공기극은 60% Pt/C 촉매를 사용하였다. 전해질은 Nafion 117 막을 이용하였다. 각각의 전극과 전해질막은 hotpressing법을 이용하여 전극 어셈블을 하여 단위전지를 구성하였다.

연료는 각각의 알콜을 2M 농도가 되도록 증류수와 혼합하여 사용하였으며 연료극의 유속은 1.8ml/min로 하였다. 공기극은 산소를 사용하였으며 압력 2kgf/cm2, 유속 300ml/min로 하였다. 단위전지는 110℃에서 작동하였다.

연료의 crossover 속도는 단위전지의 공기극쪽 배출구에서 배출되는 생성물들을 Gas Chromatography(Shimadzu 8A)에 연결하여 측정하였다. 시료의 분석을 위한 column으로는 Porapak T를 사용하였다. [4]

결과 및 토론

Fig. 2는 110℃ 온도에서 연료극과 공기극의 압력차를 2kgf/cm2으로 하여서 얻은 성능곡선이다. 각각의 연료에 대해서 얻은 성능곡선을 보면 20mA/cm2이하의 낮은 전류밀도에서는 O.C.V가 클수록 높은 성능을 보이고있다. 이것을 통해 전류밀도가 낮은경우에는 O.C.V가 성능에 결정적인 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이 경우 이소프로판올의 성능이 가장 높게나오고 에탄올, 노말프로판올, 메탄올의 순서로 성능이 감소됨을 알 수 있다. 하지만 20mA/cm2이상에서는 메탄올의 성능이 에탄올이나 노말프로판올보다 더 높은 성능을 보이고 있음을 알 수 있다. 이것을 통해 높은 전류밀도로 갈수록 메탄올이 더 안정된 성능을 나타낼 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. 에탄올이나 노말프로판올의 경우는 20mA/cm2 이상의 전류밀도에서는 거의 비슷하게 전류밀도가 감소함을 볼 수 있다. 이것을 통해 에탄올이나 노말프로판올은 연료전지의 연료로서 메탄올이나 이소프로판올에 비해 부적절함을 확인할 수 있다.

이소프로판올의 경우 100mA/cm2이하에서는 다른 연료와는 비교가 되지 않을정도로 높은 전류밀도를 보이지만 100mA/cm2이상의 전류밀도에서는 전류밀도가 급격히 감소하여 메탄올보다 전류밀도가 더 낮아짐을 관찰할 수 있었다. Fig. 3에서는 이소프로판올의 성능을 2M, 4M 이소프로판올 용액에 대해서 측정하였다. 50mA/cm2이하의 전류밀도에서는 2M용액의 경우 4M 보다 더 높은 성능을 보이지만 50mA/cm2이상의 전류밀도에서는 오히려 4M용액의 경우가 더 높은 성능을 보이며 전류밀도의 증가에 따라 성능이 완만하게 감소하고 있음을 알 수 있다. 이것을 통해 2M용액에서 성능이 급격하게 감소하여 메탄올보다도 더 낮은 성능을 나타낸 것은 농도 과전압의 영향에 의한 것으로 사료된다. 또한 이소프로판올 역시 연료전지의 연료로 이용될 수 있는 가능성을 확인하였다.

Fig. 4에서는 Nafion 막에 전극을 어셈블하지 않은 상태에서 crossover되는 알콜의 양을 110℃에서 측정한 것이다. 메탄올의 경우 가장 높은 crossover양을 보이며  에탄올과 노말프로판올은 비슷한 crossover양을 보이고 있다. 이소프로판올의 경우 crossover가 가장 적게 됨을 볼 수 있다. 성능이 가장 높게 나오는 이소프로판올의 경우 막을 투과하여 crossover되는 양이 가장 적음을 확인할 수 있다. 이소프로판올과 노말프로판올의 경우 같은 3차 알콜이지만 성능이나 crossover되는 양이 서로 다름을 알 수 있다. 노말프로판올의 경우 crossover되는 양이 더 크며 성능은 더 낮음을 알 수 있다. 노말프로판올과 에탄올을 비교해 보면 비슷한 crossover양을 보이고 있으며, 성능곡선 역시 비슷한 양상으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 이상의 결과들을 통해 알콜의 crossover가 전지의 성능에 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 즉 crossover되는 양이 많으면 성능이 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 노말프로판올과 이소프로판올의 비교를통해 알콜의 구조가 성능 및 crossover양에 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.

결론

1. 단위전지 시스템을 이용하여 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 노말프로판올의 성능을 측정하였다.

2. 이소프로판올의 경우 100mA/cm2이후의 급격한 성능감소는 농도과전압에의한 것으로 사료된다.

3. 알콜의 구조가 연료의 crossover에 영향을 주고있음을 확인할 수 있었다.

4. 알콜의 crossover가 연료전지의 성능에 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.

참고문헌

1. Bodkris, Srinivasan, S.: "Fuel Cell : Their Electrode Chemistry",

Mcgraw-hill Inc., N.Y. (1969)

2. Bruce R. Rauhe, Jr., Frank R. McLarnon, and Elton J. Cairns,

"J. Electrochem. Soc.", 142, 1037(1995)

3. A. Hamnett and G. L. Troughton, "Chem. Ind"., 480(July 1992).

4. J.H.Sauk, The Graduated School Dept. of Chem. Eng. Yonsei Univ. (1998)

Fig. . Experimental procedure of cell                 performance and crossover test.

Fig. 2. Effect of fuels on the cell voltage         vs. current density plot with              Nafion 117 membrane at operating         temperature 110℃

(Anode :

60%Pt-Ru/C, 2M methanol at 1.8ml/min,

Cathode :

60%Pt/C, O2 at 300ml/min, 2kgf/cm2)

Fig. 3. Effect of concentration of                  isopropanol on the cell                 voltage vs. current density              plot with Nafion 117                   membrane at operating                 temperature 110℃

(Anode :

60% Pt-Ru/C, 2M and 4M IPA solution at 1.8ml/min,

Cathode :

60% Pt/C, O2 at 300ml/min, 2kgf/cm2)

Fig. 4. Rate of crossover on Nafion membrane         at operating temperature 110℃

( Anode : 2M alcohol at 1.8ml/min,

Cathode : O2 at 300ml/min)