고분자 전해질 연료전지를 이용한 에탄올 센서의 제작 및 특성분석

김 기철, 최 후곤*, 조 성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

성균관대학교 공과대학 시스템 경영 공학부*

Fabrication & analysis of ethanol sensor

based on polymer electolyte fuel cell

Ki-Chul, Kim, Hoo-Gon, Choi*, Sung M. Cho

Department of Chemical Engineering, SungKyunKwan University,

Suwon 440-746, Korea

School of Systems Management Engineering, SungKyunKwan University, Suwon 440-746, Korea*

서 론

최근 차량의 수가 늘어나면서 음주운전 사고사례도 동시에 증가하고 있어 이를 제재할 법적 근거가 절실해지고 있다. 특히 음주 정도를 정확히 측정해야할 기기들이 아직은 가격 면에서나 정확성, 내구성 등에서 만족할 만한 결과를 보이지 못하고 있기 때문에 이에 대한 연구, 개발이 시급한 상황이다.

연료전지는 외부전력이 인가되지 않아도 주입된 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 장치로서 다른 발전기관과는 달리 카르노 싸이클의 제한을 받지 않으므로 효율이 높고, 타 발전장치에 비해 소음, 진동, 배기가스의 문제점이 적다는 장점을 가지고 있다.[1] 또한 최근 환경 오염 문제가 대두되면서 이를 자동차의 동력원이나 발전소의 동력원으로 이용하기 위한 많은 연구가 보고 되어지고 있다. 그러나 액체 전해질 연료전지는 누수의 우려가 있고 부피가 커서 휴대용으로는 부적합하므로 최근 고분자 전해질을 이용한 연료전지가 활발히 연구, 응용되어지고 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 다른 전지와 비교할 때 전지 안에서의 부식문제가 거의 없으며, 전지의 제조가 간단하고, 작동수명이 길며, 저온에서 작동이 가능할 뿐 아니라 부하에 대한 응답이 빠르기 때문에 유력한 차세대 연료전지로 대두되고 있다.[2,3]

본 연구에서는 이러한 고분자 전해질 연료전지의 특성을 이용하여 알콜센서로의 응용가능성에 대해 고찰해 보았다. 연료전지의 경우 수소나 알콜과 같은 연료를 매개체로 하여 동력원을 얻는데 그 목적이 있다. 그러나 본 연구에서 수행한 알콜센서의 경우 셀로 유입되는 알콜에 의해 발생하는 전류의 양으로부터 알콜의 농도를 측정하는데 목적이 있다. 따라서 일정한 조건에서 셀을제작하였고 셀의 알콜농도에 대한 분별력을 높이는데 중점을 두었다.  본 실험에서 사용한 MEA(membrane electrode assembly)는 carbonpaper에 Pt을 함침시킨 전극을 이온 전도성 고분자인 Nafion□의 양쪽에 hot pressing하여 제작하였다.[4] 알콜의 농도에 대한 셀의 분별력을 측정하기 위해 공기로 희석된 다양한 농도의 에탄올 가스를 일정량 샘플링하여 셀로 주입시켰으며 음주측정 기기의 가장 중요한 특성인 peak의 응답속도와 일관성, 농도에 따른 peak의 크기 등을 관찰함으로써 알콜센서로의 이용 가능성에 대해 고찰하였다.[5]

실 험

본 실험에서는 고체 전해질로 막의 두께가 약 127□인 듀퐁사의 Nafion□115 를 사용하였다.  Nafion□은 막의 두께가 얇을수록 이온전도성이 좋아 셀의 성능은 좋아지지만 alcohol의 직접적인 막투과가 상대적으로 커지는 문제가 생기는 것으로 알려져 있기 때문에[6] 본 실험에서는 적절한 두께라고 생각되는 Nafion□115 를 사용하였다. 이 고분자막을 정제시 D.I water(〉18 M□)에 하루동안 swelling시킨후 5 vol%의 H2O2와 1M의 H2SO4로 각각 세척하여 전극으로 사용되어질 0.35 mm두께의 10%Pt/C, 백금 함침량이  0.5 mg/cm2인carbonpaper(E-TEK □S"TYPE TGPH-120)와 80 oC 에서 200 kg/cm2의 압력으로 3 min 동안 hot press법에 의해 MEA를 제조하였다.[7] Current collector로 사용된 copper wire가 장착된 teflon plate 사이에 제조된 MEA를 고정시켜 셀을 제작하였으며 이를 digital multimeter와 data를 저장하는 컴퓨터에 연결하여 연속적인 data를 얻도록 하였다. 여기서 셀의 반응면적은 1 cm2으로 하였으며 주사기로 다양한 농도의 에탄올 희석 가스(한국표준 과학연구소)를 샘플링하여 셀 위로 주사하였다. 에탄올 희석가스는 200, 400, 600, 800, 1000 ppm 을 사용하였으며 가스를 주사할 때 샘플 기체의 압력 영향을 제거하기 위해 Fig. 1 에서 보여준 것과 같이 밀폐된 공간에 셀과 평행한 방향으로 주사하여 기체의 확산만으로 응답하도록 하였다. 확산된 에탄올은 전극인 백금에 의해 H+과 전자를 내게 되며 100 □의 저항을 인가하였을 때 응답하는 전압을 digital multimeter로 1초 단위로 읽어 시간의 변화와 에탄올 농도에 따른 전압 peak의 그래프를 얻었다.

결과 및 고찰

제조된 셀의 성능 측정시 재연성을 확인하기 위해서 에탄올 농도가 800ppm 인 가스 1cc를 총 5회에 걸쳐 주입하였을 때 농도 대 전압 peak값의 결과를 Fig. 2 에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 총 5회에 걸쳐 측정을 했을 때 최대 전압값은 거의 변화가 없었고 오차는 전체의 5 % 미만으로 재연성 실험에 있어서 상당히 유사한 값들을 얻을 수 있었다. 한편, 알콜의 주입시부터 전압값이 최고점에 이르는 시점까지의 시간이 20s 내외로 빠른 응답을 보였으며, 다시 초기 값으로 복구되는 시간도 3-4분 내외로 비교적 빠르게 응답함을 관찰할 수 있었다. 셀의 수명은 3개월 동안은 일정히 유지되는 것으로 실험결과 알 수 있었다. Fig. 3은 셀의 전압측정시 인가되는 저항을 변화시켰을때 전압 peak의 크기와 응답시간이 변화한 결과를 나타내고 있다. 저항이 커질수록 peak값은 커지나 응답시간도 매우 길어지는 단점이 있으므로 셀에 가장 적당한 저항을 찾는 것 또한 중요한 일이다. 한편, 다양한 농도의 알콜을 셀에 주입하였을때의 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서처럼 200, 400, 600, 800, 1000 ppm 의 농도를 가진 알콜가스를 1cc 주입했을 때 각 농도에 따른 전압값이 각 농도에 따라 비례하여 변화함을 관찰할 수 있다. 알콜주입시 전압이 최고점에 올라간후 다시 원점으로 돌아올때까지의 적분값으로 농도를 판단하는 것이 타당하나 그림에서 나타나 있는 결과와 같이 다양한 농도에서도 전압 곡선의 유형이 일치하므로 전압 peak로 농도를 판단해도 큰 무리가 없다. 한편 Fig. 5는 Fig. 4에서의 농도값과 이에 대응한 각 최대 전압값을 도시한 것이다.

셀의 성능이 향상되어 일정 농도에 대한 전압이 더 커진다면 좀 더 미세한 농도의 차이를 분별하는데 도움이 될 것이다.  전극에 함침시키는 Pt의 양을 많게 하거나 확산되어지는 알콜을 좀 더 많은 사이트에서 반응하도록 반응면적을 넓게한다면 좀 더 셀의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 특히 MEA를 hot press법으로 제작할 때의 변수인 온도, 압력, 시간, 그리고 전극과 전해질의 접촉저항을 줄이기 위해 전극에 미리 고르게 바르는 Nafion□ 용액의 양을 적당히 조절할다면 좀 더 성능이 향상된 셀을 제작할 수 있을 것이다.[8] 그러므로 앞으로 수행할 연구과제는 셀의 성능을 향상시키는 제작조건을 찾는 것과 실제 음주측정에 사용되었을 때 중요시 되는 셀의 수명을 최대한으로 크게 하는 것이다.

참고 문헌

1. Kordesch, K. and Simader, G. "Fuel Cells and Their Application", VCH Publishers, New York, (1996).

2. S. Srinivasan, E. A. Ticianelli, C. R. Derouin, and A. Redondo, J. Power Sources, 22, 359-375(1988).

3. K. Scott, W. Taama, and J. Cruickshank, J. Appl. Electrochem., 28, 290(1998).

4. Young-Gab Chun, Chang-Soo Kim, Dong-Hyun Peck, and Dong-Ryul Shin, J. Power Sources, 71, 175-176(1998).

5. P. Millet, and A. Michas. R Durand, J. Appl. Electrochem., 26, 933(1996).

6. Doo-Hwan Jung, Chang-Hycong Lee, Chang-Soo Kim, Dong-Ryul Shin, J. Power Sources, 71, 169-172(1998).

7. Seung-Jae Lee, Kyoung-Hwan Choi, Tae-Hee Lee, Won-Il Cho, Young- Tai Kho, J. The Korean Institute of Chemical Engineers, 34, No.1, February, 105-110(1996).

8. E. Antolini, L. Giorgi, A. Pozio, and E. Passalacqua, J. Power Sources,      77, 136-142(1999).

Fig. 1. Schematic diagram of EtOH sensing operator.

Fig. 2. Cell response to five inputs      Fig. 3. Cell outputs vs. Time

of a concentration ethanol gas.          with various load resistors.

Fig. 4. Effect of different ethanol     Fig. 5. Differnt Concentration of

concentration on the cell response.    ethanol gas vs. peak voltage.