PEMFC의 외부가습방식에 대한 연구

현덕수, 김준범

울산대학교 화학공학과

A study of the external humidification method in PEMFC stack

Deok-su Hyun, Junbom Kim

Department of Chemical Engineering, University of Ulsan

서론

연료전지는 갈수록 심각해지는 환경문제와 화석연료의 고갈문제를 해결할 대체 에너지로서 주목을 받고 있으며, 21세기 유망기술 및 산업과 관련해 발표된 각종 보고서에 빠지지 않을 만큼 성장잠재력을 인정받고 있다. 기존의 시스템에 보다 더 높은 에너지 효율과 환경친화력을 가지고 있기 때문에 자동차 및 발전 부문에서 실용화에 높은 전망을 보여주고 있다. 연료전지 중에서 고체 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)는 가볍고, 고출력이며, 저온에서 운전되어진다는 장점으로 인하여 다른 연료전지에 비하여 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다.

PEMFC에서 전해질 막은 anode와 cathode의 분리판 뿐만 아니라 이온체로 사용되어지며, membrane의 전도성은 가수화(hydration state)상태에 선형적인 비례 관계를 보이는데 가수화 상태가 높을수록 우수한 전도성을 보유하게 된다[1-2]. 그러므로 연료전지의 우수한 성능을 얻기 위해서는 공급기체를 가습시키는 기술이 필요하다.

본 연구에서는 단위전지 성능의 변화를 통하여 가습의 필요성을 확인할 수 있었으며, 단위 전지 및 비교적 적은 stack에 사용되어지는 외부가습 방식을 이용하여 공급되는 기체의 가습영향을 확인하는 실험을 수행하였다. 외부가습 방식에서는 공급되는 기체의 종류에 대한 영향, 공급되는 기체의 유량에 대한 영향 및 공급되는 기체의 온도에 대한 영향실험을 수행하였다.

실험

단위 전지의 성능 실험에 사용된 MEA(membrane and electrode assembly)는 E-tek사의 1.0mg Pt/cm2인 전극과 Asahi chemical사의 membrane을 135℃, 1 Mton에서 90sec간의 압착 조건하에서 제조하여 실험을 수행하였다. Electronic load는 Hewlett packard사의 HP-6060B로 사용하였으며, MEA에서 발생되는 전압과 전류는 자체 개발된 logic하에서 컴퓨터를 사용하여 측정하는 system을 사용하였다.

외부 humidifier는 diffuser를 통하여 bubbling이 되도록 설계된 1600cm3급 humidifier를 사용하여 실험을 수행하였다. 기체가 가습되는 정도를 측정하기 위하여 hygrometer가 장입될 수 있는 가습 측정통(hygrometer vessel)을 제작하여 사용하였으며, 컴퓨터에 의하여 습도와 온도가 일정시간 간격마다 자동 측정되어 data file에 저장되고, excel 형태로 전환될 수 있는 체계를 구축하였다.

결과 및 토의

본 연구에서는 공급되는 기체가 humidifier를 통과하여 cell로 유입되는 경우와 humidifier를 통과하지 않은 drying된 기체가 cell로 유입되는 경우를 단위전지의 성능실험을 통하여 비교함으로서 가습의 필요성에 대해서 언급하고자 한다. 그림 1은 기체의 가습에 따른 성능 변화를 나타낸 것이다. 공급되는 기체가 humidifier를 통과하는 경우는 Cell의 온도를 80℃로 유지하면서 수소측을 90℃로 산소기체는 85℃로 humidifier의 온도를 유지하여 cell에 충분한 수분을 공급되도록 하였다. humidifier를 통과하지 않은 기체는 drying된 상태로 직접 cell내로 공급한 경우이다. 그림 1에서 두 경우의 성능을 비교하여 보면, 공급기체의 가습이 이루어진 경우에는 0.58W/cm2를 보이며, 공급기체의 가습이 이루어지지 않은 경우에는 0.18W/cm2로서 많은 성능이 차이를 보임을 알 수 있었다. 이와 같은 이유는 앞에서 언급하였듯이 humidifier를 통과하지 않는 기체인 경우에 membrane에 충분한 수분을 공급하지 못함으로서 membrane의 전도성을 저하시키는 요인으로 작용한 것이다. 이로 인하여 공급기체가 가습되어 cell로 유입된 경우의 성능에 비하여 낮은 성능이 나타나게 된 것이다. 따라서 연료전지에서 우수한 성능을 확보하기 위해서는 membrane에 충분한 수분을 공급해야 하며, 이를 위한 방법으로 공급기체를 가습시키는 기술이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.

그림 2는 공급되는 기체의 유량에 따른 상대습도의 변화를 나타낸 것이다. Humidifier 와 hygrometer vessel의 온도를 60℃로 동일하게 유지한 상태에서  연료기체(산소, 수소, 공기)의 공급되는 유량이 증가할수록 상대습도가 증가하는 경향을 볼 수 있었다.  결과를 보면 1□/min이하에서는 유량이 증가에 따른 가습되는 양의 변화가 크게 나타나는데 반하여, 1□/min이상부터는 유량의 증가에 따른 가습되는 양의 변화폭이 작아짐을 확인할 수 있다. 이는 공급되는 기체가 humidifier를 통과할 때 발생되는 residence time의 영향과 bubbling 효과에 의한 영향 때문으로 추정되어진다. 공급되는 유량이 증가할수록 humidifier내의 diffuser에 의하여 물의 bubbling을 활발하게 함으로서 물과 기체의 접촉면적을 증가시키며, 이로 인하여 공급되는 유량에 대하여 가습되는 양이 증가하는 경향이 나타나는 것이다. 공급유량이 1□/min을 전후로 증가폭이 변화하는 것은 유량이 1□/min이하인 경우에는 residence time보다는 bubbling에 의한 효과에

그림 1. 공급기체의 가습에 따른      그림 2. 공급되는 기체의 유량에 따른

성능 변화                           상대습도 및 온도의 변화

우세한 경향을 보이고, 1□/min(잔류시간 64 sec)이상부터는 residence time의 영향이 우세하게 나타나기 때문에 증가폭이 감소하는 것으로 추정할 수 있다. 결국 공급되는 유량을 계속 증가시키면 residence time의 영향이 우세한 영향을 미침으로서 가습되어지는 양은 감소하는 경향을 보이는 것을 실험을 통하여 확인 할 수 있었다. 따라서 단위전지에 사용시에는 외부가습 형태가 유리하지만 대용량 stack에 사용할 경우에는 공급되는 유량이 많아지므로 충분한 가습을 위해서는 대용량 humidifier가 필요하다. 그러나 이는 연료전지의 상용화를 위한 조건인 소형화에 부합되지 않으므로 최근에는 내부가습 방식을 이용해서  많은 유량의 공급기체를 가습시키는 방법을 사용하는 추세이다.

그림 2에서 공급되는 기체의 종류에 대해서 상대습도 및 온도의  차이가 나타남을 확인할 수 있다. 수소 기체인 경우가 산소나 공기에 비해서 상대습도가 10∼15%정도 적으며, 온도인 경우에는 다른 기체에 비해서 약 2.5 ℃정도 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이와 같이 기체의 종류에 따라서 상대습도 및 온도의 차이가 나타나는데 이를 그림 3에 주어진 공급되는 유량의 변화에 의한 물의 양으로 나타내었다. 그림 3은 산소와 수소의 온도를 40, 60, 80℃에서 측정한 상대습도와 온도를 이용하여 물의 양으로 환산한 값이다. 결과를 보면 같은 측정온도에서 수소와 산소가 포함하는 물의 양은 같음을 알 수 있다. 문헌에 의하면 증기를 포함하지 않은 기체의 단위 몰당 동반되는 증기의 몰수는 partial vapor pressure의 영향을 받는 사실을 확인함으로서, 실험에 사용된 수소 및 산소의 vapor pressure가 비슷한 값을 가지므로 물의 양이 일정하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다[3-4]. 다시 말해서 humidifier를 통과하는 기체에 가해주는 열량이 동일하게 공급되므로 수소 기체인 경우가 산소 기체에 비해서 heat capacity가 낮아 온도가 높게 올라가고, 산소인 경우는 수소에 비해서 낮은 온도를 보인다. 두 기체가 같은 vapor pressure를 가져야 같은 물의 양을 동반할 수 있으므로 온도가 높은 수소인 경우는 낮은 상대습도를 보이며 온도가 낮은 산소의 경우는 높은 상대습도를 나타나게 되는 것으로 사료되어진다.

그림 4는 공급되는 기체의 가습 온도에 대한 vapor pressure를 나타낸 것이다. Humidifier와 hygrometer vessel의 온도를 동일하게 유지하면서 산소 기체

그림 3. 공급되는 기체의 유량에 따른    그림 4. 공급되는 기체의 온도에  따른

물의 양                                vapor pressure

의 유량을 0.2∼2□/min으로 변화시키면서 30∼70℃의 온도에서 가습되는 양을

나타낸 결과이다. 그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이 30℃ 에서 50℃로 증가할 경우에는 vapor pressure의 변화량은 30∼40 mmHg를 보이며, 50℃에서 60℃로 10℃만 증가하여도 30∼40 mmHg의 변화율을 보이고 있으며, 60℃에서 70℃로 증가한 경우에는 50∼70 mmHg의 변화율을 보임을 알 수 있다. 이와 같이 온도가 고온으로 갈수록 vapor pressure의 변화율은 급격히 변화함을 알 수 있었으며, 산소기체 뿐만 아니라 수소 및 공기의 경우에도 온도에 따라서 같은 현상을 보임도 확인할 수 있었다. 이를 통하여 공급기체의 가습될 수 있는 양은 온도에 지대한 영향을 받는다는 것을 확인 할 수 있었다.

결과

1. 단위전지의 성능 변화를 확인함으로서 연료전지에서 우수한 성능을 확보하기

위해서는 membrane에 충분한 수분을 공급해야하며, 이를 위한 방법으로 공

급기체를 가습시키는 기술이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.

2. 공급되는 유량이 증가할수록 가습되는 양이 증가하는 것은 residence time의

영향과 bubbling 효과에 의한 영향 때문으로 공급유량이 1□/min을 전후로

증가폭이 변화하는 것은 유량의 1□/min이하인 경우에는 residence time보다는

bubbling에 의한 효과가 우세한 경향을 보이며, 1□/min(잔류시간 64 sec)

이상부터는 residence time의 영향이 우세하게 나타나기 때문에 증가폭이

감소하는  것으로 추정할 수 있다.

3. Humidifier를 통과하는 기체에 가해주는 열량이 동일하게 공급되므로 수소

기체인 경우가 산소 기체에 비해서 heat capacity가 낮아 온도가 높게  올라

가고, 산소인 경우는 수소에 비해서 낮은 온도를 보인다. 두 기체가 같은

vapor pressure를 가져야 같은 물의 양을 동반할 수 있으므로 온도가 높은

수소인 경우는 낮은 상대습도를 보이며, 온도가 낮은 산소의 경우는 높은 상

대습도를 나타나게 되는 것으로 사료되어진다.

참고문헌

1. D. baradie and C. Poinsignon  "Thermostable ionomeric filled membrane

for H2/O2 fuel cell”,     J. Electrochem. Soc., 74 (1997)

2. T. A. Zawodzinski, M. Neeman and L. O. Stillernd " Determination

of water diffusion cofficients in perfluorosulfonate ionomeric membrane"

J. Phys. Chem. 95 (1991)

3. H. P. Robert and D. W. Green,“Perry's Chemical Engineers'          Handbook”, seventh edition, (1997)

4. J. M. Smith and H. C. Van Ness "Introduction to Chemical       Engineering Thermodynamics" , fifth edition (1996)