PEMFC의 내부가습방식에 대한 연구

현덕수, 김준범

울산대학교 화학공학과

A study of the internal humidification method in PEMFC stack

Deok-su Hyun, Junbom Kim

Department of Chemical Engineering, University of Ulsan

서론

연료전지는 전기화학 반응에 의한 생성물이 환경친화적인 물이라는 이점으로 인하여 전세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 고체 고분자전해질형 연료전지는 저온에서 운전되어지며, 구조가 단순하여 소형화가 가능하다는 이점으로 인하여 소형 이동전원으로 활발한 연구가 이루어지고 있다. 고체 고분자전해질형 연료전지(PEMFC) stack의 성능은 membrane의 전도성에 지대한 영향을 받는다. 이러한 전도성은 membrane의 가수화(hydration state)상태에 선형적인 비례 관계를 보이는데 가수화 상태가 높을수록 우수한 전도성을 보유하게 된다[1]. 그러므로 연료전지의 우수한 성능을 얻기 위한 필수조건이라 할 수 있는 가습에 영향을 주는 요인 등을 해석할 필요가 있다.

본 연구에서는 PEMFC stack의 cooling water로 사용되어지는 물을 이용하여 공급 gas를 가습시키는 방식인 내부가습 방식에 주안점을 두고 stack의 운전시에 가습부에 영향을 주는 요인들을 해석하고자 실험을 수행하였다. PEMFC stack에서의 내부가습에 주요인이 되는 공급기체의 유량에 대한 실험과, 공급되는 물의 유량 및 온도가 공급기체의 가습에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다.

실험

본 연구에서는 자체적으로 설계하여 제작한 접촉면적이 50cm2인 내부가습기를 사용하였다. 기체를 가습하기 위하여 water permeable membrane으로 우수한 성능을 나타내는 것으로 밝혀진 ultrafiltraion membrane을 alcohol로 전처리 한 후 가습기 내부에 유입하여 실험을 수행하였다[2]. 내부가습기에 일정유량의 물을 공급하기 위하여 FML사의 lab pump와 model V200인 stroke rate controller를 사용하였다. 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 hygrometer vessel에서 측정된 값의 신뢰도에 대한 실험을 우선적으로 실행함으로서 앞으로 제시되는 data에 대한 신뢰성을 제시하고자 한다. 공급기체와 물의 유량을 일정하게 유지하면서 유입되는 물의 온도와 hygrometer vessel의 온도를 동일하게 맞추어서 실험을 수행하였다. 그림 1에는 수소기체 유량을 0.5 □/min 에서 10 □/min까지 변화시키면서 측정한 상대습도값을 나타내었다. 그림 1에서 볼 수 있는 바와 같이 수분내에 상대습도가 일정한 값을 유지함을 알 수 있었고, 수소뿐만 아니라 연료전지에 공급되는 산소 및 공기도 일정한 값으로 안정화가 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다. 앞으로 제시되는 측정값은 그림 1에서 보여준 바와 같이 일정한 값으로 안정화된 상태의 결과를 취하여 사용하였다.

그림 2는 산소기체를 사용하고 물과 hygrometer vessel의 온도를 60 ℃로 유지하면서 물의 유량이 104 □/min인 조건하에서 내부가습기의 plate 수와 기체유량을 변수로 한 경우의 상대습도값이다. 공급되는 기체의 유량을 1 □/min 에서 10 □/min사이로 변화시키면서 가습되는 양의 변화를 관찰하였는데, 내부가습기의 plate 수가 1장인 경우에는 공급되는 기체의 유량이 증가할수록 상대습도가 감소하고 있으며, plate 수가 2장인 경우에는 기체유량의 3 □/min 까지는 일정하게 유지되다가, 3 □/min부터는 기체 유량이 증가할수록 상대습도가 감소하는 것으로 관찰되었다. 내부가습기의 plate 수가 3장과 5장인 경우에는 공급기체의 유량이 10 □/min가 되어도 상대습도의 변화가 적게 나타남을 관찰할 수 있었다. 이와 같이 내부가습 방식에서 공급되는 기체의 유량이 증가함에 따라 가습되는 양이 감소하는 것과 plate 수가 증가할수록 가습되는 양이 증가하는 현상은 물과의 접촉면적과 내부가습기를 통과하는 기체의 residence time의 영향으로 추정할 수 있다. 이와 같은 결과를 토대로 대용량 연료전지에 필요한 다량의 기체를 가습하는데 필요한 적정한 내부가습 면적을 제시할 수 있는 근거를 확보하기 위한 실험을 진행 중에 있다.

가습되는 정도를 확인하기 위해서는 relative humidity도 중요하지만 온도에 따른 기준점이 될 수 있는 vapor pressure와 물의 양에 대한 해석도 이루어져야 한다. Hygrometer에서 측정된 온도와 상대습도를 이용하여 vapor pressure를 계산할 수 있다[3]. 이와 같이 계산된 vapor pressure의 값도 그림 3에서 볼 수 있는 바와 같이 일정 유량까지는 습도가 어느 정도 일정하게 유지되다가 많은

그림 1. 시간에 대한 수소기체의 상대습도     그림 2. 기체의 유량에 대한 상대습도

유량이 흐를 경우에는 습도가 감소하는 결과를 확인할 수 있었다. 기체의 유량에 따른 가습되는 물의 양은 다음의 식을 사용하여 계산하였다. 식에서 아래 첨자 A는 수증기를 나타내고 B는 건조한 기체를 나타내고 있다.

NA : water phase [mol/min]

[eqn: { N}_{A } = { { P}_{A } } over { { P}_{B } } { { P}_{B } { V}_{B } } over {R {T }_{ } } = { { P}_{A } { V}_{B } } over {R {T }_{ } }]  VB : intput gas volume rate [L/min]

PA : vapor pressure [mmHg]

기체의 유량이 증가할수록 공급되는 물의 양이 증가하는 것을 관찰할 수 있었으며 이는 유량이 증가가 vapor pressure의 감소를 보완하는 것으로 실제로 가습되는 물의 절대량은 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 연료전지의 운전에 있어서 물의 양도 중요하지만 상대습도도 매우 중요하므로 운전효율을 높이기 위한 조건을 찾기 위하여 상대습도도 높이면서 물도 적절하게 공급될 수 있는 조건에 대한 연구가 수행 중에 있다.

그림 3은 내부가습기의 plate 수가 한 장인 경우에 산소를 사용하고 물의 온도와 hygrometer vessel의 온도를 60℃로 동일하게 유지한 조건하에서 물의 유량에 대한 가습 효과를 vapor pressure로 나타낸 것이다. 공급되는 물의 양이 가습에 미치는 효과를 볼 때 물의 유량의 증가할수록 가습되는 정도는 증가하지만, 일정 수치 이상이 되면 가습되는 양은 더 이상 증가하지 않는 것을 관찰할 수 있었다. 내부 가습기의 plate 수가 변화하여도 동일한 결과가 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 예를 들어 기체의 유량의 3 □/min이고 물의 유량이 50 □/min인 경우를 기준으로 하면 104 □/min인 경우에는 vapor pressure가  26.4% 증가하였지만, 150 □/min인 경우에는 47.9%, 200 □/min인 경우에는 50.4%, 250 □/min인 경우에는 50.7%의 증가를 나타내고 있다. 이와 같이 물의 유량이 적은 영역에서는 가습되는 양이 공급되는 물의 유량에 크게 영향을 받다가 물의 유량의 150 □/min이상인 경우에는 가습되는 양에 별로 영향을  미치지 못한다는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 실험으로부터 대용량 stack 운전시 사용되어야 하는 물의 유량에 대한 optimum point를 습득함으로서 물의 공급에 사용되는 에너지의 양을 감소시켜 전체 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

그림 4는 내부가습기의 수가 2장으로 구성된 system에서 산소를 사용하고 물의 유량을 104 □/min로 공급한 경우에 물의 온도와 hygrometer vessel의 온도를 동일하게 변화시키면서 실험을 수행한 결과를 vapor pressure로 나타낸 것이다. 그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이 온도가 증가할수록 vapor pressure의 값이 증가하는 것으로부터 가습되는 양은 온도에 지대한 영향을 받는다는 것을  확인할 수 있었다. 따라서 다량의 물을 공급하기 위해서는 물의 온도가 높을수록 유리하지만 이 경우에는 active section의 온도가 상승하게 되고 상대습도가 낮아져서 stack의 성능이 불안정해지는 요인이 될 수도 있다. 최근에는   active section에서 cooling water로 사용된 물을 stack의 내부가습에 공급되는 물로 사용하고 있으므로 물을 가열하는데 사용되는 에너지의 손실을 줄일 수 있으며 또한 가습에 사용된 물을 다시 순환하여 재사용할 수도 있는 system이 개발되고 있다.  본 연구에서는 active section의 온도를 적정운전 범위내로 유지하기 위하여 사용된 cooling water의 온도와 공급되는 기체의 유량을 고려한 최적의 가습조건을 구현하기 위한 실험을 수행하고 있다.

그림 3. 물의 유량에 대한 vapor pressure  그림 4. 물의 온도에 대한  vapor pressure

결과

1. 내부가습 방식에서 공급되는 기체의 유량이 증가함에 따라 상대가습가 감소

하는 것과 plate 수가 많아질수록 상대습도가 증가하는 현상은 물과의 접촉

면적과 내부가습기를 통과하는 기체의 residence time의 영향으로 해석되어

질 수 있다.

2. Stack에서는 내부가습기 plate의 수에 관계없이 공급되는 물의 유량이 증

가할수록 가습되는 정도는 증가하지만 일정 유량 이상이 되면 가습되는 양은

더 이상 증가하지 않는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 자료를 토대로 하

여 stack 운전시 사용되는  물의 유량에 대한 optimum point를 습득함으로

서 물의 공급에 따른 에너지 소모를 감소시켜 전체 연료전지 stack의 효율을

향상시킬 수 있을 것이다.

3. Stack에 공급되어지는 물의 온도는 가습되는 물의 양에 지대한 영향을 미치

는 것으로 확인되었다. Stack에서 active section의 온도를 적정온도 범위내

로 유지하기 위하여 사용된 cooling water의 온도와 공급되는 기체의 유량을

고려하여 최적의 가습조건을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌

1. F. N. Buchi and S. Srinivasan,“Operating proton exchange membrane

fuel cells without external humidification of the reaction gases”,

J. Electrochem. Soc., 144, 8 (1997)

2. H. P. Robert and D. W. Green,“Perry's Chemical Engineers'

Handbook”, seventh edition, 2-49 (1997)

3. K. H. Choi and D. J. Park,“A study of the internal humidification of

an intergrated PEMFC stack”, Journal of Power Sources, 74 (1998)