고분자 전해질 연료전지에서 반응기체 농도 분포에 관한 연구

신석재, 박세규, 오인환, 하흥용, 홍성안

한국과학기술연구원 연료전지연구센타

Analysis of the Gas Distribution in a PEMFC Single Cell

S.-J. Shin, S.-K. Park, I.-H. Oh, H.-Y. Ha, S.-A. Hong

Fuel Cell Research Center, KIST

서론

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 출력밀도가 높으며 구조가 간단하고 운전 중에 전해질의 손실이나 누출이 없으면서 응답특성이 빠르기 때문에 무공해 자동차의 동력원, 가정용 발전과 같은 현지설치형 발전, 이동용 전원 등 다양한 분야에 응용할 수 있다[1].  유명 자동차 회사들은 2000년대 중반에 연료전지를 주 동력원으로 장착한 자동차를 양산하기 위하여 경쟁적으로 연료전지 자동차 개발에 박차를 가하고 있다[2].

현지설치형 발전과 같이 고정형으로 사용할 경우에는 기체 공급 방법이 문제가 되지 않지만 이동용 전원으로 사용하고자 할 때에는 기체 보관 방법이 큰 문제로 대두되고 있다.  현재 연구되고 있는 수소 저장 방법은 고압의 기체, 액체 수소, 수소저장 합금, 탄소나노 재료를 이용하는 방법 등이 있으나 기체 저장은 용기의 무게 및 부피 때문에 가솔린과 같은 기존 액체 연료에 비하여 에너지 밀도가 상당히 낮으며, 액체 저장은 대기압 하에서 20K(-253□)에서 수소가 액화되는 현상을 이용한 것으로 BMW에서는 무게 및 부피당 에너지 밀도가 가장 우수한 것으로 보고 있다.  그러나 극저온의 액체이기 때문에 단열 방법이 문제가 되고 있다.  수소저장 합금과 탄소 나노튜브를 이용하는 방법은 안정성이 앞의 방법에 비하여 우수하나 저장효율 및 경제성이 문제로 제기 되고 있다[3].  수소 저장의 문제로 인하여 이동용 전원은 기체 이용율을 높이거나 분리판의 형태를 변화시켜 기체의 이용율을 높이려는 시도가 이루어지고 있다[4,5,6].

이용율을 높이는 것은 공급되는 기체의 양을 줄이는 가장 간단한 방법으로서 이용율이 증가하면 연료전지의 성능이 감소하기 때문에 일반적으로 이용율 50% 이상으로 유지하며 연료인 수소의 이용율을 산화제에 비하여 약간 높게 유지한다.  큰 출력의 연료전지는 대면적의 단위전지를 여러 장 적층해서 스택을 구성하는데 각 셀간 성능차이가 나타나며 전극 면적이 증가하면 기체 입구에서 출구에 이르는 위치에 따라 기체 이용율이 변화하는 문제가 있다.  이러한 차이는 스택의 성능을 저하시키는 요인이 되는데 분리판의 형태나 스택 구성에 따라 그 영향을 감소시킬 수 있다.

본 연구에서는 스택에 사용되는 대면적 단위전지의 운전 중에 기체의 유로를 따라가면서 위치에 따른 기체의 이용율을 측정하여 작은 면적의 단위전지에 비하여 대면적 단위전지에서 나타나는 성능 저하의 원인을 확인하고 그 결과를 대면적 분리판 제작에 응용해 보고자 하였다.

실험

1. 고분자 전해질 연료전지 전극제조

전해질/전극 접합체(MEA)는 촉매로 탄소입자(Vulcan XC-72R)에 백금이 40% 분산된 Pt/C(E-TEK)를 사용하였고, 촉매 지지체로는 발수성을 주기 위해 PTFE를 20% 함유한 carbon paper(TGPH-060)를 사용하였다.  전해질막은 Nafion 115(Du Pont)를, 전해질 용액은 5% Nafion 용액을 사용하였으며, 촉매분말과 nafion 용액을 분사시키는 용매로는 Normal Butyl Acetate(NBA)를 사용하였다.

전극 제조용 잉크는 테프론이 처리되지 않은 Pt/C를 NBA에 분산시키고 초음파 처리하면서 nafion 용액을 첨가하였고 제조된 촉매 잉크는 carbon paper에 에어 브러쉬건을 사용하여 spray coating법으로 코팅하였다.  제조된 두 전극과 Nafion 115 막을 140□, 200atm에서 hot pressing하여 전해질/전극 접합체(MEA)를 제조하였다.  Pt loading은 anode, cathode 동일하게 0.4mg/cm2로 하였다.

이와 같이 제조된 전해질/전극 접합체(MEA)를 그림 1과 같이 특별히 제작된 분리판(end plate)과 개스킷(gasket)과 함께 단위전지를 제작하였고 냉각수는 header 내부를 통과하여 원하는 온도를 유지하도록 하였다.

2. 위치에 따른 기체 이용율 측정

단위전지의 운전은 상압에서 전류에 따른 이용율을 H2 0.67, O2 0.50으로 유지하고 가습기의 온도는 75□로 하였다.  단위전지의 성능은 electronic loader (Daegil Electronics, EL-5000P)를 이용하여 H2/O2와 H2/air에 대하여 전압과 전류를 측정하였다.

기체 이용율 측정은 그림 1과 같이 단위전지의 기체 입구에서 출구에 이르는 유로를 같은 간격으로 4등분하고 각 위치별 기체 유로에서 반응 기체를 채취하여 in-situ로 분석하였다.  위치에 따른 이용율은 cathode에 대하여 측정하였고 반응기체의 농도 분석을 위하여 공기를 사용하였으며 기체의 유량은 산소기준 0.50에서 각 부하에 해당하는 유량을 공급하였다.  그림 2에 실험에 사용한 단위전지를 나타내었다.

결과 및 토론

연료전지 스택의 성능은 MEA의 성능 뿐 아니라 스택의 구조와 유로 형태에도 영향을 받는다.  기체의 유로 형태는 반응 기체를 전극 전체에 고르게 공급하여 전기화학 반응이 모든 위치에서 균일하게 일어나도록 형성하는데 그 구조에 따라 ribbed structure와 interdigitated structure로 크게 나눌 수 있다[7].  스택에 사용되는 대면적의 경우에는 interdigitated structure가 주로 사용된다.  유로의 길이는 가습에 의해서 공급되는 수분이나 반응에 의해 생성된 수분이 응축되어 유로를 막게 되면 기체가 흐르지 않는 채널이 생기게 되므로 입구에서 출구에 이르는 유로를 길게 설계하여 약간의 차압이 걸리도록 하면 응축된 물이 유로를 막는 것을 방지할 수 있다.

그림 3에 단위전지의 성능을 나타내었다. 반응기체는 H2/O2와 H2/air를 사용하였고 산소 기준으로 이용율 0.50로 일정하게 유지하도록 각 전류에 해당하는 유량을 공급하였다.  단위전지의 성능은 H2/O2일 때 0.6V에서 170.1A, 709mA/cm2, H2/air일 때 69.4A, 347mA/cm2이었으며 최고 성능은 0.50V일 때 870mA/cm2, 106W 이었다.

그림 4는 부하를 변화시키면서  각각 경우에 기체 유로를 따라가면서 위치에 따른 산소의 mole 농도를 나타낸 것이다.  위치 1은 단위전지의 기체 입구를 의미하고 위치 4는 기체 출구를 의미하며 단위전지 유로를 따라가면서 기체 입구로 부터 2/4, 3/4의 위치에서도 기체 농도를 분석하였다.  기체는 분리판에 형성된 유로를 따라 흐르면서 전기화학 반응에 사용되기 때문에 입구에 가까운 곳에서는 반응기체의 농도가 높고 출구쪽에서는 농도가 낮아지며 이용율은 반대로 증가하게 된다.  그림에서 입구의 산소 농도가 다른 것은 이용율을 일정할 때 전류와 유량 변화가 비례하기 때문이다.  전류가 작을 때에는 산소 농도 변화가 크지 않지만 전류가 증가함에 따라 산소 농도 변화가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.  이와 같이 기체의 농도 구배는 기체 조성이 균일한 한 개의 단위전지가 아닌, 기체 조성이 다른 여러 개의 작은 단위전지가 연결된 것으로 볼 수 있으며, 위치에 따른 I-V 특성에 대한 연구[8]에서도 같은 현상이 보고되었다.

그림 5는 입구의 산소 농도를 기준으로 하여 분율로 나타낸 것이다.  입구에서의 농도는 반응이 전혀 일어나지 않은 상태이고 출구 쪽으로 가면서 전극 반응에 의해 기체 중의 산소의 농도는 감소하고 출구의 기체 유량도 반응에 의해 소모된 산소만큼 감소된다.  전류의 크기 따라 산소의 mole분율 변화가 다르게 나타나는데 입구와 출구의 mole비가 40A 일 때 0.21에서 100A일 때는 0.35로 크게 나타났으며 출구에서 산소의 mole비가 0.79에서 0.65로 나타났다.  이용율 0.50에 해당하는 유량을 공급했는데 실제 이용율이 0.21에서 0.35로서 출구의 농도가 더 높게 나타나는 것은 유로를 따라가면서 기체 이용율이 변화하기 때문에 공급되는 기체가 전극 전체에서 균일하게 반응하지 못하기 때문으로 생각되었다.

결론

스택에 사용되는 대면적 단위전지에서 기체 유로에 따른 반응기체의 농도를 분석해 보았다.  이용율을 고정시키고 전류에 따라 공급하는 유량을 변화시키면서 위치에 따라 기체 농도를 분석한 결과 전류가 커질수록 위치에 따른 기체 이용율 변화가 크게 나타났다.  그러나 출구에서 측정된 산소의 농도로 계산된 이용율은 공급하는 산소의 이용율보다 낮게 나타났는데 유로 형태를 변화시키거나 스택 구조의 변화를 통하여 향상시킬 수 있을 것으로 생각되었다.

참고문헌

1. K. Kordesch and G. Simader, "Fuel Cells and Their Applications", VCH, Weinheim, Germany, 1996.

2. 오인환, 하흥용, 이태희, 화학공업과 기술, 16(5), 431(1998).

3. 에너지관리공단 수소에너지연구회, 수소에너지기술, 2001.

4. D. Tourbier, J. Ferrall and T. J. Rehg, "Automotive PEM fuel cell system development at honeywell", 2000 Fuel Cell Seminar, 405(2000).

5. H. Maeda, A. Yoshimura, H. Fukumoto, K. Hamano and K. Mitsuda, "Development of 10kW class PEFC module" ,2000 Fuel Cell Seminar, 397(2000).

6. R.G. Spear, Jr., H.H. Mueggenburg and R. Hodge, US Pat. 6,051,331(Apr. 18. 2000).

7. M.J. Escudero, E. Hontanon, P.L. Garcia-Ybarra and L. Daza, "Enhancing PEMFC performance by increasing the gas flow through the electrodes", 2000 Fuel Cell Seminar, 201(2000).

8. A.R. Kucernak, N.P. Brandon, V. Vesovic, S. Atkins, D.J.L. Brett and N. Vasileiadis, "Analysis of heterogeneity in solid polymer fuel cells", 1st European PEFC Forum, 297, 2-6 July 2001.