직접 메탄올 연료전지의 제작 및 운전 특성 연구

양경훈, 김기철, 정주호, 조성주, 조성민

성균관대학교 공과대학 화학공학과

A Study on Operational Characteristics of

Direct Methanol Fuel Cells

K. H. Yang, K. C. Kim, J. H. Chung, S. J. Cho, Sung M. Cho

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University,

Suwon 440-746, Korea

서론

1960년대 우주계획에 의해 발전 개발된 연료전지는 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 직류발전 장치로서 디젤발전, 증기가스 터빈 장치 등의 다른 발전장치에 비해 발전효율이 높고 소음 및 유해 배기가스 등에 의한 문제점이 적은 장점을 가지고 있다[1].  연료전지는 전해질의 종류에 따라 분류될 수 있으며, 그 중 고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자 막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있으며, 전해질로 고분자 막을 사용하므로 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 디자인이 간단하며 제작이 쉬운 장점이 있다.

물과 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지는 수소 등의 기체를 연료로 사용하는 연료전지에 비하여 그 효율이 떨어지나, 연료의 휴대 안전성과 운전 온도가 낮아 휴대용 장비에 적합한 소형 전원으로의 개발이 용이하다.  이와 같은 장점으로 인하여 폐기시 환경공해 물질을 배출하는1차 및 2차 전지를 대체하기 위한 최적동력원으로 액체연료형 연료전지가 주목을 받고 있다[2-3].

본 발표에서는 직접 메탄올 연료전지를 제작하고 제작된 연료전지의 운전특성을 조사하였다.

실험

연료극의 diffusion layer로는 탄소 종이와 Teflon으로 발수 처리한 탄소 종이를 그대로 사용하거나 탄소 천에 탄소(Vulcan XC-72)와 Nafion ionomer를 혼합하여 바른 후 사용하였고, 공기극의 diffusion layer로는 각각 Teflon으로 발수 처리한 탄소 종이를 그대로 사용하거나 탄소 천에 탄소(Vulcan XC-72)와 Teflon을 혼합하여 바른 후 공기분위기로 350℃에서 30분간 소결하여 사용하였다.  전극은 연료극의 경우 Pt-Ru, 공기극의 경우 Pt 촉매를 Nafion ionomer와 혼합하여 사용하였으며 전해질은 10vol.% 과산화수소, 초순수, 1M 황산, 초순수의 순으로 80℃에서 각각 1시간씩 처리한 Dupont사의 Nafion 117을 사용하여 hot pressing 방법으로 MEA를 제작하였다.

제작된 MEA의 운전특성을 관찰하기 위하여 연료극에는 2M 메탄올을 펌프를 사용하여 주입하였으며 공기극에는 산소를 주입하였다.

결과 및 고찰

제작된 연로전지는 초순수로 수 시간 swelling한 이후 연료를 주입하여 그 특성을 관찰하였으며 처음 연료가 주입된 이후 일정 기간동안 촉매의 활성이 증가함에 따른 전지의 성능 증가를 볼 수 있었다.

Fig. 1은 연료극의 연료인 메탄올의 농도를 1∼2.5M까지 변화시켰을 때 단위전지의 성능을 측정한 결과이다.  운전은 상온에서 실행되었으며 7ml/min의 유속으로 고정시켜 메탄올을 주입하였고 압력은 가하지 않았다.

공기극에는 산소를 주입하였으며 2kgf/cm2의 출구 압력을 가하였다.  메탄올의 농도가 1M, 2M, 2.5M로 증가함에 따라 O.C.V.가 각각 0.67, 0.65, 0.64V로 조금씩 감소하였으며 이는 메탄올의 농도가 증가함에 따라 메탄올 crossover가 증가되어 메탄올이 공기극에서 반응함에 따라 공기극의 분극작용을 방해하게 되고 그에 따라 전압의 감소가 나타나기 때문이라 사료된다.  중 전류구간에서는 전해질의 IR 강하에 의한 과전압에 의해 모든 농도에서 유사한 그래프를 그리다가 고 전류구간에서는 diffusion layer를 지나 촉매층에 다다르는 메탄올의 양이 부족하게 되어 2.5M보다 낮은 농도에서는 전압의 감소가 발생하는 것을 볼 수 있었다.

Fig. 2는 연료극과 공기극의 압력변화에 대한 전지 특성을 나태내고 있는데 연료극의 메탄올 농도는 2.5M, 유속은 6ml/min으로 고정하였고, 공기극에는 산소를 주입하였으며 상온에서 운전하였다.  연료극을 0.5kgf/cm2의 출구압력을 가한 상태에서 공기극의 출구 압력을 0.5∼3kgf/cm2까지 변화시켰을 때 연료극과 같은 압력인 0.5kgf/cm2에서는 현저히 성능이 떨어지다가 2kgf/cm2으로 압력을 증가하였을 때 성능이 증가하였으며 그보다 높은 압력인 3kgf/cm2의 출구 압력을 가하였을 때에는 더 이상의 증가를 보이지는 않았다.  연료극에 비해 공기극의 압력이 높으면 메탄올의 crossover를 막게 되며 또한 공기극 촉매층으로 충분한 산소를 공급해 줌으로써 성능은 증가한다.  그러나 그 이상의 압력을 가하였을 때 더 이상의 성능 증가가 보이지 않는 것으로 보아 메탄올의 crossover를 감소시킨 것이 성능 증가의 주된 원인임을 알 수 있다.

Fig. 3은 diffusion layer로 탄소 종이와 탄소 천을 사용한 MEA를 동일한 조건으로 운전하였을 때의 전지 특성이다.  연료극에 2M의 메탄올을 2ml/min의 유속으로 75℃의 온도를 유지하면서 주입하였으며 0.6kgf/cm2의 출구 압력을 가하였다.  공기극에는 humidifier를 통과한 산소를 75℃로 유지하고 주입하였으며 2.4kgf/cm2의 출구 압력을 가하였다.  diffusion layer로 탄소 천을 사용하였을 경우에 있어서 더욱 뛰어난 성능을 나타내고 있는데, 이는 액체상태로 유입되는 연료가 촉매층으로 전달되는 과정에서 기공이 더 큰 탄소 천을 사용하였을 때 더욱 효과적으로 연료가 전달되어진다 할 수 있다.

결론

최근 대체 동력원으로 개발이 활발해지고 있는 직접 메탄올 연료전지를 제작하고 제작된 연료전지의 운전 특성을 관찰하였다.  처음 연료를 주입한 후 일정 기간동안 촉매의 활성 증가에 따른 전지의 성능 향상을 볼 수 있었다.  메탄올의 농도가 증가함에 따라 저 전류영역에서는 메탄올의 crossover에 의하여 공기극 촉매층에서 메탄올의 분해가 일어나 O.C.V.의 감소가 발생하고 고 전류영역에서는 메탄올의 농도가 감소함에 따라 촉매층에 도달하는 메탄올의 양이 감소하여 그 성능이 감소하는 것을 알 수 있었다. 또 연료극에 비해 공기극의 압력을 높게 함으로써 메탄올의 crossover를 막고 공기극 촉매층으로 충분한 산소를 공급해 줌으로써 성능이 증가하지만 일정 압력 이상의 압력을 가하였을 때 더 이상의 성능 증가가 보이지 않는 것으로 보아 메탄올의 crossover를 감소시킨 것이 성능 증가의 주된 원인임을 알 수 있다.  연료극에 액체상태로 메탄올을 주입하는경우 동일한 운전 조건에서 탄소 종이를 diffusion layer로 사용하였을 때 보다 상대적으로 기공이 큰 탄소 천을 사용하였을 때 더욱 뛰어난 성능을 얻을 수 있었다.

참고문헌

1. A. J. Appleby and F. R. Foulkes, "Fuel Cell Handbook", Vol. 1, Van

.  Nostrand Reinhold, N.Y., Ch. 8(1989)

2. T. E. Springer, T. A. Zawodzinski and S. Gottesfeld, J. Electrochem.

.  Soc., 138, 8(1991)

3. Xiaoming Ren, Mehlon S. Wilson and Shimshon Gottesfeld, J. Electrochem. Soc., 143, 1(1996)

Fig. 1. Polarization curves of a single cell at room temperature

different methanol concentration, O2, 2kgf/cm2

Fig. 2. Polarization curves of a single cell at room temperature

2.5M CH3OH, 6ml/min,

Fig. 3. Polarization curves of a single cell using different diffusion layer

2M CH3OH, 2ml/min, 0.6kgf/cm2, 75℃,

humidified O2, 2.4kgf/cm2, 75℃, cell temperature 90℃