고분자전해질 연료전지에서 고분자막의 이온전도도에 미치는 전류밀도의 영향

황병찬; 오소형; 이대웅; 정회범; 유승을; 구영모; 나일채; 이정훈; 박권필; Byungchan Hwang; Sohyung Oh; Daewoong Lee; Hoi-Bum Chung; Seung-Eul You; Young-Mo Ku; Il-Chae Na; Jung-Hoon Lee; Kwonpil Park

Korean Chemical Engineering Research, Vol.56, No.1, 1-5, February, 2018

DOI10.9713/kcer.2018.56.1.1 Export Citation

고분자전해질 연료전지에서 고분자막의 이온전도도에 미치는 전류밀도의 영향

Effect of Current Density on Ion Conductivity of Membrane in Proton Exchange Membrane

황병찬, 오소형, 이대웅, 정회범¹, 유승을², 구영모², 나일채³, 이정훈³, 박권필^†

순천대학교 화학공학과, 57922 전라남도 순천시 중앙로 255
¹순천대학교 기계공학과, 57922 전라남도 순천시 중앙로 255
²자동차부품연구원, 31214 충청남도 천안시 동남구 풍세면 풍세로 303
³(주)CNL Energy, 57922 전라남도 순천시 중앙로 255

Byungchan Hwang, Sohyung Oh, Daewoong Lee, Hoi-Bum Chung¹, Seung-Eul You², Young-Mo Ku², Il-Chae Na³, Jung-Hoon Lee³, and Kwonpil Park^†

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University, 255, Jungang-ro, Suncheon-si, Jeollanam-do, 57922, Korea
¹Department of Mechanical Engineering, Sunchon National University, 255, Jungang-ro, Suncheon-si, Jeollanam-do, 57922, Korea
²KATECH, 303, Pungse-ro, Pungse-myeon, Dongnam-gu, Cheonan-si, Chungcheongnam-do, Korea
³CNL Energy Co, 255, Jungang-ro, Suncheon-si, Jeollanam-do, 57922, Korea

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초록

본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 실제 구동되는 고전류밀도 범위까지 임피던스를 분석해 이온전도도에 대해 연구하였다. 가스확산층(GDL)유무가 임피던스에 미치는 영향을 수소투과도 측정에 의해 간접적으로 검토하였다. 저전류 범위(<80 mA/cm2)에서 상대습도(RH)가 60% 이상 높을 때는 고분자 막의 수분 함량이 충분해 막의 이온전도도가 전류 변화의 영향을 받지 않았다. 그러나 RH가 낮을 때는 전류밀도가 증가하면서 수분 생성에 의해 이온전도도가 증가했다. 고전류 영역(100~800 mA/cm2)에서 HFR (High Frequency Resistance)로 구한 막의 이온전도도 실험값과 수치해석에 의해 구한 값을 비교하였다. RH 100%에서는 실험값과 모사한 값 모두 전류 변화에 영향을 받지 않고 일정한 이온전도도를 유지함을 보였다. RH 30~70%에서는 전류밀도 증가에 따라 이온전도도가 증가하다 일정해 지는 경향을 나타냈다.

In this work, we study the ion conductivity by analyzing the impedance to the high current density range that the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is actually operated. The effect of GDL (Gas Diffusion Layer)presence on impedance was investigated indirectly by measuring hydrogen permeability. When the RH (Relative Humidity)was higher than 60% in the low current range (< 80 mA/cm2), the moisture content of the polymer membrane was sufficient and the ion conductivity of the membrane was not influenced by the current change. However, when RH was low, ion conductivity increased due to water production as current density increased. The ion conductivity of the membrane obtained by HFR (High Frequency Resistance) in the high current region (100~800 mA/cm2)was compared with the measured value and simulated value. At RH 100%, both experimental and simulated values showed constant ion conductivity without being influenced by current change. At 30~70% of RH, the ionic conductivity increased with increasing current density and tended to be constant.

Keywords:PEMFC;Membrane;Ion conductivity;Relative Humidity;Current Density;Simulation

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