고분자 전해질 연료전지의 성능특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 고분자 전해질 연료전지의 작동온도, 수소의 유량, 공기의 유량, 공기 극의 배압과, 연료 극의 배압과 같은 작동조건을 변화시켰을 경우 연료전지의 성능특성에 미치는 영향을 실험적으로 구한 것이다. 연료전지의 작동온도, 연료 극과 공기 극의 가습온도와 같은 온도와 관련된 작동조건은 40, 50, 60℃로 변화하여 실험하였으며, 수소의 유량은 45, 110, 225㎤/min 로 변화시켰으며, 공기의 유량은 200, 400, 800㎤/min 로 조절하여 공급하였다. 연료극과 공기극의 배압은 100kPa, 150kPa, 200kPa 로 증가시켜가며 실험을 실시하였다. 개방회로전압(Open circuit voltage)으로부터 일정 전압모드로 0.02V씩 감소시키며 전류값을 측정하여 전압과 전류밀도의 그래프로 나타내었으며, 연료전지의 최대전류밀도를 나타내는 0.5V일 때 10mHz에서 100kHz범위의 주파수를 사용하여 임피던스 테스트를 수행하여 취득한 실수 값과 허수 값을 X축과 Y축 값으로 나타낸 Nyquist plot으로 도식화 하고 이를 통하여 저항 손실과 활성화 손실을 분석하였다. 연료전지의 작동온도가 상승과 공기의 유량이 증가함에 따라 연료전지의 성능이 향상된 것으로 나타났다. 이는 공기의 유량의 증가와 함께 산소의 공급량이 증가하여 많은 양의 환원반응이 일어난 것으로 판단 할 수 있었다. 공기극의 배압이 증가와 함께 성능이 향상되는 경향을 보였으며 연료극의 배압과 수소유량이 증가함에 따라 개방회로 전압이 감소하는 경향을 보였다. 본 실험에서는 공기극의 작동조건인 공기의 유량, 공기기의 가습온도, 공기극의 배압 조건에 관하여 부하를 변동하는 실험을 통하여 응답 특성 실험을 수행하였다. 그 결과 본 실험에 사용한 연료전지는 전압의 언더슈트가 나타나지 않았으며 오버슈트 현상 또한 20%를 넘지 않는 범위서 발생하였다. 가습온도가 증가할수록 전압의 오버슈트가 감소하였으며 공기 유량이 증가할수록 물 배출이 원활하게 되어 전류의 오버슈트가 감소하였고, 공기극 배압이 증가할수록 물의 배출이 억제되어 전류의 오버슈트 현상이 증가하였다.