고분자전해질 연료전지의 전기화학적 모델

Abstract

본 연구의 목적은 고분자/염으로 구성된 이성분계 고체 고분자 전해질의 상 거동과 이온 전도도를 이론과 실험측면에서 연계하여 고찰하는 것이며, 고체 고분자 전해질의 이온 전도도의 변화에 영향을 미치는 주요한 인자를 분석하는 것이다. 제 1장 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 작동원리는 고분자 전해질을 통해 수소이온이 이동함으로써 기전력이 발생하는 구조를 가지고 있다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에 관해서 Srinivasan, Kim, Scott 등이 모델식을 개발하였다. 하지만, 고분자 전해질의 수소 이온의 활동도에 따라 계산하는 모델식은 존재하지 않는다. 고분자 전해질(Polymer Electrolyte Membrane)을 통해 이동하는 수소이온의 활동도를 계산할 수 있을 경우, 연료전지의 성능을 보다 효과적으로 나타낼 수 있다. Manning의 이론은 수소이온이 bound 되는 것을 이용하여 pKa를 측정할 수 있는 방법으로 주로 단백질 연구에 이용되고 있다. Mannig의 이론과 pKa값과 수소 이온과의 활동도를 계산하여 이를 연료전지 식에 대입하여 연료전지 모델식을 수립하였다. 이 모델식은 옴 저항과 전극 전해질 과전압과 확산 과전압에 관한 식을 포함하고 있다. 이 식은 수소의 활동도를 고려하여 연료전지의 성능을 보다 잘 표현하고 있다. 제 2장 직접 메탄올 연료전지(DMFCs)의 Open Circuit Voltage(OCV)를 예측하는 모델을 수립하였다. 이 모델은 concentrated solution 이론과 modified double lattice- nonrandom(MDL-NR) 모델을 결합한 모델로써 고분자 전해질의 비이상성을 고려하였다. 이 모델의 activity parameter는 직접 메탄올 연료전지의 OCV를 통해서 계산되며, 이를 계산하기 위해서 transport number, 를 추가적으로 사용하였다. 제시된 모델은 다양한 온도, 농도 조건의 OCV를 만족시킨다.; CHAPTER I A new semi-empirical model is proposed to describe cell performance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) as a function of current density. The model is developed by introducing proton activity in polymer membrane is based on Mannig’s counter condensation theory. The theory explains contribution free protons and ionizable acid groups. A new developed semi-empirical equation with valid diffusion overpotential plays a major role in determining the performance of PEMFCs. The values calculated from the proposed model are good agreement with experimental data for given systems. CHAPTER II The open circuit voltage (OCV) model of Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs) is established by combining concentrated solution theory with the modified double lattice-nonrandom (MDL-NR) model which describes the non-ideal behavior of the salt activity in the polymer electrolyte. The activity parameters are obtained from the phase diagram for the given systems and used to describe the OCV of the corresponding systems with one additional parameter, transport number, t^(0)_(+) . The proposed model agrees very well with the OCV data for various temperature conditions.