직접 메탄올 연료전지에 대한 준 실험 전지전압 모델

Abstract

본 연구의 목적은 연료전지 내의 고분자 전해질과 메탄올 사이의 상평형을 분자 시뮬레이션을 연계 고찰하는 것이며 메탄올과 활동도를 이용하여 직접메탄올 연료전지에서 가장 큰 문제점이라 할 수 있는 메탄올 크로스오버 현상을 분석하였다. 또한 고분자 전해질의 물성에 따른 실제 연료전지의 성능과 준실험식을 통하여 전체적인 연료전지의 성능에 미치는 효과의 성능을 분석하였다. 제 1장 기존의 Srinivasan의 연료전지의 전류밀도에 대한 전지압 모델은 log(j)항을 가지고 있어 전류밀도가 0일 경우 수학적으로 정의 되지 않는다. 이에 본 연구에서는 전기화학적 반응식인 Butler-Volmer equation과 Taylor expansion을 통해 전류밀도가 0일 경우 수학적 결함을 해결할 수 있는 식을 제안하였다. 또한 기존의 모델은 직접 메탄올 연료전지 가동 시 메탄올의 침투현상인 메탄올 크로스오버를 고려하지 않았지만 본 연구에서는 메탄올 크로스오버를 고분자 전해질내의 메탄올 활동도로 표현하였다. 결과적으로 본 모델은 실험 데이터와 상당히 일치하여 정확함을 알 수 있다. 제 2장 연료전지의 가동 시 산소와 수소이온의 반응과 가습으로 인하여 고분자 전해질과 물로 구성된 시스템이 생성된다. 연료전지 내에서 고분자 전해질과 물로 구성된 시스템에서 물은 중요한 역할을 담당하고 있다. 이에 이를 물의 활동도로 표현하기 위해 새로운 상태 방정식을 제안하였다. 고분자 전해질과 물의 시스템이 생성되면 고분자 전해질의 팽창현상이 일어나게 된다. 따라서 modified double lattice model을 기반으로 한 물의 활동도를 표현하였다. 제 3장 직접 메탄올 연료전지의 가동 시 메탄올이 anode로 부터 확산되어 고분자전해질 내의 물과 섞이게 된다. 또한 확산된 메탄올은 cathode의 산소와 직접 반응하여 연료를 소비하고 연료전지의 전지압을 낮추게 된다. 이를 메탄올 크로스오버라 하는데 이 때문에 직접 메탄올 연료전지의 성능이 낮아지게 된다. 그리하여 본 연구에서는 직접 메탄올 연료전지 구동 시 발생하는 메탄올 크로스오버를 물, 메탄올, 고분자 전해질 세 물질이 이루고 있는 ternary 시스템에서의 메탄올 활동도를 Wohl의 식을 이용하여 표현하였다. 연구결과 메탄올의 농도가 높을 경우 연료전지의 성능이 높아지는 것을 예측할 수 있었고 메탄올 크로스오버 현상이 일어나지 않을 경우 OCV는 높아지며 연료전지의 성능도 높아짐을 예측할 수 있었다.; CHAPTER I A new semi-empirical model is established to describe the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) as a function of current density. The proposed model focuses on very unfavorable conditions for the cell operation, i.e. low methanol solution concentrations and relatively low cell temperatures. . The model equation is validated experimental data over a wide range of a methanol concentration and temperatures. A number of existing models are semi-empirical. They, however, have a serious mathematical defect. In their models, when the current density, j , becomes zero, the cell voltage goes to the infinity. A newly developed semi-empirical equation corrects this mathematical defect and includes the methanol crossover effect that plays a major role in determining the cell voltage of DMFC. The model equation is validated experimental data over a wide range of a methanol concentration and temperature. CHAPTER II A new semi-empirical model is established to describe the cell voltage of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) as a function of current density. The proposed model focuses on conductivity of PEM fuel cell. We established model for conductivity of polymer electrolyte membrane, Nafion, by use of thermodynamic function to present water activity. When water is absorbed into the Nafion the membrane swells. We explained conductivity of membrane by chemical potential of the swelling of the hydrogel. A number of existing models are semi-empirical model for cell voltage vs current density. They, however, have a serious mathematical defect. When the current density, j , becomes zero, the equation should reduce to the open circuit voltage, E_(0) . CHAPTER III A new thermodynamic model is established to describe the cell voltage of a direct methanol fuel cell (DMFC) as a function of current density. The proposed model focuses on ternary system of DMFC. Methanol diffuses from anode and mixes very readily with water, and so spreads into the water and through the electrolyte to the cathode. We express methanol crossover using Wohl’s equation methanol activity of ternary system of methanol, water and Nafion 117. And we described resistance model for membrane using ionic conductivity and chemical potential of swelling. And we refer to variation of cell voltage as operating temperature and methanol concentration of inlet.