음극 촉매층에서의 흡착 현상을 고려한 고분자 전해질형 연료전지의 모델링 및 모사

Abstract

본 연구는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 음극 촉매층에서 일어나는 현상들에 대하여 초점을 맞추고, 상용 CFD 프로그램을 사용하여 전산모사를 수행하고자 하였다. 고분자 전해질막 연료전지는 음극과 양극 촉매층에서의 전기 화학 반응에 의하여 전기 에너지를 발생시킨다. 이 때, 촉매층에서는 다음과 같은 몇 가지 현상들이 일어나게 된다. 가스 확산층을 통하여 촉매층까지 이동해 온 반응물들이 촉매층을 구성하는 백금 촉매에 흡착을 하고, 그것들 중 일부가 탈착되거나 전기화학 반응에 의하여 소모된다. 음극 촉매층에서의 현상들을 살펴보는 것이 본 연구의 목적이다. 음극 촉매층에서는 수소가 백금 촉매에 흡착을 하게 되고, 그것들 중 삼상계면의 영역에 흡착한 수소는 전기화학 반응에 의하여 프로톤과 전자로 분리된다. 그것들이 양극 촉매층으로 이동하여 최종적으로 물을 생성하게 된다. 이 연구로부터 우리는 음극 촉매층에서 흡착과 탈착 그리고 전기화학 반응이 어느 정도 일어나는 지 살펴볼 수 있었고, 기존의 모델 보다 촉매층에서의 현상들에 대하여 깊이 있게 분석할 수 있었다. 또한 음극 촉매층에서의 현상들에 대한 Parametric study를 통하여 전지의 성능 향상을 위한 방안을 제시할 수 있었다.; This research focuses on the phenomena occurring on an anode catalyst layer in PEMFC and it is simulated by CFD tools. PEMFC generates an electric energy by the electro-chemical reaction on both catalyst layers. At this time, several phenomena occur successively on a catalyst layer. First, reactants moving through the gas diffusion layer adsorb on Pt catalysts composing a catalyst layer, and a part of those desorbs or consumes by the electro-chemical reaction. Looking around the phenomena on an anode catalyst layer is the present research objective. In catalyst layer, Hydrogen absorbs on Pt-catalyst and absorbed hydrogen on the three-phase boundary of that divides into proton and electron. From this research we could account for the adsorption, desorption and electro-chemical reaction on an anode catalyst layer, and we could analyze the phenomena on catalyst layer more deeply than previous models.