(A) study on the gas crossover through the membrane in polymer electrolyte membrane fine cells

Abstract

고분자 전해질 막 연료전지에는 주로 고분자 멤브레인이 이온 교환막으로 널리 사용되고 있다. 멤브레인의 가장 중요한 기능은 수소 이온을 음극에서 양극으로 전달시켜 주는 역할이지만, 연료전지에 공급되는 수소와 공기의 혼합을 방지하는 막의 역할도 동시에 수행하고 있다. 하지만, 고분자 물질로 구성되어 있는 멤브레인의 특성 때문에 수소 및 공기가 멤브레인을 통과하여 투과되는 현상이 발생하게 되는데, 이를 기체 크로스오버 현상이라 한다. 본 연구에서는 연료전지에서 발생되는 수소, 산소 및 질소 기체의 크로스오버 양을 질량분석기를 사용하여 정량적으로 측정하고 분석하였다. 우선적으로 기체 크로스오버에 영향을 미치는 주변 인자들의 영향을 분석하기 위하여, 연료전지의 온도, 가습량, 압력 및 멤브레인 두께를 변화시켜가며 수소 크로스오버를 측정하였다. 실험 결과 수소 크로스오버는 연료전지의 주변 온도 및 공급되는 기체의 가습량 증가에 따라 선형적으로 증가하였다. 또한, 연료전지 공급 기체의 압력 증가에 대해서도 선형적인 증가를 보였다. 실험 결과를 다중 회귀 분석 통계 방법을 사용하여 각각의 주변 인자가 수소 크로스오버에 미치는 영향도를 분석한 결과, 수소 크로스오버에 큰 영향을 미치는 인자는 멤브레인 두께, 압력, 가습량, 온도 순서로 분석이 되었다. 다음으로 연료전지 내부에서의 국소적인 수소 크로스오버를 측정하기 위하여 특수 제작한 양극측 분리판을 자체적으로 개발하였다. 새롭게 제작한 분리판을 연료전지에 적용하여 연료전지 채널 입구에서 출구까지 수소 크로스오버가 국소적으로 어떻게 발생되는지를 분석하였다. 실험 결과 수소 크로스오버는 연료전지 입구 영역에서 다량 발생함을 알 수 있었고, 채널 출구 쪽으로 갈수록 수소 크로스오버가 발생하는 양은 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 국소적인 수소 크로스오버 차이를 발생시키는 원인 중 하나로 연료전지에 공급되는 수소 기체 압력의 영향으로 분석할 수 있다. 연료전지 내구성 저하의 원인으로 지적 받고 있는 산소 크로스오버 또한 기존 방법과는 다른 본 연구에서 개발한 새로운 방법을 통하여 측정하였다. 이번 연구에서 효과적인 산소 투과 계수 값을 새롭게 제시함으로써 음극의 물관리 및 내구성 저하에 영향을 미치는 산소크로스오버의 정확한 양을 제시하였다. 질소 크로스오버 측정 또한 다양한 온도 및 가습 조건에서 수행을 하였다. 먼저 개회로 전압 조건에서 질소 크로스오버는 온도와 가습량에 비례하여 증가하는 경향을 보였다. 또한 질소 투과 계수를 계산함으로써 수소 재순환 시스템에서의 질소 누적 모델 개발을 위한 기초 자료를 제공하였다. 마지막으로 기체 확산층 구조에 따른 멤브레인 단락 현상을 관찰하기 위하여 체결압력에 따른 연료전지 성능, 수소 크로스오버 및 개회로 전압을 측정하였다. 기체 확산층 1번 구조(탄소 펠트)를 사용 하였을 때 다른 기체 확산층 보다 높은 성능을 나타내는 것을 확인하였다. 기체 확산층 기재의 침투로 인한 수소 크로스오버 증가 또한 기체 확산층 1번 구조를 사용 하였을 때 수소 크로스오버 증가률이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 기체 크로스오버 실험 결과들은 연료전지 작동 중 고장 원인을 분석하는데 핵심 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.