Study on the water removal method in catalyst layer and gas diffusion layer in polymer electrolyte membrane fuel cell

Abstract

플러딩, 기체퍼지, 냉시동. 첫째, 수소 주입방법이 낮은 셀 작동온도에서 플러딩을 해소하기 위하여 처음으로 도입되었다. 다공성 매질에 응축된 물을 제거하기 위해서는 응축된 물을 제거하기 위한 힘이 필요하고, 그 힘을 제공하기 위하여 수증기의 부피팽창 힘을 이용하였다. 수소 주입 방법이 플러딩 해소에 미치는 영향은 실험을 통하여 검증하였다. 실험 결과, 연료전지 내부에 응축된 물을 제거하는데 수소 주입 방법이 매우 효과적이었고, 특히 촉매층 주변의 물을 제거하는데 효과적이었다. 따라서 연료전지 자동차의 초기 시동시 플러딩이 발생하였을 때 수소 주입 방법을 도입하여 플러딩을 효과적으로 해결할 수 있을것으로 예상된다. 두 번째로 냉시동을 위한 기체 퍼지시에 수소 주입 방법을 사용하였고 그 효과를 검증하였다. 수소 주입 방법은 기체 퍼지시에 물을 제거하기 위해 처음으로 도입하였고, 다양한 검증 실험을 수행하였다. 임피던스, 노점 측정 실험을 수행하였고, 퍼지 후 기체 확산층과 멤브레인의 무게를 측정하였다. 또한 퍼지 후 기체 확산층 표면을 현미경으로 살펴보아 얼음의 분포를 확인하였다. 최종적으로 냉시동을 실제로 수행하면서 그 특성을 통하여 수소 주입 퍼지 방법의 효과를 확인하였다. 실험 결과 수소 주입 방법은 냉시동을 위한 기체 퍼지시에 물 제거 효과를 극대화 함을 확인하였다. 마지막으로, 연료전지 반응 전류의 주기적인 변화를 통하여 냉시동시에 수증기 제거 방법 아이디어를 제시하였고, 해석과 실험을 통하여 그 효과를 검증하였다. 촉매층에서 생성되는 수증기의 양은 작동 전류밀도의 크기에 비례하기 때문에 반응 전류 밀도를 주기적으로 변화시키면서 촉매층 근처에서 수증기의 농도차를 만들었다. 수치 해석을 통하여 주기적으로 발생하는 수증기가 더 확산이 잘 되고, 절대적인 수증기 양이 적기 때문에 연료전지 내에서 제거될 확률이 높음을 확인하였다. 또한 냉시동 실험을 영하 15도, 10도에서 수행하였다. 실험 결과 주기적인 반응을 하지 않았을 때 실패하였던 냉시동 실험이 주기적으로 반응하였을 때 성공하는 것을 확인하였다. 이때 반응 주기가 짧을수록 전류 진폭 비가 클수록 그 효과가 커짐을 확인하였다. 위 방법은 저온의 환경에서 생성되는 수증기를 효과적으로 제거함으로써, 냉시동의 성공 가능성을 높였다는데 의의가 있다. 본 연구를 통하여 연료전지 저온 플러딩시 성능을 향상시켰고, 효과적인 퍼지를 통하여 냉시동의 성공 가능성이 증가하였다.

The water removal method in gas diffusion layer (GDL) and catalyst layer (CL) is one of the most important topics to improve the performance of fuel cell. In general, it is easier to remove the produced water inside fuel cell at high temperatures due to the high saturation pressure of vapor. However, the water removal can be difficult when the operating temperature is low, because of the low water viscosity and phase change of water. Moreover, it is also difficult to remove the water in micro porous materials such as gas diffusion layer and catalyst layer. The effective water removal in GDL and CL is directly related with not only the performance but also the life time of fuel cell. Therefore, novel concepts and ideas are suggested and it is investigated that the methods are suitable for applying on fuel cell in order to remove the produced water. Water removal method is investigated in three different environments in this study

flooding, purge and cold start. First of all, hydrogen addition method is introduced to remove the water in GDL in flooding conditions of low temperature. In order to remove the residual water in porous material, some kinds of forces are required to push the liquid water, and the vapor expansion force is used to remove the liquid water in GDL. The effect of the hydrogen addition method on the mitigation of flooding in the cathode GDL is investigated by experiments. The performance of the hydrogen addition method is measured by comparing the fuel cell voltage before and after the hydrogen addition into the fuel cell operated in the flooding condition. The experimental results indicated that the hydrogen addition method is very useful for removing liquid water in the cathode GDL, especially the water near the catalyst. Therefore, this method can be effectively applied to a PEM fuel cell system operating in the initial stage of start up before it reaches its steady operating temperature because the water removal in GDL is difficult at low temperatures. Furthermore, the method can be expected to apply on the commercial system by considering the degradation experiment. Secondly, the effect of the hydrogen addition purge method on water removal in the cathode is investigated by experiments. The hydrogen addition purge method is first introduced to remove the residual water in the cathode, and the verification of the method is conducted through experiments such as measuring the impedance, dew point temperature, weight of GDL and MEA after purge. In addition, cold start experiments are conducted to confirm the size of inner space in the catalyst layer after purge process and the ice on GDL after purge process is observed. The hydrogen addition purge method is expected to have a significant effect on the cold start at below-zero temperatures by effectively removing the residual water inside the fuel cell. Finally, the concept of reaction pulse method is introduced firstly in this study. In order to remove the produce vapor effectively, the concentration of the vapor near the catalyst layer is varied by changing the current density of fuel cell. Before conducting the experiments, numerical analysis is performed. By considering the concentration difference of vapor in catalyst layer, the total amount of vapor diffusing from the generation point is calculated. From the results of numerical analysis, it is found that the periodical generation of vapor is more beneficial for diffusing than the constant generation. Experiments are also performed to identify the effect of pulse reaction method during cold start at different temperature and current density. The effect of reaction pulse method is investigated by changing the amplitude and period of the pulse, and it is found that large amplitude and short period is advantageous for cold start by increasing the diffusion rate of produced vapor. The method is effective for removing vapor in catalyst layer and the method will be expected to increase the possibility of successful cold start at below zero temperature.

본 연구에서는 고분자 전해질 막 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 촉매층과 기체 확산층에서 물 제거 방법에 대한 연구를 수행하였다. 일반적으로 높은 작동 온도에서는 낮은 작동 온도보다 높은 포화수증기압 때문에 물 제거가 더 쉽다. 하지만 작동 온도가 낮을때에는 물의 점도가 증가하고 영하의 온도에서는 물이 상변화를 하기 때문에 그 문제는 더 심각해질 수 있다. 또한 촉매층이나 가스 확산층 같은 다공성 매질에 있는 물은 더욱 제거하기가 쉽지 않다. 따라서 효과적인 물 제거는 연료전지의 성능뿐만 아니라 연료전지의 수명과도 직접적으로 관련이 있다고 할 수 있다. 그러므로, 본 연구에서는 효과적으로 물을 제거하기 위한 새로운 아이디어를 제시하였고, 실험을 통하여 그 효과를 검증하였다. 또한 실제 시스템에 적용 가능한지를 내구성 실험을 통하여 판단하였다. 물 제거 방안의 효과는 크게 세 가지 조건에서 확인하였다