물 직접분사 방법을 이용한 고분자 전해질막 연료전지의 공기극 가습 및 증발냉각에 관한 연구

Abstract

일반적으로 고체의 이온전도도는 액체에 비해 극히 작지만, 고분자 전해질막 연료전지에 사용되는 고분자 전해질막은 술폰화(sulfonation)에 의해 막이 습윤 상태에 있을 때, 양성자가 물분자와 결합된 상태로 원활히 이동하게 된다. 따라서 고분자 막의 수화도는 연료전지의 성능을 결정짓는 중요한 요소이며, 이를 높게 유지하기 위해 가습이 필수적이다. 하지만 기존의 고분자 전해질막 연료전지 시스템에 사용된 가습기는 부피가 매우 크고 무거워 시스템을 복잡하게 하고, 많은 제작 비용이 소모된다. 또한 능동적인 습도 조절이 어렵고 동력 손실이 발생할 수도 있다는 단점이 있다. 가습과 마찬가지로, 고분자 전해질막 연료전지의 열방출은 성능과 내구성에 매우 큰 영향을 미친다. 고분자 전해질막 연료전지가 매우 높은 에너지 변환 효율을 갖지만 고출력 운전구간에서는 전기출력에 버금가는 폐열이 발생하기 때문이다. 게다가 고온에서는 전해질막과 촉매층의 열화가 촉진되어 장기적으로 스택 내구성을 낮출 수 있다. 따라서 스택의 과열을 막고 60°C~80°C의 적정 운전온도를 유지하기 위해서는 생성되는 열을 효과적으로 제거할 필요가 있다. 연료전지 냉각을 위한 여러 가지 방안이 제시되어 있지만 충분한 냉각 용량을 확보하기 위해서는 넓은 열전달 면적을 가진 방열기를 사용하는 것 외에 특별한 대안이 없는 상황이다. 하지만 자동차와 같이 시스템을 위한 공간에 제약이 있을 경우 방열기의 크기는 제한될 수 밖에 없으며 냉각용량 역시 제한된다. 이처럼 방열기에서 충분한 냉각 용량을 확보하지 못할 경우 스택의 과열을 막기 위해서는 출력을 제한할 수 밖에 없다. 이 같은 현 상황에서 기존의 가습 및 냉각 방식을 대체 혹은 보조할 수 있는 새로운 시스템의 개발은 매우 시급하고 절실하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 가습 및 열방출 문제에 대한 해결책의 하나로 물 직접분사를 이용한 고분자 전해질막 연료전지의 가습 및 증발냉각에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위하여, 먼저 물 직접분사 방식을 적용한 연료전지에서 운전조건에 따른 채널 내부 액적의 증발특성과 그것이 성능에 미치는 영향에 관하여 해석적 연구를 수행하였다. 그 결과 분사된 물의 증발에 의한 내부 기체의 상대습도 상승과 증발냉각 효과를 확인하였다. 그 후, 공기보조식 미립화 노즐을 사용한 물 직접분사 시스템을 개발하고 이를 탑재한 실험장치를 제작하여 기초실험을 수행하였다. 실험결과 공기극 입구에서 물을 분사하는 즉시 스택의 성능이 상승하는 것을 확인할 수 있었고 공기극 후단의 노점을 측정함으로써 분사된 물이 증발하며 냉각효과를 발휘한다는 사실 또한 확인하였다. 기초실험을 수행한 후에는 다양한 운전조건에서 각각의 변수들이 미치는 영향을 알아보기 위해 물 분사량, 물 분사온도, 스택 운전온도, 공기유량, 운전압력에 관련된 실험을 통하여 운전특성을 파악하였다. 마지막으로 앞서 파악한 운전특성을 고려하여 내부 수분 균형, 간헐적 분사, 초기시동 특성에 관련된 운전전략을 세우고 이를 검증함으로써 물 직접분사 방식의 적용 가능성을 살펴보았다. 그 결과 기존 가습기 대비 작은 부피로도 동등하거나 더 우수한 가습 성능을 달성할 수 있었으며 추가적으로 증발냉각 효과로 인해 스택 열관리 측면에서의 장점도 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과를 종합해 봤을 때 고분자 전해질막 연료전지의 가습과 냉각에 물 직접분사 방식을 충분히 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 가습기의 부피를 줄일 수 있게 됨으로써 시스템 소형화에 기여할 수 있고 고출력 운전구간에서 추가적인 냉각용량을 확보 함으로써 장기적으로 스택 내구성 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.