Resistance Separation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell by Polarization Curve and Electrochemical Impedance Spectroscopy

Abstract

The separation of resistance is a main issue to improve the performance of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. To separate the resistance, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and polarization curve are the major methodologies. In addition, to analyze the EIS, an equivalent circuit is selected; therefore, it is also a major issue. Although it has been an object of study for a long time; less attention has been given to separate the resistance, including the protonic resistance in the cathode catalyst layer (CCL). In this study, to separate the total resistance, a new method using the polarization curve and EIS was suggested for various operating conditions. Then, the overpotential was estimated to investigate the effect of each resistance. First, a general solution was derived using the recursion formula to fit the Nyquist plot of the EIS. Second, to separate the total resistance, a polarization curve and EIS with an approximated solution were used. The error of the total resistance from the approximated solution at a RH 80 and 100% were around 1.5 and 1%, respectively. In addition, each resistance from the polarization curve was well matched with the EIS results (R2 > 0.995 and RMSE < 0.01). Protonic resistance in the CCL was significantly changed by the water content. To fully consider the relationship between diffusion and the effective protonic resistance in the CCL, these experiments were carried out in the Heliox condition. As the effective diffusion coefficient increased, the effective protonic resistance in the CCL decreased under high current density region due to the migration of the reaction points. The overpotential by the charge transfer resistance had the largest contribution (46.5 ~ 86.9%), and the overpotential by the ohmic resistance linearly increased with the current density. This study can help to identify the effect of the resistance in terms of the voltage and to improve the performance of PEM fuel cells.

고분자전해질 (PEM) 연료전지 내에서 발생하는 저항의 분리는 연료전지의 효율 및 성능을 향상 시키기 위한 핵심적인 사안이다. 고분자전해질 연료전지의 저항을 분리하기 위해서는 보통 전기화학 임피던스 분광법 (EIS: electrochemical impedance spectroscopy) 과 분극곡선 실험 방법이 많이 사용된다. 이 과정에서, 전기화학 임피던스 분광법의 분석 과정에서 등가회로 선택이 필요하기에, 이에 대한 연구 역시 많이 언급되는 사안이다. 저항의 분리에 대해 연구가 계속 되었으나 촉매층 내 실효 양성자 이동 저항 (effective protonic resistance in cathode catalyst layer) 을 포함한 저항의 분리에 대한 연구는 부족한다. 따라서 본 연구에서는, 분극 곡선과 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 내에서 발생하는 저항을 분리하는 몇 가지 방법을 제안하였다. 이를 전류 밀도와 가습 조건에 따라 수행하였으며, 이를 통해 과전압 (overpotential) 을 계산하여, 각 저항이 성능에 미치는 영향을 전압의 관점에서 분석하였다. 우선 등가회로와 점화식을 이용하여 일반해를 유도하였고, 이를 통해 전기화학 임피던스 분광법의 결과인 Nyquist plot 에 대응시켰다. 이후 전체 저항을 저항으로 나누기 위하여, 전송 선로 모델 내의 분산된 저항을 근사해를 사용하여 분극 곡선의 저항에 대응시켰다. 근사해를 통해 구한 전체 저항의 오차는 상대습도 80, 100% 에서 각각 1.5, 1% 안팎의 오차를 가졌다. 이 분석 방법을 바탕으로 저항과 과전압의 분석이 진행되었다. 막 저항 대비 수분 함유량의 변화에 따른 촉매층 내 실효 양성자 이동 저항이 더 크게 변함을 확인하였다. 본 결과와 관련하여, 헬륨을 이용해 산소의 확산을 달리하여 실험을 수행하였고, 이를 통해 산소 분자의 이동 거리가 달라짐에 따라 촉매층 내 실효 양성자 이동 저항이 낮아짐을 확인하였다. 한편 과전압을 통한 분석에서 전하 이동 저항에 따른 과전압이 가장 컸음을 (46.5 ~ 86.9%) 확인하였고, 옴 저항에 따른 과전압이 전류 밀도에 따라 선형적으로 증가함을 확인했다. 본 연구는, 고분자전해질 연료전지에서 발생하는 저항을 분리 및 분석하였다. 저항 분리를 위해 전기화학 임피던스 분광법과 분극 곡선이 사용되었으며, 이를 통해 두 가지 방법을 제시하였다. 결과적으로, 저항 이동 저항, 고주파 저항, 촉매층 내 실효 양성자 이동 저항, 물질 이동 저항으로 나누었으며, 이를 바탕으로 과전압 관점에서의 전압 손실도 확인했다. 저항 및 과전압의 분석에 대한 본 연구는, 고분자전해질 연료전지의 성능 개성을 위한 연구에 도움이 될 것이다.