Dead ended anode 방식에서 고분자전해질 연료전지의 배출 효율 개선

Abstract

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 에너지 전환 효율과 전력 밀도 및 비교적 낮은 작동 온도에서 전력을 생산하여 수송용, 분산 발전 등 다양한 분야에서 이점을 가진다. 수소연료전지 시장이 성장하면서 연료전지와 수소의 수요가 증가하고 있으므로, 조기 상용화와 시장 활성화를 위하여 연료전지의 내구성과 연료 이용효율에 관한 연구가 진행되어야 한다. 연료전지 성능이 개선됨에 따라 생성물인 물과 열의 발생이 증가하고 이를 처리하기 위한 관리 기법에 대한 연구가 중요해지고 있다. 고분자 전해질 연료전지는 연료 이용효율을 높이기 위하여 dead ended anode(DEA) system을 주로 이용하고 있다. DEA system에서 안정적인 연료전지의 성능과 높은 연료 이용효율을 구현하기 위하여 연료전지의 구성요소와 운전 조건을 최적화하여야 한다. 본 연구에서는 25 cm2의 단위 전지와 연료전지 스택을 이용하여 배출 조건과 수소 재순환이 연료전지에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 운전 조건에 대한 영향을 해석하기 위하여 연료전지 성능, 수소극 압력, 연료 이용효율을 측정하였다. 수소 공급 압력이 낮고, 배출 시간이 짧을수록 연료 이용효율을 높일 수 있었지만, 잦은 flooding으로 인하여 연료전지의 성능이 감소하였고, 전해질 막의 두께가 물의 역확산 속도를 결정하여 flooding에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 부하 전류가 증가할수록 배출 간격이 감소하여 추가적인 물 관리가 요구되었다. 수소 재순환을 적용하였을 때 수소 재순환 유량이 증가할수록 수소극 출구의 압력 저하로 인하여 스택 성능이 낮아졌다. 응축된 물을 원활히 관리할 수 있는 배출 조건을 선정하여 연료전지의 성능과 연료 이용효율을 향상시킬 수 있었다.