[A+]수소연료전지(PEMFC) 평가 예비레포트

문서 내 토픽

1. 연료전지의 정의와 기본원리, 구조

연료전지란 산화, 환원 반응을 통해서 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 전기화학적 에너지 컨버터이다. 연료전지의 기본원리는 전기를 이용하여 물을 H2와 O2로 분해하는 것을 역이용하는 방식으로, H2와 O2의 반응을 통해 물이 생성됨과 동시에 전기를 만들어내는 원리를 이용하고 있다. 연료전지의 구조는 크게 Anode와 Cathode 그리고 전해질로 이루어져 있으며, 그 사이사이에는 Current collector, Gasket, Polar plate, 촉매층과 GDL, MEA 등으로 구성되어 있다.
2. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의와 특징

PEMFC는 H+의 교환이 일어나는 분리막 이라는 뜻의 Proton Exchange Membrane을 전해질로 사용하는 연료전지로, 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. PEMFC의 가장 큰 특징은 낮은 온도(대략 50~100℃)에서 작동한다는 점이다. PEMFC는 Pt를 촉매로 사용하며, 손쉬운 제작방법과 간단한 구조, 높은 효율 등의 장점이 있지만 CO에 의한 Pt의 피독 현상이 단점으로 꼽힌다.
3. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 구조와 특징 및 역할

PEMFC는 주로 불소계 고분자 전해질막을 사용하며, 일반적으로 Nafion membrane이나 Dow membrane을 사용한다. 불소계 고분자 전해질막의 구조는 CF_x가 주 사슬 역할을 하고, 주 사슬의 끝부분에 SO3-가 붙어있는 형태이다. 이러한 구조로 인해 주 사슬 부분의 소수성과 끝부분의 친수성으로 H+가 Cathode 쪽으로 잘 전달될 수 있다. 하지만 불소계 고분자 전해질막은 저온에서는 좋은 conductivity를 보이나 고온에서는 poor한 conductivity를 보이며, 낮은 기계적 강도, 메탄올의 Crossover 현상, 비싼 가격 등의 단점이 있다.
4. 연료전지 분석 방법 중 I-V curve를 측정하는 이유

I-V curve를 측정하면 분극 곡선을 그릴 수 있으며, 이를 통해 Activation loss(η_activation), Ohmic loss(η_ohm), Concentration loss(η_concentration)와 같은 다양한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 정보를 바탕으로 연료전지의 성능을 개선할 수 있는 방향을 찾을 수 있다.
5. Three phase boundary(3상계면)의 역할

삼상 계면은 전해질, 전극 그리고 반응 가스(H2, O2)의 세 가지 다른 상이 상호 접촉하는 영역으로, 연료전지의 전기화학 반응이 일어나는 장소이다. 삼상 계면의 밀도가 높을수록 연료전지의 성능이 증가하므로, 삼상 계면의 면적을 크게 만들고 촉매를 전해질과 최대한 접촉시키는 것이 중요하다.
6. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법

1) Ru을 조촉매로 도입한 PtRu/C 촉매 사용: Ru 덕분에 Pt 표면에 흡착되는 CO 양을 줄일 수 있어 Pt의 피독 현상을 줄일 수 있다. 2) Self-humidifying 능력 향상: Ion Channels이 물에 의해 막혀 성능이 저하되는 현상을 최소화할 수 있다. 3) 고분자 전해질막의 디자인 개선: 제조 과정에서 디자인 변경을 통해 성능을 개선할 수 있다. 4) Membrane 내 수분 관리 최적화: 높은 ionic conductivity와 낮은 water flooding을 동시에 만족할 수 있는 적정량의 수분 유지가 중요하다.

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1. 연료전지의 정의와 기본원리, 구조

연료전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산합니다. 연료전지의 기본 원리는 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는 과정에서 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것입니다. 연료전지의 구조는 양극, 전해질, 음극으로 구성되어 있으며, 수소 연료가 양극에서 산화되고 산소가 음극에서 환원되면서 전자가 생성되어 외부 회로를 통해 전기 에너지가 생산됩니다. 이러한 연료전지의 기본 원리와 구조는 다양한 종류의 연료전지 기술 개발에 활용되고 있습니다.
2. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의와 특징

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 연료전지 중 가장 널리 사용되는 종류로, 고분자 전해질막을 사용하여 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산합니다. PEMFC의 주요 특징은 저온 작동, 빠른 시동, 높은 전력 밀도, 낮은 소음 등입니다. 또한 고분자 전해질막의 이온 전도성과 기계적 강도가 우수하여 연료전지 시스템의 효율과 내구성을 높일 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 PEMFC는 자동차, 가정용 발전기, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
3. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 구조와 특징 및 역할

PEMFC에서 사용되는 고분자전해질 막은 주로 불소계 고분자인 Nafion이 사용됩니다. Nafion 막은 소수성 주쇄와 친수성 측쇄로 구성된 구조를 가지고 있어, 수소 이온의 선택적 투과가 가능합니다. 이를 통해 양극과 음극 사이의 전자 전달 경로를 제공하면서도 연료와 산화제의 혼합을 방지할 수 있습니다. 또한 Nafion 막은 우수한 이온 전도성과 기계적 강도를 가지고 있어 연료전지 성능 향상에 중요한 역할을 합니다. 이처럼 고분자전해질 막은 PEMFC의 핵심 구성 요소로서 연료전지의 효율과 내구성을 결정하는 데 중요한 영향을 미칩니다.
4. 연료전지 분석 방법 중 I-V curve를 측정하는 이유

연료전지의 성능을 평가하는 대표적인 방법 중 하나는 전류-전압(I-V) 곡선 측정입니다. I-V 곡선은 연료전지의 출력 특성을 나타내는 그래프로, 전류와 전압의 관계를 보여줍니다. I-V 곡선 측정을 통해 연료전지의 개방 전압, 최대 전력 밀도, 내부 저항 등 핵심 성능 지표를 확인할 수 있습니다. 이를 통해 연료전지의 효율, 출력 특성, 작동 안정성 등을 종합적으로 평가할 수 있습니다. 또한 I-V 곡선 분석을 통해 연료전지의 성능 저하 원인을 진단하고, 개선 방향을 도출할 수 있습니다. 따라서 I-V 곡선 측정은 연료전지 기술 개발 및 성능 평가에 필수적인 분석 방법이라고 할 수 있습니다.
5. Three phase boundary(3상계면)의 역할

연료전지에서 Three phase boundary(3상계면)는 연료, 산화제, 촉매가 접하는 영역을 의미합니다. 이 3상계면은 연료전지의 핵심 반응 영역으로, 연료의 산화, 산화제의 환원, 전자 전달 등 전기화학 반응이 일어나는 곳입니다. 3상계면의 크기와 구조는 연료전지 성능에 큰 영향을 미치는데, 이는 반응 면적과 반응 속도를 결정하기 때문입니다. 따라서 3상계면을 최적화하는 것이 연료전지 성능 향상의 핵심 과제 중 하나입니다. 이를 위해 촉매 입자의 크기와 분산, 기공 구조, 전해질 침투 등 다양한 요소를 조절하여 3상계면을 효과적으로 설계하는 연구가 진행되고 있습니다.
6. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법

연료전지의 성능을 개선하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있습니다. 첫째, 고성능 촉매 개발을 통해 반응 속도와 효율을 높일 수 있습니다. 백금 기반 촉매의 활성 면적을 증가시키거나 비백금 계열 촉매를 개발하는 등의 노력이 이루어지고 있습니다. 둘째, 고분자 전해질막의 이온 전도성과 내구성을 향상시키는 것이 중요합니다. 불소계 고분자 외에도 다양한 고분자 재료를 활용하는 연구가 진행 중입니다. 셋째, 연료 공급 및 열 관리 시스템을 최적화하여 연료전지 스택의 성능과 안정성을 높일 수 있습니다. 넷째, 3상계면의 구조와 크기를 제어하여 반응 면적을 극대화하는 방법도 연구되고 있습니다. 이처럼 다양한 요소 기술의 개선을 통해 연료전지의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.

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