PEMFC / DSSCPolymer Electrolyte Membrane Fuel Cell / Dye Sensitized Solar Cell“나는 자랑스런 인하인으로, 스스로의 힘으로 정직하게 레포트를 작성하였습니다.” + 이름 + 서명__________________________________________________________________________________________________________________________1. 서론최근에 고유가 지구온난화로 인해 환경문제가 많이 발생하고 있는데 이를 해결하기 위해서 석유를 대체할 수 있는 대체 에너지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 신재생 대체 에너지 중에서도 수소가 환경문제를 해결할 수 있는 대안으로 연구되고 있으며, 특히 연료전지가 수소를 에너지로 전환하기 위한 가장 효과적인 방법이어서 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 우리는 이번 실험에서 연료전지 중 하나인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에 대해 실험을 하였다. 고분자 전해질 연료전지는 저온 운동 및 빠른 시동이 가능하여 자동차나 휴대용 전원 공급장치로 응용 가능성이 높다. 우리는 이번 실험을 통해 PEMFC의 성능을 측정하고 실험 데이터로 그래프를 그려 전류밀도와 전압과의 관계를 알아본다.2. 실험방법1. station의 전원을 키고 run버튼과 main버튼을 눌러준다.2. 수소 가스통과 압축가스통을 열어주고 밸브도 열어준다. (이론적으로는 수소와 산소를 공급해주어야 하지만 실제 실험에서는 공기를 사용하였다. 공기 중에 산소가 20%가 있다고 가정하고 실험하였다. )3. station에 있는 수소와 공기의 밸브를 열어주고 유량을 열어주어서 수소 : 공기 = 200 : 500으로 맞추기 위해 수소는 1L/min을 공급하고 공기는 40000cc/min을 공급해준다.4. 연료전지 cell을 로드기에 연결한다.5. 로드기의 전원을 키고 전류를 0.01A로 맞춘 후 0.01A부터 2.0A까지는 0.1A씩 올리면서 측리가 실험에서 구한 값과 약간의 차이는 있으나 두 그래프 다 감소하는 양상을 보인다. 이 그래프는 polarization curve(분극곡선)로 region of activation, region of ohmic , region of concentration으로 나눌 수 있다. 이 곳에서는 각각 activation loss, ohmic loss, mass trans loss가 생기는데 이러한 손실들로 인해 분리곡선에는 세 가지 영역이 생기게 된다. 우선 region of activation은 전기화학반응에 의해 활성화 손실이 생기는 곳이다. J-V 그래프의 전압이 감소하는 이유는 활성화 손실 때문이다. 수소의 산화반응보다 산소의 환원반응이 훨씬 더 늦게 진행되어 전극반응에서 반응 저항이 생겨나게 되므로 activation loss가 생기게 되어 전류밀도와 전압의 그래프에서 기울기가 많이 감소하는 모습을 띄게 된다. 이러한 손실은 더 좋은 촉매를 사용함으로써 손실을 줄일 수 있다. 우리가 수한 실험 그래프에서는 전류밀도가 약 4mA/cm2가 activation loss가 일어나는 곳이라고 생각한다. 두 번째 region of ohmic은 첫 번째 구간보다 기울기가 완만한데 우리가 구한 그래프에서 전류밀도가 4~240mA/cm2라고 생각한다. 기울기가 완만해지는 이유는 저항 손실(ohmic loss)때문인데 전해질을 통과하는 이온의 흐름에 대한 저항 때문에 발생하지만, 전극 또는 각종 연결부를 통과하는 전자의 흐름에 대한 저항 때문에 발생하기도 한다. 저항 손실이 커질수록 전압은 작아진다. 세 번째 region of concentration에서는 물질전달에 의 한 손실이 일어나는데 이러한 손실을 mass trans loss라 한다. 우리가 구한 그래프에서는 두 번째 영역보다 기울기가 가파른 구간인 전류밀도가 240mA/cm2이상이라고 생각한다. 기울기가 가파르게 일어나는 원인은 전기화학 반응에 의해 반응물이 빨리 소비되어 반응물의 농도는 낮고 생성물의 농도는 높은 다음과 같다.따라서 PEMFC에 X만큼의 전류가 인가되었을 때 수소의 최소 유량은 0.007755X L/min이고 공기의 최소 유량은 0.01939X L/min이다.6. 결론우리는 PEMFC의 분극 곡선을 그려보고 전력밀도-전류밀도의 그래프를 그려 PEMFC의 성능을 알아보았다. 분극곡선을 그려봄으로써 세 가지의 손실에 의해 전압이 낮아진다는 것을 알게 되었다. 그러나 우리가 실험 데이터에서 얻은 그래프는 이론적인 그래프와 많이 달랐다. 첫 번째 구간에서 기울기가 많이 감소했어야 하는데 많이 감소하지 않았고 세 번째 구간에서도 기울기가 많이 감소했어야 하는데 전압의 측정을 0.44V까지만해서 세 번째 구간의 기울기가 잘 나타나지 않은 것 같다. 또한 우리는 산소가 아닌 공기를 주입했는데 이 부분에서 오차가 발생할 수 있다. 우리는 공기에 산소가 20%들어있다고 가정하고 실험을 했는데 정확히는 약 21%의 산소가 들어있다. 그리고 공기에 질소가 79%정도 들어있는데 질소는 장벽역할을 하기 때문에 산소의 분압이 낮아져 전지의 전체적인 성능이 감소하게 된다. 우리가 산소를 정확히 주입했더라면 오차를 줄일 수 있었을거라 생각한다. 또한 PEMFC의 적정온도는 약 80도인데 우리는 상온에서 실험을 하여 이상적인 그래프가 나오지 않은 것 같다.그리고 전력밀도-전류밀도 그래프에서도 이상적인 그래프의 모습이 나오지 않았다. 우리가 전압을 0.44V까지만 측정을 해서 뒷부분의 그래프의 모습이 나오지 않은 것 같다. 그래서 우리는 어떤 전류에서 가장 높은 전력을 얻을 수 있는지를 알지 못하였지만 최소 400mA/cm2이상의 전류밀도에서 가장 높은 전력을 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다. 전압을 좀 더 많이 측정했더라면 가장 높은 전력을 얻을 수 있는 전류밀도의 값을 구할 수 있을 것이다.우리는 이러한 오차요인을 개선하면 더 정확한 실험 값을 얻을 수 있을 것이고 좀 더 이상적인 그래프의 모습에 가까워질 수 있을 것이다. 실험 전에는 예상하지 못했던 변수들이 나타나 생각과는 .0염료 농도(mM)0.30.30.50.3전해질 농도(mM)25252510셀 1을 기준으로 셀 2는 면적에 변수를 주고, 셀 3은 염료의 농도에 변수를 주고, 셀 4는 전해질의 농도에 변수를 주었다.2. ITO Glass 4개를 준비하여 멀티미터를 이용하여 전도성을 갖는 면을 찾는다.(소리가 나는 쪽이 전도성을 갖는다)3. 전도성을 갖는 면에 정한 면적을 제외한 나머지 부분에 테이프를 붙인다.4. 전도성을 갖는 면에 silk판을 이용하여 TiO2을 고르게 발라준다.5. TiO2를 바른 ITO Glass를 오븐에서 열처리를 한다6. 본 실험을 하기 하루 이틀 전에 열처리 된 ITO Glass에 각각 알맞은 염료 농도를 암실에서 스포이드를 이용해 담지 한다.(암실에서 진행하는 이유는 염료가 미리 빛을 받게 되면 나중에 만들 태양전지의 효율이 감소하기 때문이다)7. 염료는 ITO Glass에 바른 TiO2부분이 잠길만큼 넣고 30분 후에 스포이트를 이용해 염료를 제거한 뒤 빛을 차단하기 위하여 호일로 감싸준다.[본 실험]1. cathode역할을 하는 ITO Glass에 멀티미터를 이용하여 전도성을 갖는 면을 찾는다.(멀티미터의 소리가 나는 쪽이 전도성을 갖는다,)2. 전도성을 갖는 ITO Glass의 면에 Pt용액을 반 정도 발라준다3. TiO2가 발라진 면과 Pt용액이 발라진 면을 마주보게 한 후 두 Glass를 비스듬히 하여 v모양이 되게 한다.4. TiO2가 발라진 면에 각각 알맞은 전해질을 스포이트를 이용해 두 방울 정도 떨어뜨린 뒤 주 유리를 겹치고 집게를 이용하여 TiO2를 바른 부분을 가리지 않게 고정시킨다.5. lamp controller를 키고 1sun을 맞춘 후 먼저 상용 셀을 solar simulator의 스탠드 위에 놓고 전선을 연결한 뒤 키슬리와 컴퓨터를 이용하여 전류와 전압을 측정한다.6. ITO Glass 결합체를 염료가 묻은 면이 위로 향하게 스탠드 위에 올려놓고 전선을 연결한 뒤 상용 셀과 마찬가지로 키슬리와 컴퓨터를 이용하여 전류와 지점인 지점(동그라미 있는 곳)에서도 찾을 수 있다. 그리고 효율을 비교해보면 셀 1의 효율이 셀 2의 효율의 약 3배 정도이다. 이를 통해 염료와 전해질의 농도가 같을 때 면적이 작을수록 더 효율이 높다는 사실을 알 수 있다. 그리고 셀 1의 효율과 셀 3의 효율을 비교해보면 셀 3의 효율이 셀 1의 효율의 약 2배이다. 따라서 면적과 전해질의 농도가 같을 때 염료의 농도가 더 높으면 효율이 더 높다는 것을 알 수 있다. 그리고 셀 1과 셀 4의 효율을 비교해보면 셀 4가 1.6배정도 더 크다. 따라서 면적과 염료의 농도가 같을 때 전해질의 농도가 낮을수록 더 효율이 높다는 것을 알 수 있다. 실험 결과에서 reference와 셀 1,2,3,4의 효율이 정말 낮았다. 이런 결과가 나온 이유는 우선 염료 담지를 할 때 완전한 어둠이 아니었기 때문이다. 너무 어두우면 아무것도 안보여 약간의 빛이 있는 곳에서 염료 담지를 하였는데 이로 인해 염료가 빛을 받아 효율이 감소했다고 생각한다. 또한 TIO2를 silk판을 이용하여 편평하게 바르는데 직접 손으로 하다 보니까 완전히 평평하게 바르는데 한계가 있었다. 또한 전해질의 역할을 하는 요오드 용액을 ITO Glass사이에 떨어뜨려 TiO2와 Pt사이에 골고루 묻히고 기포를 없애야 하는데, 이것도 직접 사람이 하다 보니 요오드 용액은 거의 뿌리는 동시에 바닥으로 많이 흘렸고 이 때문에 전해질이 충분히 양쪽 면에 적셔지지 않은 것 같다. 그래서 이러한 이유 때문에 전자나 이온의 이동이 잘 일어나지 않아 효율이 떨어졌다고 생각한다. 이러한 오차 요인을 줄이기 위해 더 정밀한 실험기구와 과정이 필요할 것이다. 이번 실험에서는 전반적으로 수작업으로 인한 오차가 많았다. 비록 효율은 예상했던 것보다 너무 낮게 나왔지만 이번 실험을 통해 알 수 있었던 오차요인을 보완한다면 좀 더 정확할 실험 결과가 나올 것 같다.5. 결론우리는 이번 실험에서 셀1을 기준으로 각각 면적, 염료 농도, 전해질 농도를 변하게 하여 실험을 했다. 염료9
