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수소 연료전지의 작동원리 탐구 및 제작실습

REPORT수소 연료전지의 작동원리 탐구 및 제작실습수강과목 : MEMS 실험담당교수 :학 과 :학 번 :이 름 :제출일자 : 2014.11.21[1] 고분자 전해질 연료전지의 작동원리를 설명하라.연료전지(Fuel Cell)란 연료를 공급하여 전기를 발생시키는 하나의 ‘공장’이다. 또한 화학에너지를 전기에너지로 직접화 시키는 방법으로써 기본 작동원리는 다음과 같다.(1)-연료전지는 이온전도성이 좋은 전해질을 사이에 두고 2개의 다공성 전극으로 구성(2)-물의 수소분해 반응을 역으로 이용함(3)-연료극(Anode)에 수소, 공기극(Cathode)에 산소를 공급하면 연료극에서는 수소가 백 금 촉매상에서 이온화 되고, 수소이온(양자)와 반응하여 전자가 된다. 수소이온은 전 해질을 통해 공기극으로, 전자는 외부의 회로를 흘러서 공기극으로 이동한다.(4)-공기극에서는 산소와 전해질 속을 통해 온 수소이온과 외부회로를 이동하여 온 전자가 반응하여 물이 생성된다.(5)-전자가 외부회로를 이동하기 때문에 전자와는 반대의 방향으로 전류가 흐르고, 전기에 너지를 얻을수 있다.그중에서도 고분자 전해질 연료전지(PEFC, Polymer Electrode Fuel Cell)란 출력밀도가 높고 저온에서도 작동하기 때문에 가정용이나 자동차용 연료전지에 적합하다.[2] 고분자 전해질 연료전지 제작실험의 구체적인 조건들을 설명하라.①촉매 슬러리 제조- 촉매 슬러리 제조에는 5wt% 네피온 용액과 20wt%의 Pt-C 그리고 증류수가 사용된다.- 촉매 슬러리에서 네피온과 Pt-C가 2:8이 되도록 한다.- 주어진 물질의 wt%와 첨가비를 고려하여 각 물질의 실제 희석량을 계산 Pt-c: 0.0675g, 네피온 : 0.337g과 증류수를 섞어 최종적으로 3~4mg의 슬러리를 제조한다②발수처리- 1.5x1.5cm 크기의 Carbon paper 준비- 54% 테프론 용액을 20%로 희석 -> 반대편으로 스며들지 않게 하기 위함- 희석하여 준비된 테프론 용액에 준비한 GDL을 60초간 침지 후 건조.- 건조한 GDL을 30분간 소결③MEA 제작- 준비한 GDL의 무게 측정- GDL위에 준비한 촉매 슬러리를 붓으로 도포- 오븐에서 10분간 건조 후 무게 측정0.3mg/cm ^{2}- 의 Pt가 코팅될때까지 반복- 완성된 두장의 GDL과 나피온 필름을 촉매가 코팅된 부분이 나피온 필름에 접착되게 붙임- 10분간 Pressing 실시[3] 제작한 고분자 전해질 연료전지의 I-V 커브를 제시하고 분석하라.I(mA)6.67.18.19.210.111.111.913.615.1V(V)0.55220.54480.52970.51140.49860.48460.47790.43270.4027전류가 증가함에 따라 초기에 전압이 급격히 감소한 후 서서히 감소하다가, 전류가 어느 이상(12mA)으로 커지면 전압이 다시 급격하게 감소함을 보여준다.하지만 왼쪽 그래프는 우리가 평소에 알던 옴의 법칙 V=IR 하고는 다르다. 그것은 바로 연료전지에서 전압손실이 일어나기 때문인데, 전압손실의 주원인으로는 활성화분극, 연료손실, ohmic분극, 농도 분극 등이 있다.[4] 수소연료 공급량에 따른 모형자동차의 이동거리를 제시하라.수소 공급 속도 = 1L/min산소 공급 속도 = 0.5L/min주어진 시간에서, 2번의 측정으로 모형자동차의 성능을 예상하여야 했다.첫 번째 성능 측정 때 30초(수소 0.5L, 산소 0.25L)의 시간동안 50cm 정도를 이동하였으며, 두 번째 성능 측정 때 역시 30초(수소 0.5L, 산소 0.25L)동안 42cm정도를 이동하였다. 이 2가지 정보를 종합하여 우리는 30초 동안 대략 45cm(속도=45cm/30초=1.5cm/초)를 갈 것 이라고 예상하였다.하지만 실제 측정에서는 측정 불가의 거리만큼 이동하여 아쉬움이 컸다.[5] 고분자 전해질 연료전지 제조 및 수소연료기반 모형 자동차 구동 실험에 대한 최종 결론 및 고찰을 제시하라.자동차의 속도가 다른친구들에 비해 약간 작게 나온 이유로는 크게 3가지를 예상해 보았다. 첫 번째는 고분자 전해질 연료전지의 측정전압이 작게 나와서 이다. 이것이 가장 유력한 이유가 될 것 같다. 고분자 전해질 연료전지의 측정전압이 낮게 나온 이유로는 Pt-C 도포가 적절히 이루어지지 않은 것 같다. 0.3mg/cm^2 의 pt가 코팅이 되어야 하는데 공기의 흐름으로 인해 무게측정이 정확하지 않았던 것 같다.자동차의 속도가 낮게나온 다른 이유로는 전극선의 상태가 좋지 않았던 것 같다. 그래서 모터와 연료전지 사이의 접촉이 원활하지 않았다.마지막으로는 호스의 길이가 너무 길어서 가스가 주입되는 시간을 예측하는데 어려움이 있었다. 또한 너무 길다보니 꼬이고 엉켜서, 가스 공급이 원활하지 않았던 것이 아쉬웠다.[6]에너지-환경 나노기술 융합 연구실에서 수행한 본 실험에 대한 개별적인 의견을 제시하라. (실험의 중요성, 실험수행에 대한 소감, 개선점 등 다양한 의견 제시 요망)(1)실험의 중요성실험을 하다보면 저절로 궁금증도 생기게 되고, 어떻게 하면 더 잘할까 논의하게 됩니다. 평소수업에서는 수동적인 자세에서 지식을 흡수하는데 그쳤다면, 실험수업에서는 좀더 능동적인 자세로 임하여 내용 이해도가 한층 증가하게 됩니다. 또한 억지로 외우지 않아도, 직접 눈으로 보고 손으로 만져보고, 직접 몸으로 익히다 보니 한층 더 암기도 쉽게 되고 암기한 내용도 오랫동안 지속되는 것 같아 좋습니다.(2)실험수행에 대한 소감나노메카트로닉스공학과에 들어온 이후, 가장 흥미로운 주제를 다룬 실험이었습니다. 연구주제가 재밌다 보니 모두가 잘하고 싶어서 열심히 하는 모습이 인상적이었습니다. 그리고 다른 실험과 달리 이번에는 조교님의 이론강의도 선행되어서 실험하는 데 있어서 한층 수월하게 할 수 있었고, 실험을 할때마다 “아 이제는 ~를 하겠구나,” 라는 생각이 들어 큰 틀을 잡을 수 있었습니다.또한 여러 제약조건 때문에 대부분의 실험은 조를 이루어 하는 사람만 하고, 안하는 사람은 안 해서 아쉬움이 있었는데, 이번에는 각자 실험을 할 수 있었던 점도 참 좋았습니다.

공학/기술| 2014.12.08| 6페이지| 1,000원| 조회(706)

연료전지, 수소자동차, mems, 연료자동차, 연료전지공학

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