PEMFC의 다양한 운전조건에 따른 성능해석 연구

Abstract

본 연구의 목적은 PEMFC운전을 위해 제작된 150W급 스택의 운전 특성을 파악함으로써 이후에 수행될 연료전지에 대한 해석적 연구 및 개발의 실제적 자료로 활용하는데 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 연료 및 공기의 화학양론비와 온도, 가습조건을 다양하게 바꾸어 그에 따른 성능의 변화를 확인해 봄으로써 각 조건이 스택의 운전에 미치는 영향을 알아보고자 하였고 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 공급공기의 화학양론비를 변화시킨 결과, 공급공기의 화학양론비가 클수록 유효운전영역과 성능 면에서 향상되는 경향이 나타났다. 하지만 λ_(H2)=1.0는 λ_(Air)=1.5가 λ_(Air)=2.0이 공기의 화학양론비가 작음에도 불구하고 약간 더 좋은 성능을 보였다. 2. 공급수소의 화학양론비를 변화시킨 결과, λ_(H2)=1.0가 λ_(H2)=1.4,1.8보다 전류밀도가 0∼0.35A/㎠영역에서 전위가 더 높았지만, 유효운전영역은 작았다. 그리고 λ_(H2)=1.4는 λ_(H2)=1.8보다 약간 더 좋은 성능을 보였다. 4. 공급가스의 온도를 변화시킨 결과, 온도가 높아질수록 성능이 향상되는 경향을 보였다. 하지만 70℃에서 80℃의 온도상승에 의한 성능 향상은 거의 미비하였고, 따라서 스택의 내구성 문제를 고려한다면 80℃보다는 70℃의 운전조건이 좋을 것이라 생각된다. 5. 공급가스의 가습상태를 변화시킨 결과, 가습량이 많을수록 성능이 향상되는 경향을 보였다. 하지만 상대습도 100%가 상대습도 95%에 비하여 가습량이 더 많음에도 불구하고 상대습도 95%가 더 좋은 성능을 나타내었으며, 그 원인은 수분의 응축으로 인한 플러딩 현상 때문이라 생각된다. 6. 운전조건별 효율을 비교한 결과 화학양론비는 λ_(H2)=1.0, λ_(Air)=1.5, 온도는 80℃, 상대습도는 95%에서 가장 좋은 효율을 보였다. 이상의 결론을 조합하여 본 결과 λ_(H2)=1.4, λ_(Air)=2.0, 온도 70℃, 상대습도 95%가 가장 좋은 운전조건이었다. 하지만 적용되는 시스템 및 상황에 따라 본 연구를 기초를 토대로 유연하게 운전조건을 적용해야 할 것이다.

Korea is one of the country consuming amount of energy in the world, each 10st. on energy and 6st. on oils. But excessive oil consuming caused limitation of deposits and international restrictions on greenhouse gases are strengthen. Recently, there has been worldwide studies on new-renewable energy for its limitless and greenness. Also in Korea, the law about Cultivation Status of New-Renewable Energies was revised in 2004 and New-Renewable Energy Center was established for study in 2005. Many researchers have an interest in Fuel Cell for high efficiency rather than other new-renewable energy fields. Especially for PEMFC, operating ability on low temperature can be a main advantage. But there are no standards of cell or operating conditions. So various studies must be executed for establishment of standard. This study preformed experiments to find the optimum conditions in 150W PEMFC stack through changing H₂ and Air stoichiometry, temperature, humidity. In consequence, λ_(H2)=1.4 ,λ_(Air)=2.0, temperature 70℃, relative humidity 95% are the optimum operating condition.