상온 상태에서 직접 메탄올 연료전지의 특성 연구

   윤효진 1 , 김정주 2 , 김동진 3* 1 호서대학교 정보제어공학과, 2 호서대학교 전자공학과, 3 호서대학교 중심대학사업단 The Study for Characteristic of Direct Methanol Fuel Cell in Ambient Temperature
요 약 현재 소형 휴대용 배터리의 용량 증가에 따라 배터리의 부피가 커지는 문제를 가지고 있다 . 이러한 문제를 해결하기 위해 직접 메탄올 연료전지가 대안으로 떠오르고 있다 . 본 논문에서는 직접 메탄올 연료전지를 상온 상태에 서 자연 대류 방식으로 공기를 공급하고 , 메탄올의 농도와 유량의 변화에 대한 특성을 분석하였다 . 분석 결과 저 농 도의 메탄올에서는 수소 이온의 확산 속도 지연에 따른 분극현상이 발생하였고 , 메탄올의 공급량이 높을수록 전지 Cell 의 냉각 효과가 발생하여 출력이 감소한다 .1. 서론 바로 전환하여 친환경적이며, 발전 효율이 높아 에너지 절감효과가 매우 우수하다. 에너지 고갈, 환경 문제 등이 전 세계적인 이슈가 되면 또한 수소, 천연가스, 에탄올, 메탄올 등을 연료로 이 서 화석 연료의 대안으로 연료전지의 중요성이 강조되고 용할 수 있어, 차세대 대체 에너지 기술로 기대가 된다 있다[1]. 정부에서도 연료전지가 자동차 산업의 환경규제 [3]. 극복 등 연관 산업의 경쟁력 확보와 대체에너지에 대한 직접 메탄올 연료전지는 다양한 용도로 사용이 가능하 미래 투자로서 전략적 의미가 있다고 판단하고 연료전지 다 특히, 1W 정도의 소형 배터리 대체용 전원이나 500W 를 차세대 성장 동력 산업으로 지정하여 적극적으로 육 이하의 휴대용 전원으로 사용 가능성이 매우 높고, 상당 성하고 있다[2]. 한 성능 향상이 이루어진다면 자동차용 엔진으로도 사용 연료전지 기술은 수소의 화학에너지를 전기에너지로 이 가능할 것이다[4]. 현재 소형 휴대용 배터리의 크기가 이 논문은 2008년 호서대학교의 재원으로 학술연구비 지원을 받아 수행된 연구임 (20080104) * 교신저자 : 김동진() 점수일 09년 03월 19일 수정일 09년 05월 15일 게재확정일 09년 05월 27일 955
   한국산학기술학회논문지 제10권 제5호, 2009 커짐으로써 전체 부피가 커져야 하는 문제점이 있다.[2] 이 때 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안으로서 직접 메탄 공기극으로 이동하고 생성된 전자는 전류 집전체로 이동 올 연료전지가 대안으로 떠오르고 있다[1]. 한다. 공기극에서는 연료극에서 이동한 수소이온과 전자 직접 메탄올 연료전지가 휴대용 전원으로 사용되기 위 및 반응물인 산소와의 환원반응에 의해 물이 생성된다. 해서는 단위전지의 성능 향상뿐만 아니라 단위전지의 적 반응식은 다음 식(1) ∼ (3)과 같다. 층형인 스택 기술의 개발, 연료전지 운전 장치 기술의 개 발 등이 필요로 한다[5]. 그러나 현재 연구동향들을 살펴          →         (1) 보면 연료전지의 전극, 촉매, 전해질 막, 분리판 등 주로       단위전지에 관련한 연구가 주를 이루고 있으나, 연료전지           →    (2) 운전 장치에 관해서는 연구가 수행되고 있지 않는 실정       이다[6]. 또한 기존의 실험들은 스택의 온도를 일정하게          →       (3) 유지시킨 상태에서 수행되어 온도조절 장치가 없는 휴대      용 전원장치로 사용이 힘들다. 전지에서 얻을 수 있는 최고의 이론 전압은 1.18V이 본 논문에서는 실제 휴대용 전원의 조건과 동일하게 다. 하지만 실제 개회로 전압(Open circuit voltage, OCV) 상온 상태에서 최고의 성능을 얻을 수 있는 최적의 운전 은 0.7V 안팎에 불과하다. 이것은 전극 반응의 과전압이 조건을 분석 하였다. 매우 크다는 것을 뜻하며, 고분자 전해질 연료전지의 개 회로 전압이 1V에 가깝다는 점을 고려해 보면 더욱 더 그렇다. 실제 개회로 전압의 감소는 부반응으로 생성된 2. 직접 메탄올 연료전지 포름알데히드, 포름산 등의 반응, 촉매의 피독에 의한 과 직접 메탄올 연료전지는 일반적으로 고분자 전해질 막 전압, 과산화물에 의해 생성된 산소 환원 반응의 혼합 가 을 중심으로 전극인 연료극과 공기극이 붙어 있는 전해 역 전위로 인한 과전압, 메탄올 투과에 의한 공기극의 전 질 막-전극 접합체(membrane and electrode assembly, 위 감소 등에 의해 일어난다. MEA)와 양극판(end plate)으로 구성되어 있다. 연료극과 이론적 개회로 전압은 식에 의하여 전지의 온도와 분 공기극의 전극은 반응물의 확산과 생성된 전자의 집전 압이 상승함에 따라 감소되나 실제 반응에서는 전극 촉 역할을 하는 탄소소재의 지지체와 전기화학적 반응을 위 매의 활성 증가와 메탄올 투과의 감소에 의하여 증가된다. 한 촉매층으로 이루어져 있다. 양극판은 manifold에서 전 극으로 반응물을 공급할 수 있는 유료가 형성되어 있고 전극에서 생성된 전자의 운반을 담당한다[7]. 3. 직접 메탄올 연료전지 시스템 구성 그림 1은 직접 메탄올 연료전지 단위 전지 구성도이 본 논문에서는 직접 메탄올 연료전지 평가 시스템을 다. 직접메탄올 연료전지의 전기화학반응은 전해질 막-전 구성하여 상온 상태에서의 특성을 분석하였다. 특성분석 극 접합체의 촉매층에서 이루어진다. 연료극에서 반응물 을 위해 대만의 Antig사의 4-cell 직접 메탄올 연료전지 인 메탄올 용액은 전극 내 촉매층에서 산화반응을 통해 스택을 사용하였다. 사용된 직접 메탄올 연료전지 스택의 수소이온과 전자 및 이산화탄소를 생성한다. 사양을 표 1에 나타내었다.
[그림 1] 직접 메탄올 연료전지 단위 전지 구성도[표 1] 연료전지 스택의 사양 Property Cell 4 Excluding Golden Finger Dimension 110(L)mm×55(H)mm×7(W)mm Weight 64 ~ 68g ■2.4~3.2V(OCV) Output Voltage ■1.2~1.8V(Operation Range) Output Current 0.2A~1.4A Operation Temperature 0°C~70°C Fuel Usage Range 3v%~10v% methanol solution Moduele Resistance ≦300m Ω 956
   상온 상태에서 직접 메탄올 연료전지의 특성 연구 그림 2는 스택의 외형 사진이다. 순수한 물과 메탄올 MFC(mass flow controller)와 Micro Fan Motor를 이용하 로 혼합된 연료는 펌프를 통하여 직접 스택 내부로 공급 였으며 그 외에 셀 표면 온도 측정을 위한 RTD(온도센 되며 스택내부의 내부 매니폴드에 연료가 채워지면 4개 서), 연료극에서 나온 메탄올을 회수하기 위해 Disposal 의 셀에 함께 연료가 공급되어 출구 쪽의 매니폴드에 연 Bag을 포함하였다. 료가 모아져 스택의 외부로 배출되어지는 방식이다. 공기 극의 경우는 셀이 외부에 노출 되어져 있어서 기체와 직 접 맞닿는 구조로 되어있다. 4. 실험 및 분석

   0.5M - 2.5M까지를 1.5ml/min - 2.5ml/min의
본 논문에서는 직접 메탄올 연료전지 스택에 연료의 농도와 연료 공급 유량의 변화에 따른 특성을 분석하였 다. 메탄올 농도는 조절하여 농도에 따른 특성을 분석하고, 분석 결과에 따라 가장 좋은 특성 을 보이는 농도의 연료를 정량 펌프를 이용하여 연료 공급 유량을 변화하여 특 성을 분석하였다. 또한 상온 상태에서의 분석을 위해 스택에 공급되는 공기의 유량은 조절하지 않고 자연대류방식을 사용하였 다.
   [그림 2] DMFC Stack 3은 DMFC

   4는
4.1 메탄올 농도에 따른 분석 그림 평가시스템 구성도이다. 직접 메탄올 그림 실험을 위해 구성한 자연대류방식의 평가 시 연료전지 발전시스템의 최적화를 위해서는 연료전지 스 스템을 보여준다. 택과 같은 핵심 부품의 성능 개선은 물론 주변 시스템의 최적화 및 종합화 기술이 필요하다.
   각각 0.5M, 1M, 1.5M, 2M, 2.5M을 1ml/min
직접 메탄올 연료전지 발전시스템의 주요 설비로는 연 료전지 스택을 비롯하여, 연료 공급 장치, 공기 공급 장 [그림 4] 자연대류방식의 연료전지 평가시스템 구성 치, 시스템 제어 설비 및 전력 변화 장치 등이 포함될 수 있다[4]. 따라서 평가 시스템을 다음과 같이 구성하였다. 자연대류 방식을 이용하여 메탄올 농도를 연료 공급 장치로는 연료극에 다양하고 정확한 연료공급 만들고, 연료 공급량을 을 위해서 정량펌프를 사용하여 연료를 공급하고 공기 으로 고정하여 연료전지의 출력을 분석하였다. 분석 결과 공급 장치로 공기극에 공기를 공급하기 위해서957
   한국산학기술학회논문지 제10권 제5호, 2009
는 그림 5에 나타내었다. 4.2 메탄올 연료 공급 유량에 따른 분석 실험 결과에 의하면 메탄올의 농도가 0.5M과 1M을 메탄올의 농도에 따른 특성 분석을 통해 1.5M - 2.5M 제외한 나머지 농도에서 거의 비슷한 전압-전류 특성 값 일 경우에 좋은 운전 특성을 나타내었다. 따라서 연료의 이 나타났다. 공급 유량에 따른 특성을 분석하기 위해 연료 공급 유량 0.5M의 경우는 전류의 상승에 따른 수소이온의 농도 을 각각 0.5ml/min, 1ml/min, 1.5ml/min로 변화시켜 실험 감소로 인하여 약100mA의 출력전류 까지는 1M 이상의 을 하였다. 연료와 유사한 전압-전류 특성을 보였으나 이후부터는 그림 6은 메탄올의 농도 1.5M일 때 연료 공급 유량을 급격히 전압이 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 수소 변화하여 얻은 특성을 보여준다. 그래프에서 보여주는 것 이온의 확산속도 지연에 따른 농도분극에 기인한 현상으 과 같이 동일한 메탄올 농도에서 연료 공급 유량이 많을 로 보여 진다. 수록 좋은 특성을 보여주고 있다. 또한 2M을 전후하여 농도가 더 증가하더라도 연료전 지의 전력이 떨어지는 것을 볼 수가 있다. 2.5M 용액에서 는 한계전류는 발생하지는 않지만 상대적으로 메탄올 크 로스오버가 발생한다. 이로 인하여 공기극에서 형성되는 전위의 손실이 커지고 따라서 전체 연료전지의 출력의 감소를 야기한다. 이러한 메탄올의 크로스오버는 메탄올 의 농도가 높아질수록 심화된다.
   a) 전류 - 전압 특성

   a)

   b) 전류 - 전력 특성 [그림 6] 메탄올 1.5M 일 때 연료 공급 유량에 따른 특성

   b) 전류-전력 특성 [그림 5] 메탄올 농도에 따른 특성 (0.5M - 2.5M)
그림 7은 메탄올 농도 2M일 때 연료 공급 유량에 따 른 특성을 나타낸다. 그래프에서 보이는 것과 같이 2M 농도에서도 연료의 공급량이 많을수록 스택에 충분한 연 료를 공급 할 수 있어 우수한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 958상온 상태에서 직접 메탄올 연료전지의 특성 연구
   a) 전류 - 전압 특성

   a) 전류 - 전압 특성

   a) 전류 - 전력 특성
[그림 8] 메탄올 2.5M 일 때 연료 공급 유량에 따른 특성
   b) 전류 - 전력 특성 [그림 7] 메탄올 농도 2M 일 때 연료 공급 유량에 따른 특성 5. 결과 및 고찰 그림 8은 메탄올 농도 2.5M일 때 연료 공급유량을 조 본 논문에서는 직접 메탄올 연료전지의 특성을 분석하 절하여 특성을 분석하였다. 분석 결과 그림 6과 그림 7에 기 위해 메탄올의 농도 별, 연료 공급 유량 별 특성을 분 서 보여준 특성과는 차이를 보인다. 메탄올 농도 1.5M과 석하였다. 그림 9에 가장 좋은 농도 및 유량에 대한 특성 2M에서의 특성에서는 연료공급 유량이 많을수록 좋은 을 나타내었다. 결과를 얻을 수 있었으나, 메탄올 2.5M의 경우에 있어서 실험 결과에 따르면 메탄올 농도 1.5M, 2M에서는 는 적은 유량에서 좋은 특성을 얻을 수 있다. 이러한 현 1ml/min에서 가장 좋은 실험값이 나왔고 2.5M에서는 상은 메탄올 2.5M에서 연료의 유량이 많아지면 공급 속 0.5ml/min에서 가장 좋은 실험값이 나왔다. 연료의 농도 도도 빨라지며, 이때 각 단위전지 내부의 반응 온도를 저 가 높을수록 연료공급량이 적을 때 더 좋은 결과를 나온 하하는 일종의 냉각효과가 일어나서 출력의 저하를 일으 다는 것을 알 수가 있었다. 이는 연료의 농도가 높아지면 키게 된다. 더 많은 양의 메탄올이 연료에 포함되어있어서 적은 공 급량으로도 충분한 출력이 나오게 되는 것을 알 수 있었 다. 959

   한국산학기술학회논문지 제10권 제5호, 2009
가능하고 연료교체가 편리하여 이동형 전원으로 많이 개 발되고 있다. 본 연구에서는 휴대용 기기의 전원 구동을 목적으로 외부 온도조절 장치, 가습장치가 없는 상온 상태에서 연 료전지의 한 종류인 직접 메탄올 연료전지의 평가시스템 을 구성하여 상온 상태에서 연료의 농도, 공급 유량에 따 른 출력 특성을 알아보았다. 실험결과를 요약 하면 다음 과 같다.
   a) 전류 - 전압 특성
(1) 메탄올의 농도가 0.5M의 경우는 전류의 상승에 따 른 수소이온의 농도 감소로 인하여 약100mA의 출 력전류 까지는 1M 이상의 연료와 유사한 전압-전 류 특성을 보였으나 이후부터는 수소이온의 확산 속도 지연에 따른 농도분극으로 감소하였다. 또한 2M을 전 ‧ 후하여 농도가 더 증가하더라도 연료전 지의 출력이 크로스오버 현상으로 인해 떨어지는 것을 알 수 있었다. 따라서 실험결과에 서는 2M의 메탄올에서 가장 좋은 결과를 보였다. (2) 연료의 공급량은 1ml/min에서 가장 높은 출력을 보였고 1ml/min이상 일 때는 연료의 공급량이 빨 라져 단위전지 내부의 반응 온도를 내리는 냉각효 과가 발생하여 출력 저하를 일으켰다.
   a)

   -
향후, 직접 메탄올 연료전지를 완전히 상용화를 위해 서는 전해질 막, MEA, 패키징, 연료 조절 및 공기 유입 등의 관련된 기술이 향상 되어야 하며, 이를 위해 많은 연구가 필요하다.
   [그림 9] 메탄올 농도별 , 공급 유량별 최적 운전 조건 분석 참고문헌 그러나 1.5M과 2M에 연료공급량 0.5ml/min의 경우에 시간이 경과할수록 출력이 급격히 감소하는 현상이 발생 [1] 조만, “직접메탄올 연료전지 기술개발 동향”, KISTI 하였다. 이러한 현상은 초기에 스택 내부에 잔존하는 메 기술동향 분석 보고서, 2003. 탄올이 공급 연료의 역할을 함으로써 겉보기 출력이 증 [2] 정우석, “휴대용연료전지”, 미래선도기술이슈분석보 가한 것으로 보인다. 실험 결과에서 나타난 것과 같이 충 고서, 2005. [3] 남석우, “연료전지 기술동향” 원자력과 수소 심포지 분한 농도를 갖추지 못한 체 연료의 공급량이 너무 적으 움, 2003. 면 시간이 경과할수록 출력이 급격히 저하됨을 알 수 있다. [4] 백동현, “직접메탄올 연료전지 시스템의 응용과 연 구개발”, 설비저널, 2005. [5] 산업자원부 “휴대용 50W급 DMFC 시스템 개발 연 6. 결론 구”, 2007. [6] 김서영, “PEM 연료전지의 운저장치(BOP)”,설비저 직접메탄올 연료전지는 액체인 메탄올을 연료로 직접 널, 2005. 사용하기 때문에 수소를 연료로 사용하는 연료전지와 다 [7] 산업자원부, “100W급 직접메탄올 연료전지 개발에 른 점들이 많다. 즉, 시스템의 작동이 간단하여 소형화가 관한 연구”, 2004. 960
상온 상태에서 직접 메탄올 연료전지의 특성 연구윤 효 진 (Hyo-Jin Yun)
   [준회원] • 2007년 2월 : 호서대학교 정보제 어공학과 (공학사) • 2009년 2월 : 호서대학교 대학원 정보제어공학과 (공학석사)

   <관심분야> 연료전지, 시스템 제어 응용 김 정 주 (Jeong-Ju Kim) [정회원]

   • 2008년 2월 : 호서대학교 대학원 전자공학과 (공학석사) • 2009년 3월 ~ 현재 : 호서대학 교 대학원 전자공학과 박사과정 • 2008년 4월 ~ 현재 : 조일 HCI 대표

   <관심분야> 유비쿼터스, HCI, 신∙재생에너지 김 동 진 (Dong-Jin Kim) [종신회원]

   • 2000년 8월 : 호서대학교 대학원 전자공학과 (공학석사) • 2007년 2월 : 호서대학교 대학원 전자공학과 (공학박사) 2000년 1월 ~ 2004년 6월 : (주)

   2005년 1월 ~ 2007년 2월 : (주)
• 제니스테크 기술연구소 선임연 구원 • 테크라인 세정기술연구소 책임 연구원 현재 호서대학교 교수
   • 2007년 3월 ~ : <관심분야> 유비쿼터스, 스마트 인터페이스, 센서응용, 제어 시스템 응용, 신∙재생에너지 961