인산형 연료전지 성능향상을 위한 매트릭스의 특성과 미세다공층의 적용 = Improving Phosphoric Acid Fuel Cell Performance via Matrix Characteristics and the application of Micro Porous Layer

국문 초록 (Abstract)

인산형 연료전지(PAFC)의 전기화학적 성능에 영향을 미치는 핵심 부품은 전극 촉매, 전해질 매트릭스 및 기체확산층(GDL) 등이 있다.
본 연구에서는 PAFC의 성능 향상을 위해 매트릭스의 특성에 관한 실험을 진행하였고 입도가 서로 다른 3가지 탄화규소(SiC) 분말을 혼합하여 기공률을 제어하였다. 매트릭스는 액체 전해질을 고정하여 이온의 이동 통로 역할과 동시에 두 전극을 분리시키고 반응가스 사이의 크로스오버를 방지한다. 이러한 매트릭스는 다공성 구조를 갖는데, 높은 인산함침도와 기공압을 위해 많은 미세기공을 가지면서 치밀한 미세구조를 가져야한다. 이러한 특성을 만족하기 위해 3가지 입도의 SiC 분말을 사용하여 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 분말 혼합비를 선택하고 매트릭스를 제작하였다. 혼합 분말로 제작한 매트릭스와 단일 분말로 제작한 매트릭스를 비교하였을 때 혼합분말로 제작한 매트릭스가 더 치밀한 구조인 것을 확인하였고 인산 함침도 또한 증가한 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 PAFC 전극의 성능 향상을 위해 전극에 미세다공층(MPL)을 적용하였다. MPL은 주로 고분자 전해질 연료전지에서 GDL과 전극사이의 접촉 저항을 줄여주고 물과 열 관리를 쉽게 해주는 중간 완화층 역할을 한다. 기존의 PAFC 전극에는 MPL을 적용한 사례가 거의 없었으나 본 연구는 MPL이 PAFC 전극의 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단하여 MPL을 적용하는 실험을 진행하였다. MPL을 적용하였을 때 단위전지의 출력 밀도가 약 13% 향상되었고 전극 계면의 내부 저항 또한 크게 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 MPL의 적용은 PAFC 전극에서도 성능 향상에 기여할 수 있음을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The key components of a Phosphoric acid fuel cell (PAFC) are an electrode catalyst and electrolyte matrix. In this study, experiments were conducted to investigate the characteristics of the matrix in order to improve PAFC performance. Three different Silicon carbide(SiC) powders with varying particle sizes were mixed to control porosity. This matrix possesses a porous structure with numerous micropores to achieve high phosphoric acid impregnation degree and porosity for enhanced gas permeability. A comparison between matrix made from the mixed powder and a single powder revealed a denser structure and increased phosphoric acid impregnation for the mixed powder matrix.
Subsequently, for the performance improvement of PAFC electrodes, a Micro porous layer (MPL) was applied. MPL is mainly utilized in polymer electrolyte membrane fuel cells, functioning as an intermediate buffer layer that reduces the contact resistance between gas diffusion layer (GDL) and the electrode, effectively managing water and heat within the electrode. While there are few cases of applying MPL to the electrodes of PAFC, in this study, MPL was applied as it is expected to contribute to the improvement of PAFC performance. The results indicated an approximate 13% increase in single cell power density and a significant reduction in internal resistance at the electrode interface upon MPL application. These results suggest that MPL application affects the performance improvement of PAFC.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• 국문초록 ⅵ
• 제 1장 연구의 배경과 목적 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 2
• 제 2장 이론적 배경 4
• 2.1 연료전지 4
• 2.2 고정형 연료전지 9
• 2.2.1 인산형 연료전지 13
• 2.3 PAFC 단위전지 구성요소 17
• 2.3.1 전해질 매트릭스 18
• 2.3.2 촉매 19
• 2.3.3 기체확산층 19
• 2.3.4 미세다공층 21
• 2.3.5 기타 구성요소 21
• 2.4 연료전지 효율과 전기화학적 분석법 24
• 2.4.1 이론 전압과 분극곡선 24
• 2.4.2 전기화학 임피던스 분광법 28
• 제 3장 실험 방법 32
• 3.1 PAFC 전극 제작 32
• 3.1.1 전극 구성원료 32
• 3.1.2 촉매 슬러리 제조 32
• 3.1.3 전극 코팅과 열처리 32
• 3.2 PAFC 매트릭스 제작 38
• 3.2.1 전해질 매트릭스 구성원료 38
• 3.2.2 인산의 정제와 농축 38
• 3.2.3 매트릭스 슬러리 제조 38
• 3.2.4 매트릭스 코팅과 열처리 39
• 3.3 단위전지 구성과 체결 39
• 3.4 물리-화학적 특성 분석 43
• 3.4.1 탭 밀도 분석 43
• 3.4.2 미세구조 분석 46
• 3.4.3 매트릭스 특성 분석 46
• 3.5 전기화학적 특성 분석 48
• 제 4장 결과 및 고찰 50
• 4.1 탭 밀도 기반 매트릭스 혼합비 설정 50
• 4.2 전극과 매트릭스의 미세구조 분석 53
• 4.3 매트릭스 특성 분석 60
• 4.4 전기화학적 성능 평가 62
• 4.4.1 MPL 적용에 따른 전기화학적 성능 비교 62
• 4.4.2 작동온도에 따른 단위전지 성능 비교 62
• 4.4.3 장기 운전 특성 평가 63
• 제 5장 결론 69
• 참고문헌 70
• 영문초록 73
• 감사의 글 74