011. 화학반응공학 실험 보고서_PEMFC, DSSC 예비 보고서_200412_R0

 제가 직접 작성했었던 인하대학교 화학반응공학 실험 과목의 PEMFC, DSSC 예비 보고서입니다.

이를 참고하고 다른 자료를 덧붙여서 더 좋은 보고서를 작성하시는데 도움이 되었으면 좋겠습니다.

 

<PEMFC>

1. 실험목적

PEMFC의 성능 측정을 통하여 분극 곡선을 그려보고, 전기화학적 의미를 알아본다.

 

2. 기본이론조사

a. 연료전지의 정의와 기본원리, 구조 (PEMFC 외 종류 간략히)

① 연료전지의 정의

연료 전지 모식도

연료 전지란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 연료의 화학에너지를 직류 전기로 변환시키는 전기화학적 에너지 변환장치를 말한다. 이는 촉매에 의해 이루어지는 반응이기 때문에 연료가 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 기존의 에너지 변환장치들은 가동장치도 필요하고, 여러 변환 단계를 거치지만 연료전지의 경우 가동장치 없이 단 하나의 단계에서 전기를 발생시킨다. 효율적이고 저렴하기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.

 

② 기본 원리와 구조

연료전지는 수소가 공급되는 연료극과 산소가 공급되는 공기극이 있고, 사이에 전해질 층이 있는 구조로 되어있다. 연료 극에서는 수소의 산화반응이 일어나게 되고 산화 전극(Anode)의 역할을 하게 된다. 반대로 공기 극에서는 산소의 환원반응이 일어나게 되어 환원 전극(Cathode)의 역할을 하게 된다. 수소 극 생성된 수소이온이 전해질을 거쳐 공기 극으로 이동하게 되고, 전자는 회로를 통해 이동하며 전류를 만들어낸다. 공기극으로 이동한 수소이온과 전자, 산소가 전기화학반응으로 물을 생성하게 된다. 이때 수소극과 공기극에서 일어나는 반응식은 다음과 같다.

수소 극 (Anode)	H2 ↔ 2H+ + 2e-	E0 = 0.00V
산소 극 (Cathode)	½O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O	E0 = 1.23V
Overall Reaction	H2 + ½O2 → H2O	E0 = 1.23V

③ 연료전지의 종류

	메탄올형 (DMFC)	인산형 (PAFC)	알칼리형 (AFC)	고분자전해질형 (PEMFC)	고체산화물형 (SOFC)	용융탄산염형 (MCFC)
전해질	고분자막	H3PO4	KOH	H+ 교환막	ZrO2+8Y2O3	Li2CO3/K2CO3
전극	Pt / C	Graphite+Pt	Pt or Ni	Pt / C	LSM(YSZ)/Ni(YSZ)	NiO/Ni(Cr)
작동온도	50~100℃	약 200℃	상온~100℃	상온~80℃	800~1000℃	약 650℃
전도종	H+	H+	OH-1	H+	O-2	CO3-2
사용연료	CH3OH	H2	H2	H2	H2, CO, CH4	H2, CO
발전효율	-	40~50%	45~55%	40~50%	45~55%	45~55%
활용분야	전기자동차 이동형전원	분산형 전원	우주선 전원	이동형 전원, 자동차	중형발전 시스템, 자동차	대형발전 시스템

b. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의와 특징

① PEMFC의 정의

PEMFC는 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell의 약자로서 고분자 전해질 연료전지이다. 이는 50㎛ 이하의 얇은 양이온 전도성 고체 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지를 의미한다.

② PEMFC의 특징

PEMFC는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서도 작동이 가능하고 구조가 간단해 빠른 시동과 우수한 내구성을 가지고 있다. 전해질이 고체이기 때문에 분산이 없고, 가압운전이 쉬우며, 차압제어도 용이하다는 장점이 있다. 또한 CO2의 영향을 받지 않아 공기를 이용한 운전이 가능하다. 하지만 수소의 저장에 대한 문제점이 있고, 아직까지 경제적으로 효율적이지 못한 단점이 있다.

 

c. PEMFC에서 쓰이는 고분자전해질(Membrane)의 구조와 특징 및 역할

 고분자 전해질 PEM(Polymer Electrolyte Membrane)은 전기적으로 절연체이며, 연료인 수소와 산소가 혼합되지 않도록 하면서 Anode에서 생성된 수소이온을 Cathode까지 이동시키는 역할을 한다. 따라서 화학적으로 안정하고 수소이온의 전도성과 물의 이동성이 높고, 가스 투과성이 낮은 물질이어야 한다. 고분자 전해질 막의 특성은 연료전지의 성능에 크게 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다.

PEMFC의 전해질로 주로 쓰이는 Nafion은 탄소와 불소가 연속적으로 결합된 고분자 구조이다. 탄소와 불소결합의 끝에 SO3-이온이 붙고, SO3-이온은 친수성이므로 물을 끌어당긴다. 이렇게 형성된 Nafion의 수로를 통해 수소이온이 확산된다. 따라서 Nafion에서는 항상 적정량의 물이 있어야 하고, 이 때문에 PEMFC가 물의 끓는점(100℃) 미만에서 작동하게 된다.

 

d. Three Phase boundary(3상계면)이란? 그 역할은?

연료전지 반응은 촉매반응, 전자의 이동, 이온의 이동이 모두 원활하게 일어나야 한다. 이러한 반응은 전극촉매의 활성점에서 기체, 전해질, 촉매가 동시에 만나 이러한 반응이 일어나게 되는 일정한 범위를 3상계면(Three phase boundary)이라 한다. 연료전지 내에 유효한 3상계면의 면적이 전류를 얼마나 많이 추출할 수 있는지를 결정된다.

 

e. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법에 대해서 기술하시오.

① 촉매의 표면적을 넓힌다.

촉매의 표면적을 넓혀 기체와 촉매와의 접촉 면적이 넓어지면 반응이 더 많이 일어날 수 있기 때문에 연료전지의 효율을 높일 수 있다. 또한 촉매표면의 물을 잘 제거해주어야 하는데, 연료전지의 반응을 통해 생성된 물이 수소이온과 산소이온이 만나는 촉매작용을 방해하기 때문이다.

② 연료의 순도를 높인다.

미량의 CO가 연료인 수소와 함께 공급되면 연료전지의 성능은 급격히 감소하게 된다. 이 때문에 연료 중 CO를 완전히 제거함으로써 효율을 높일 수 있다.

③ 3상계면의 면적과 안정성을 높인다.

d에서 설명한 것과 같이 3상계면의 면적을 넓히고, 촉매와 전해질의 접촉면적을 넓혀 3상계면에 위치할 경우 효율을 높일 수 있다. 또한 다른 고분자를 기존의 막에 코팅하여 막과 전극 사이의 접합성을 높이거나 막과 전극을 접합한 후 열처리를 통해 물성을 향상시켜 계면을 안정적으로 유지할 수 있게 되며 결과적으로 효율을 높일 수 있다.

 

f. 연료전지의 최근동향과 사용분야

최근의 연료전지는 다양한 기업에서 연구되고 있고 특히 수소연료전지차량 분야에서 많이 연구된다. 현재 수소공급방법에서 압축수소탱크로서 수소를 공급하는 방법과 메탄올을 이용해 수소를 공급하는 방법 두가지가 대표적으로 연구되고 있는데, 압축수소 탱크를 이용하는 경우, 가장 친환경적인 방법이지만, 탱크를 탑재해야 하는 부분 때문에 차량 크기의 증가 및 수소의 불안정성과 수소를 공급하는 인프라 구축 등 때문에 아직까지 실용화는 되지 않고 있다. 메탄올을 이용해 수소를 공급하는 경우 기존 연료 인프라를 이용할 수 있는 장점이 있지만, 메탄올을 분해할 경우 기존차량보다는 현저히 낮지만 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물이 발생하는 단점이 있다. 또한 메탄올을 공급하기 위한 방법으로 옥수수 재배가 있지만 이는 식량문제와 직결되기 때문에 아직까지 연구되고 있다.

 

<DSSC>

1. 실험목적

직접 염료감응 태양전지를 제작 해보고, 성능 평가를 통해 태양전지를 이해한다.

 

2. 기본이론조사

a. 태양전지의 종류와 특징

태양전지는 태양광 에너지가 광전기 효과에 의해 전기에너지로 직접 변환되는 전기 발생장치를 말한다. 태양전지의 에너지원이 태양광이기 때문에 친환경적이며 제한량이 없다. 태양전지는 별도의 기계가동 부분이 없기 때문에 소음과 진동이 적고, 이 때문에 소음이 적고 안전하고 수명 또한 20년 이상으로 길다는 장점이 있다. 하지만, 전력생산이 일사량에 의존하고, 에너지 밀도가 낮고, 초기투자비용과 발전단가가 높다는 단점이 있다.

태양전지는 구조와 이용분야, 사용되는 반도체 재료로 분류할 수 있다. 크게 유기 물질로 이루어진 것과 무기 물질로 이루어 진 것으로 나눌 수 있는데 먼저 무기물질의 태양전지는 실리콘계와 화합물 반도체계로 구분할 수 있다. 실리콘계는 벌크 결정을 이용하는 결정 실리콘계와 박막을 이용하는 박막 실리콘계, 마지막으로 벌크결정과 박막의 하이브리드계가 있다.

결정 실리콘은 가장 많이 사용되는 반도체 재료이다. 이는 단결정계와 다결정계로 나뉘는데 단결정의 경우 효율은 높지만 비용이 비싸다. 가장 많이 보급되어 있는 다결정계의 경우, 효율은 상대적으로 낮지만, 저비용으로 제조가 가능하다.

박막 실리콘은 비정질 실리콘이나 미결정실리콘을 사용하기 때문에 저온에서 큰 면적을 고속성막할 수 있어 제조비용이 낮고 두께도 얇기 때문에 효율적이지만, 광열화가 일어나는 것이 단점이다.

화합물 반도체계에는 Ⅲ-Ⅴ족과 CdTe계, CIGS계 등의 박막계가 있다. Ⅲ-Ⅴ족은 변환효율이 높은 고성능 태양전지이지만, 고가이기 때문에 우주용으로 사용된다. CdTe계, CIGS계는 얇은 막으로 중간 정도의 효율을 얻을 수 있고, 제조비용이 저렴하다는 장점이 있다.

이외에도 유기물질로 이루어져있는 유기 태양전지가 있다. 이는 연료감응형 태양전지와 유기분자를 포함하고 있는 것으로 나눌 수 있다. 최근에는 변환효율을 높인 GaAS/Ge 이중접합 태양전지와 같은 유/무기 혼합 또는 순수유기 태양전지가 있다. 셀 구조에 따라 분류하게 되면 반도체 PN 접합형과 반도체/액체 광전기화학형 태양전지(PEC)로 나눌 수 있다.

 

b. 염료 감응형 태양전지 DSSC(Dye sensitized Solar Cell)의 정의와 기본원리, 구조

 

연료 감응형 태양전지란 TiO2를 주성분으로 하는 반도체 나노 입자, 전해질, 투명전극, 태양광 흡수용 염료 고분자로 구성되어 있는 식물의 광합성 원리를 응용한 전지이다.

연료 감응형 태양전지의 기본 구조는 투명한 유리 위에 코팅된 투명전극과 그 위에 접착되어 있는 나노 입자로 구성된 다공질 TiO2, 그리고 그 TiO2입자 위에 단분자층으로 코팅된 염료 고분자와 두 전극 사이에 산화환원용 전해질 용액이 들어있는 형태이다.

기본적인 원리는 태양광이 전지에 입사하게 되면 염료 고분자에 의해 흡수된다. 그러면 염료는 여기상태로 되며, 전자를 TiO2의 전도대로 보내게 된다. 전자는 전극으로 이동해 외부 회로로 흘러가 전기에너지를 전달하고, 에너지를 전달한 만큼의 낮은 에너지 상태가 되어 상대 전극으로 이동하게 된다. 염료는 TiO2에 전달한 전자 수만큼 전해질 용액으로 공급받아 원래의 상태로 환원된다. 여기서 산화물로 일반적으로 TiO2가 사용되지만 ZnO나 Nb2O5와 같이 넓은 Band gap을 갖는 물질도 사용될 수 있다.

 

c. 태양전지 기본 용어 조사(VOC, ISC, FF, 효율 계산방법, 1 Sun, AM)

① Voc (Open-circuit voltage)

개방전압이라고 하며, 개방상태(특정한 온도, 일정 강도에서 부하가 없는, 즉 전류가 0인 상태)에서 태양전지 양단에 나타나는 전압으로 개방 전압은 태양전지로부터 얻을 수 있는 최대 전압이고, 셀을 통해 전달되는 전류가 없을 때 발생한다.

② Isc (short-circuit current)

단락전류라고 하며, 단락 조건(특정한 온도, 일정 강도)에서 태양전지의 양단의 전압이 0일 때 흐르는 전류를 의미한다.

③ FF (Fill factor)

곡선인자라고 하며, 최대 전력점의 전류 밀도와 전압의 곱을 Voc와 Isc로 나눈 값이다. FF에 관한 그래프를 보게 되면, 빛이 가해진 상태에서 I-V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운지를 나타내는 지표이며 이 값이 클수록 좋은 태양전지이다.

④ 효율 계산 방법

태양전지의 효율은 변환효율을 말하며 이는 η으로 나타낸다. 개방전압과 곡선인자의 곱으로 구한 최대출력전력(Pmax)을 태양전지의 면적(A)과 특정 조건에서 측정된 조사강도(E)의 곱인 수광전력으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것을 말한다. 이는 A의 경우 태양전지 전체 면적으로 이용한 경우 실효 변환 효율이라 하고, 전극 등을 제외한 광전 효과가 발생하는 면적으로 이용한 경우 진성 변환 효율이라고 한다.

(PMAX의 단위는 kW, A의 단위는 m2, E의 단위는 kW/m2이므로 단위는 %이다.)

⑤ 1 Sun

태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1m2당 1000W일 때, 1Sun이라고 하며, 이를 표준태양광 조건이라고 정의한다. 이는 태양광의 효율을 측정할 때 기준이 되는 광원의 양이다.

⑥ AM(Air mass)

대기 질량을 말하며, 대기가 태양광선을 받아 지구 표면에 미치는 정도를 말한다. 이는 임의의 해수면상 관측점으로 햇빛이 지나가는 경로의 길이를 관측점 바로 위에 태양이 있을 때, 햇빛이 지나오는 거리의 배수로 나타낼 수 있다. AM의 단위로 표시하며 최소 경로길이(h)에 상대적인 대기 경로길이(s)를 이용해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

d. Fermi level, LUMO, HOMO

① Fermi level

Band theory에서 파울리의 베타원리를 만족하는 고체 내부의 바닥상태란 T=0에서 N개의 전자가 바닥부터 채워진 상태를 말한다. 온도 변화에 따른 전자 점유상태 변화는 Fermi-Dirac statistics(f(E))를 따른다. 여기서 Fermi-Dirac statistics란 임의의 온도 T의 열적평형 상태에서 에너지 준위 E가 전자에 의해 점유될 확률이다. 여기서 Fermi level은 반도체 내에서 캐리어 거동을 설명하는 가상 준위를 뜻한다. T=0(0K)에서 전자가 가질 수 있는 최대 에너지 준위를 말하고, 임의의 온도 T에서 전자가 채워질 확률 f=1/2인 에너지 준위를 말한다.

② LUMO & HOMO

(Lowest unoccupied molecular orbital, 최저 비점유 분자 궤도함수 & Highest occupied molecular orbital, 최고 점유 분자 궤도함수) MO이론(분자 궤도함수 이론)에서 궤도함수를 그려보았을 때 채워짐과 채워지지 않음의 경계에 놓인 것을 Frontier orbital(경계 궤도함수)라고 한다. 이에 속하는 에너지 준위 중, 최고 점유 분자 궤도함수란 전자가 채워져 있는 것 중 가장 높은 에너지 준위를 가진 부분을 말하며 HOMO(Highest occupied molecular orbital)이라고 한다. 또한 최저 비점유 분자 궤도함수란 전자가 채워지지 않은 에너지 준위들 중 가장 낮은 에너지 준위를 가진 부분을 말하며 LUMO(Lowest occuped molecular orbital)이라고 한다.

 

e. 태양전지의 최근동향과 사용분야

오늘날 태양전지는 항공, 기상, 통신 분야를 비롯해 많은 분야에서 사용되고 있다. 대표적으로 가로등, 배터리 충전기 등은 실용화 되었고, 자동차, 비행기 등에 태양전지를 이용하는 것도 연구 중이다. 또한 우주산업에 가장 널리 사용되고 있다.

태양전지의 기술 개발은 에너지 변환 효율, 가격 이 두 가지 측면에서 이루어지고 있다. 보통 우주산업과 같은 특수 분야에서는 에너지 변환 효율에 초점이 맞춰지고 있고, 실생활에 쓰이는 것들은 가격을 낮추는 방향으로 쓰인다. 고효율의 태양전지에는 주로 갈륨비소 계와 단결정 실리콘 계 물질이 사용된다. 이는 매우 고가이다. 따라서 범용적으로 사용하기에는 불가능하므로 앞서 말한 특수 목적 등에 이용된다. 보다 범용적인 목적으로 사용하기 위해서는 저가의 태양전지 개발이 필요하다. 실리콘 물질을 사용할 경우, 저가의 단결정, 아몰퍼스 실리콘 태양전지 등을 사용하는 방향의 연구 개발이 현재 진행되고 있다.

 

3. 참고문헌 (PEMFC, DSSC)

- 태양전지의 기본, Katsuaki Sato, 도서출판 한산, 2013

- 태양전지 원론, 이재형 외 2인, 홍릉과학출판사, 2005

- 무기화학 제5판, Gary L. Miessler 외 2인, 자유아카데미, 2013

- 물리화학 제9판, Peter Atkins 외 1인, 교보문고, 2015

- 수소연료전지 handbook, 日本수소연료전지 핸드북 편집위원회 편, BM성안당, 2011

- TiO2 씨앗층을 사용한 Co/Pd 이층 박막의 수직 자기 이방성에 관한 연구

(인하대학교 대학원 물리학과 강물빛, 2013. 2)

- Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell with Unprecedentedly High Photocurrent

(Nature Scientific Report, 2013. 1. 10. 출판)