화학반응공학 실험 보고서_PEMFC, DSSC 예비 보고서_Ver2_200516_R0

<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

연료전지란 전기화학적 에너지 변환장치로서 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 연료의 화학 에너지를 직접 직류 전기로 변환시킨다. 이 화학 반응은 촉매 층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 또한 연료로부터 발전에 이르는 재래식 에너지 변환단계를 생략하고 가동장치 없이 단 하나의 단계에서 전기를 발생시킨다. 장치가 간단하고 재래식 발전 과정에 비해 한층 저렴하고 효율적이므로 많은 관심을 받고 있다.

② 기본원리와 구조

연료전지의 구조를 살펴보면 먼저 수소가 공급되는 연료극, 산소가 공급되는 공기 극이 있고 그 사이에 전해질 층이 위치한다. 연료 극에서는 수소가 수소이온과 전자로 분해되는 산화반응이 일어나며 산화 전극(Anode)의 역할을 한다. 공기 극은 반대로 산화제인 산소의 전기화학적인 환원이 일어나는 환원 전극(Cathode) 역할을 하게 된다. 생성된 수소이온은 전해질을 거쳐 공기 극으로 이동하게 되고 전자는 회로를 통하여 이동하며 전류를 만들어낸다. 공기극 으로 이동한 수소이온과 전자, 산소는 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하게 된다. 이때 각 전극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다.

③ 연료전지의 종류

b. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 정의와 특징

① PEMFC의 정의

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)는 얇은(50㎛이하) 양이온 전도성 고체 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지를 의미한다.

② PEMFC의 특징

PEMFC는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 갖고 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 가지고 있다. 특히 PEMFC는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서도 작동이 가능하고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있다. 하지만 수소의 저장에 대한 문제점이 있고 현재는 경제적으로 그다지 효율적이지 못하다는 단점이 있다.

 

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

고분자 전해질 PEM(Polymer Electrolyte Membrane)은 전기적으로 절연체인 동시에 연료인 수소가스와 산화제인 산소가스가 혼합되지 않도록 격리하면서 anode에서 생성되는 수소이온을 cathode까지 이동시키는 역할을 한다. 따라서 화학적으로 안정되고 수소이온의 전도성이 높으며 물 이동성이 높고 가스 투과성이 낮은 것이어야 한다. 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막은 PEMFC의 가장 핵심적인 부분으로서, 고분자 전해질 막의 특성이 연료전지의 성능에 크게 영향을 미친다.

PEMFC의 전해질로 주로 쓰이는 Nafion은 탄소와 불소가 연속적으로 결합된 고분자 구조로 이루어져있다. 탄소와 불소결합의 끝에 SO3-이온이 붙어있고 SO3-이온은 친수성이므로 물을 끌어당긴다. 수소이온은 이렇게 형성된 Nafion의 수로를 통해 확산된다. 따라서 Nafion에는 항상 적정량의 물이 함유되어 있어야 하며 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 동시에 일어나는데, 이러한 반응이 일어나는 일정한 범위를 3상계면이라 한다. 이 범위 내에 고체, 액체, 기체상이 모두 존재하기 때문에 이러한 명칭으로 부른다.

촉매층은 Pt촉매가 탄소입자에 분산된 상태로 존재하며 고분자 전해질 막과 접촉한 상태로 실질적인 전기화학반응이 일어난다. 연료전지에서 전지의 성능을 결정하는 중요한 요소 중의 하나인 촉매는 Pure 한 수소와 공기로만 동작하는 경우에 촉매 내의 Pt가 가장 활성이 높은 물질로 알려져 있다. 전지의 반응은 전해질 막과 접촉한 전극 활성층의 백금촉매 입자의 계면에서 전극을 통해 확산되어 온 기체가 만나는 3상계면에서 발생하게 된다.

 

e. 연료전지의 성능을 개선시키는 방법에 대해서 기술하시오.(2가지 이상)

① 연료의 순도를 높인다.

연료인 수소를 공급하는 도중 미량의 CO가 연료와 함께 공급되는 경우 연료전지의 성능은 급격하게 감소되어 발전 효율이 낮아지게 된다. 연료 중 CO를 완전하게 제거해 낼 수 있다면 연료전지의 효율을 급격하게 올릴 수 있을 것이다.

② 3상계면의 면적과 안정성을 높인다.

위에서 설명한 것과 같이 반응이 주로 일어나는 3상계면의 면적을 크게 하고 촉매를 전해질과 최대한 접촉시켜 3상계면에 위치하면 전지의 성능이 향상될 것이다. 또한 기존 막에 다른 고분자를 코팅하여 막과 전극 사이의 접합성을 높이거나 막과 전극을 접합한 후에 열처리를 하여 물성을 향상시켜 계면을 안정적으로 유지할 수 있고 그에 따라 효율도 증가할 것이다.

 

<DSSC>

 

1. 실험목적

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

 

2. 기본이론조사

a. 태양전지의 종류와 특징

태양전지는 이러한 태양광 에너지를 광전기 효과에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 전기 발생장치이다. 태양전지는 태양광을 에너지원으로 하기 때문에 청정하고 무한적이며 별도의 기계가동 부분이 없어 소음과 진동이 적고 친환경적이다. 또한 조용하고 안전하며 수명 또한 20년 이상으로 오래 사용할 수 있다. 반면 전력생산이 지역별 일사량에 의존되고 에너지 밀도가 낮으며 초기투자비와 발전단가가 높다는 단점이 있다.

태양전지는 일반적으로 소재, 이용분야 및 구조에 따라 분류할 수 있다. 태양전지를 구성하는 물질에 따라 분류하면 먼저 실리콘, 화합물 반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기 태양전지와 연료감응형 태양전지와 유기분자 등 유기물질을 포함하고 있는 유기 태양전지로 나눌 수 있다. 다시 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계와 비결정계로 분류된다. 또한 최근에는 변환효율을 높인 염료감응형 태양전지나 GaAS/Ge 이중접합 태양전지와 같은 유/무기 혼합 또는 순수유기 태양전지로 세분화 할 수 있다. 셀 구조에 따라 분류하면 반도체 PN 접합형과 반도체/액체 광전기화학형 태양전지(PEC)로 나뉜다.

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

염료 감응형 태양전지는 TiO2를 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료고분자, 전해질, 투명전극 등으로 구성되어 있는, 식물의 광합성원리를 응용한 전지이다.

DSSC는 염료가 흡착된 셀의 표면에 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-정공 쌍을 생성하고, 전자는 반도체 산화물의 전극으로 이동하며, 이동된 전자는 나노입자 간의 계면을 통하여 투명 전도성 박막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 이때 염료분자에 생성된 정공은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 동작과정이 완성된다.

DSSC의 기본구조는 투명유리 위에 코팅된 투명 전극, 나노입자로 구성된 다공질의 이산화티타늄(TiO2) 입자, 단분자층으로 코팅된 염료고분자, 그리고 두 전극 사이에 있는 50~100㎛ 두께의 공간을 채우고 있는 산환-환원용 전해질 용액이 들어있는 샌드위치 구조를 지니고 있다. 산화물로는 일반적으로 TiO2가 사용되며, ZnO나 Nb2O5와 같이 넓은 밴드 갭(wide band gap)을 갖는 물질도 사용될 수 있다.

 

c. 태양전지 기본 용어 조사

① Voc (open-circuit voltage)

Voc는 개방전압으로 특정한 온도와 일정 강도에서 부하를 연결하지 않은, 즉 개방상태에서 태양광발전 장치 양단에 걸리는 전압으로 단위는 V(볼트)를 사용한다. 개방 전압은 셀 전반의 최대 전압 차이며 셀을 통해 전달되는 전류가 없을 때 발생한다.

② Isc (short-circuit current)

Isc는 단락 전류로 특정한 온도 및 일조 강도에서 단락 조건에 있는 태양전지나 모듈 등 태양광발전 장치의 출력 전류를 뜻하고 단위는 A(암페어)를 사용한다.

③ FF (Fill factor)

FF는 최대 전력점에서의 전류밀도와 전압 값의 곱, 즉 아래의 그래프에서 파란색 사각형의 넓이를 Voc와 Isc(단위면적당 단락전류)의 곱, 즉 초록색 사각형의 넓이로 나눈 값이다. 따라서 FF는 빛이 가해진 상태에서 오른쪽 그래프의 I-V곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표로 FF 값이 클수록 좋은 태양전지이다.

④ 효율 계산방법

태양전지의 효율은 변환효율 η로 나타내며 이는 태양전지의 최대 출력(Pmax)을 태양전지의 면적(A)과 규정된 시험조건에서 측정한 조사강도(E)의 곱으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 것으로 단위는 %를 사용한다. 즉

과 같은 식으로 표현할 수 있다.

⑤ 1 Sun

태양광의 효율을 측정할 때 기준이 되는 광원의 양으로 정의되며 1 Sun으로 표시한다. 1 Sun = 1000W/m2이다.

⑥ AM (air mass)

AM은 대기 질량을 뜻하며 임의의 해수면상 관측점으로 햇빛이 지나가는 경로의 길이를 관측점 바로 위에 태양이 있을 때 햇빛이 지나오는 거리의 배수로 나타낸 것이다. 단위는 AM으로 표시한다. 태양 고도 90°의 대기 질량을 1로 하고, 근사적으로 태양 고도의 sin값의 역수로 나타낸다.

 

d. TiO2의 Phase 및 물질 특성

이산화티탄(TiO2)은 상온이나 상압의 보통 조건에서 산, 알칼리, 유기용매에 녹지 않으며 불화수소(HF), 염소(Cl) 황화수소(HS) 등 반응성이 강한 기체와도 반응하지 않는다. 높은 굴절률과 정확한 입도, 분산성을 가지고 있기에 은폐력, 착색력이 우수하고 화학적이나 물리적으로 매우 안정된 물질로서 백색 안료용으로 많이 사용될 뿐만 아니라 전자적 특성을 이용하여 전자재료, 브라운관, 용접봉의 피복 등 그 쓰임새가 광범위 하다.

TiO2는 Srilankite, anatase, rutile, brookite, 그리고 amorphous 등의 상이 있다. 보통 anatase, rutile이 산업적으로 많이 사용된다. rutile은 일반적으로 백색안료의 용도로 많이 사용하는 상이다. rutile은 자연계에서도 일반적으로 존재하는 상이고 화학적으로나 물리적으로 상당히 안정한 상이다. 색은 흰색으로 흰색 페인트나 치약 등에 사용을 하고 있다. anatase은 일반적으로 광촉매에 사용하는 TiO2의 상이다. 또한 380나노미터 이하의 파장을 흡수하여 자외선 차단 효과를 나타낼 수 있다.

DSSC의 경우에는 TiO2 나노입자나 튜브를 사용하여 반도체 박막으로 이용한다. 이때에, TiO2 입자의 크기 및 구조에 따라 최종적으로 생산되는 전지의 효율이 매우 큰 영향을 받는다. 일반적으로 Anatase 상과 Rutile 상이 7:3의 비율로 존재하며, Anatase상만이 존재할 경우에는 전지의 효율이 떨어진다고 알려져 있다.

 

e. 태양전지의 최근 동향과 응용 분야

태양전지는 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 현재는 항공, 기상, 통신 분야에까지 사용되고 있고, 연구개발의 진전과 함께 가로등, 배터리충전기 등은 물론 주택이나 건물의 지붕과 벽체에 기존의 건축자재를 대신하여 사용되는 등 우리 주변에까지 널리 파급되고 있다. 또한 태양전지로 구동되는 자동차, 비행기 등도 주목을 받고 있다. 그 중 가장 많이 사용되는 곳은 우주 기술 분야이다. 인공위성의 경우, 인공위성은 거의 태양전지에 의해 작동된다. 그러다보니 인공위성의 수명은 곧 태양전지의 수명과도 직결된다.

태양전지는 현재 에너지 변환 효율과 가격이라는 두 가지 측면에서 기술 개발이 이루어지고 있다. 항공, 우주와 같은 특수 목적에 사용되는 태양전지는 가격 측면보다 에너지 변환 효율을 높이기 위한 방향으로 추진되고 있으며, 화석연료를 대체하는 대체에너지 개념의 태양전지는 제조단가를 낮추는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다. 고효율의 태양전지는 주로 갈륨비소 계와 단결정 실리콘 계 물질이 사용되는데, 이 물질로 이루어진 태양전지는 매우 고가이다. 따라서 범용적인 용도로는 거의 불가능하므로 특수목적 등에 이용된다. 보다 범용적인 목적으로 사용하기 위해서는 저가의 태양전지 개발이 필요하다. 실리콘 물질을 사용할 경우 고가의 단결정 대신 저가의 단결정 및 아몰퍼스 실리콘 태양전지 등의 연구 개발이 진행되고 있다.