[논문 리뷰] The Autohumidification Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Jay B. Benziger, J. Moxley외 4명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 16.

Fuel Cells and Related Materials참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 외부 습화 없이 내재된 수분 생성 및 이동을 통해 수분 농도를 자가 조절하는 새로운 자가습습화 고분자 전해질 막(PEM) 연료전지 시스템을 제시한다. 이 시스템은 수분 활성도와 수소 이온 전도도 사이의 자가촉매 피드백에 의해 임계 수분 활성도(~0.1)에서 다수의 안정 상태와 ignitions(ignition)을 나타내며, 막 팽창 및 기계화학적 결합과 관련된 느린 동역학(10³–10⁴ s)을 보인다.

ABSTRACT

A PEM fuel cell was specially constructed to determine kinetics under conditions of well-defined gas phase composition and cell temperature. Steady state multiplicity was discovered in the autohumidification PEM fuel cell, resulting from a balance between water production and water removal. Ignition was observed in the PEM fuel cell for a critical water activity of about 0.1. Ignition is a consequence of the exponential increase of proton conductivity with water activity, which creates an autocatalytic feedback between the water production and the proton conduction. The steady state current in the ignited state decreases with increasing temperature between 50 to 105 deg C. At temperatures greater than 70 deg C five steady states were observed in the PEM fuel cell. The steady state performance has been followed with variable load resistance and hysteresis loops have been mapped. The dynamics of transitions between steady states are slow about 10^3 to 10^4 s. These slow dynamics are suggested to result from a coupling of mechanical and chemical properties of the membrane electrode assembly due to swelling of the membrane with water absorption.

연구 동기 및 목표

• 고정된 기체 조성과 온도 조건에서 PEM 연료전지의 내재적 수분 관리 동역학을 조사하기 위해.
• 자기습습화 시스템에서 다수의 안정 상태와 발화 현상의 기원을 이해하기 위해.
• 막 전극 어셈블리(MEA)에서 화학 반응 속도, 막 수분 함량, 기계적 거동 간의 결합을 특성화하기 위해.
• 변동하는 하중 조건에서 다수의 안정 상태 간의 히스테리시스 루프와 전이 동역학을 매핑하기 위해.
• 다양한 온도 범위(50–105 °C)에서 수분 활성도가 수소 이온 전도도와 시스템 안정성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 수분 관리 효과를 분리하기 위해 제어된 기상 조성과 온도를 갖춘 특수 설계된 PEM 연료전지를 구축하였다.
• 다양한 부하 저항 조건에서 정상 상태의 전류-전압 특성을 측정하여 다수의 안정 상태와 히스테리시스를 매핑하였다.
• 안정 상태 간의 동적 전이를 모니터링하여 시간 스케일(10³–10⁴ s)을 평가하였으며, 이는 막 팽창 동역학에 기인한 것으로 규명되었다.
• 수분 활성도와 수소 이온 전도도 간의 관계를 정량화하여 자가촉매 행동을 유도하는 지수적 의존성을 확인하였다.
• 수분 활성도를 핵심 제어 변수로 사용하여 전도도가 급격히 증가하는 임계점(~0.1)인 발화 임계값을 규명하였다.
• 다양한 온도 범위(50–105 °C)에서 실험하여 안정 상태의 다수성과 성능에 대한 온도 의존성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기습습화 PEM 연료전지에서 다수의 안정 상태가 나타나는 원인은 무엇인가요?
• RQ2 어느 수분 활성도에서 발화가 발생하며, 이 전이를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 안정 상태 간 전이의 동역학은 막 수분 함량과 기계적 성질과 어떻게 관련이 있나요?
• RQ4 온도는 자기습습화 시스템에서 안정 상태의 수와 안정성에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ5 수분 활성도에 대한 수소 이온 전도도의 지수적 의존성이 자가촉매 행동을 가능하게 하는 역할은 무엇인가요?

주요 결과

• 70 °C 이상의 온도에서 수분 생성과 제거의 균형으로 인해 최대 5개의 안정 상태가 관찰되었으며, 자기습습화 PEM 연료전지에서 다수의 안정 상태가 발생하였다.
• 임계 수분 활성도 약 0.1에서 발화가 발생하였으며, 이는 수분 활성도 증가에 따라 수소 이온 전도도가 급격히 증가함에 따라 유도된 것이다.
• 50 °C에서 105 °C 사이에서 온도가 증가함에 따라 발화 상태의 안정 상태 전류가 감소하여 반응 동역학 향상와 수분 손실 간의 상충 관계를 나타내었다.
• 안정 상태 간의 동적 전이가 느리게 발생하여 10³에서 10⁴초의 시간 스케일을 보였으며, 이는 화학 반응과 막의 기계적 변형 간의 결합을 시사하였다.
• 변동하는 부하 저항 조건에서 히스테리시스 루프를 매핑하여 다수의 안정 상태 존재와 경로 의존성 행동을 확인하였다.
• 느린 동역학은 수분 흡수에 따른 시간에 따라 변화하는 막 팽창에 기인하며, 막 전극 어셈블리의 화학적 및 기계적 성질 간의 연관성을 연결하였다.