Effects of ethanol in methanol fuel on the performance of direct methanol fuel cell

국문 초록 (Abstract)

직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell)는 전기화학적 반응을 이용해 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 전기 화학식 발전 장치인 연료전지의 한 종류로써 간편한 장치 구성, 운송 및 연료 저장의 편리성으로 휴대용이나 소형 이동용 전원 등의 용도로 사용 가능한 전도유망한 친환경적 전원 장치이다. DMFC에 공급되는 메탄올 연료의 불순물은 DMFC의 중요한 요소인 고분자 전해질 막과 전극 (연료극 및 공기극)의 접합체 (Membrane Electrode Assembly (MEA)) 성능에 많은 영향을 미친다.
본 연구에서는 메탄올 연료에 함유된 불순물이 MEA 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 시약급의 메탄올과 공업용 메탄올 연료를 DMFC용 MEA에 공급하였다. 각각의 메탄올을 연료로 사용한 MEA의 성능을 비교하기 위해 정전류 테스트, anode polarization 테스트 및 임피던스 분광법을 사용하였다. 메탄올 연료의 불순물을 정성, 정량 하기 위해 IMPCA, ASTM 규정에 따른 분석과 핵 자기 공명 장치를 이용한 분석을 실시하였다.
메탄올 연료에 포함된 에탄올 농도가 MEA의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 기준 메탄올에 2, 5, 10, 30, 50, 100, 200 ppm의 에탄올을 첨가한 메탄올 연료를 사용하여 단위 전지 성능 평가를 진행하였다. 또한 에탄올을 제외한 핵 자기 공명 장치로 분석된 불순물들을 기준 메탄올에 첨가하여 성능 비교 평가를 하였다.
정전류 테스트로 진행한 성능 비교에서 네가지 공업용 메탄올 중에서 두가지의 공업용 메탄올 연료를 MEA에 각각 공급하였을 때 성능 저하가 크게 일어났다. 메탄올 연료의 불순물 분석 결과에서 에탄올이 MEA 성능에 영향을 미치는 주요 불순물인 것을 확인하였다.
메탄올에 포함된 에탄올 함량이 10ppm 이상인 경우 MEA의 성능저하가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 불순물이 포함된 연료로 성능평가를 실시한 후 기준 메탄올을 다시 공급하였을 때 에탄올, 아세톤, 아세트알데히드, 펜테인, 헥세인이 포함된 메탄올로 운전한 경우 MEA의 성능 회복이 일어났고, 2-부탄올, 2-프로판올이 포함된 메탄올을 공급한 MEA는 성능이 회복되지 않았다. 이를 통해 DMFC의 MEA 성능을 유지하기 위해서는 메탄올 연료의 주요 불순물인 에탄올 농도가 일정 수준 이하로 제한되어야 하고, 성능 저하에 큰 영향을 미치는 2-부탄올이나 2-프로판올 같은 불순물들은 최대한 적어야 함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 메탄올에 함유된 주요 불순물인 에탄올의 농도가 10ppm 미만으로 제한되어야 함을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Direct methanol fuel cells (DMFCs) are a promising eco-friendly power source that has: easy configuration of apparatus, easy transportation, and storage of fuel. Methanol is used as a fuel in DMFCs by converting chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. However, the impurities such as ethanol, acetone, ethyl acetate, and acetic acid of the methanol fuel greatly affect the performance of the membrane electrode assemblies (MEAs) of the DMFCs.
In this study, a experiment was conducted to confirm the effect on the MEA performance of impurities in the methanol fuel using reagent grade methanol and industrial methanol fuels. A constant current test, anode polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement were used to compare the performance of MEAs supplied with each kinds of methanol fuels. The specification of IMPCA, ASTM, and proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) method was applied to identify and quantify the impurities in methanol fuels. The effect of ethanol concentration in methanol fuels on the performance of MEAs was investigated by evaluating the constant current, anode polarization, and EIS measurement. These measurements were carried out by adding: 2, 5, 10, 30, 50, 100, and 200 ppm of ethanol to the reference methanol, respectively.
As a result, the MEA with reagent grade methanol and two kinds of industrial methanol showed significant performance degradation. Methanol fuels analysis has proved that ethanol mainly affects the performance of MEA among methanol fuel impurities. Thus, this study suggests that the ethanol impurity concentration of methanol fuels should be limited to increase the performance of MEAs.