Effect of Carbon Dioxide in Fuel on the Performance of PEMFC

Even though fuel cell have high efficiency when pure hydrogen from gas tank is used as a fuel source, it is more beneficial to generate hydrogen from city gas (mainly methane) in residential application such as domestic or office environments. Thus hydrogen is generated by reforming process using hydrocarbon. Unfortunately, the reforming process for hydrogen production is accompanied with unavoidable impurities. Impurities such as CO, $CO_2$, $H_2S$, $NH_3$, $CH_4$, and $CH_4$ in hydrogen could cause negative effects on fuel cell performance. Those effects are kinetic losses due to poisoning of the electrode catalysts, ohmic losses due to proton conductivity reduction including membrane and catalyst ionomer layers, and mass transport losses due to degrading catalyst layer structure and hydrophobic property. Hydrogen produced from reformer eventually contains around 73% of $H_2$, 20% or less of $CO_2$, 5.8% of less of $N_2$, or 2% less of $CH_4$, and 10ppm or less of CO. This study is aimed at investigating the effect of carbon dioxide on fuel cell performance. The performance of PEM fuel cell was investigated using current vs. potential experiment, long run(10 hr) test, and electrochemical impedance measurement when the concentrations of carbon dioxide were 10%, 20% and 30%. Also, the concentration of impurity supplied to the fuel cell was verified by gas chromatography(GC).

연료중의 이산화탄소 불순물에 의한 고분자전해질연료전지의 성능변화 연구

연료전지는 수소를 직접 사용하는 것이 가장 효율이 높지만 가정이나 사무실에서는 수소 저장탱크를 사용하기보다는 도시가스(메탄가스)를 연료 source로 하여 수소를 생산하는 것이 유리하다. 연료전지에 사용하는 수소는 천연가스나 바이오가스, 탄화수소계열의 연료를 개질하여 생산하며 개질반응과정에서 필연적으로 여러 성분의 불순물이 포함되어 있다. CO, $CO_2$, $H_2S$, $NH_3$, $CH_4$등의 불순물이 포함된 수소연료가 PEM fuel cell에 공급되면 연료전지 성능에 영향을 준다고 보고되어 있다. 이러한 영향에는 전극 촉매의 피독에 의한 kinetic losses, 전해질막과 촉매이온층의 양이온 전도성 감소에 의한 ohmic losses 그리고 촉매층의 구조나 소수성 감소에 의한 mass transport losses가 있다. 개질기에서 생산된 수소연료는 약 73%의 $H_2$와 20% 이하의 $CO_2$, 5.8% 이하의 $N_2$, 2% 이하의 $CH_4$, 10ppm 이하의 CO로 최종 공급된다. 본 연구에서는 연료 중에 $CO_2$가 고분자전해질 연료전지 anode측 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 실험은 연료전지에 공급되는 연료중에 $CO_2$농도를 10%, 20%, 30%로 전류와 전압의 성능곡선과 장시간(10시간)실험 그리고 임피던스를 측정하였다. 또한 가스크로마토그래피를 이용하여 순수한 수소와 $CO_2$가 함유된 수소의 혼합을 통해 나온 연료전지 inlet에서의 불순물의 농도를 검증하였다.