A fuelcell is an energy conversion device which transforms chemical energies of hydrogen and oxygen to electric energy by electrochemical reaction of them and water is generated. When this water bocks electrode and GDL(gas diffusion layer), reaction of fuelcell is not worked rightly. Therefore it is necessary to removal of the water. Fuelcell used in this research is small size, 2kW PEMFC. So the stack is designed as anode dead end type for high fuel efficiency. But in this case, the water generated by reaction of hydrogen and oxygen is accumulated in anode channel and then voltage of fuelcell is gradually declined. This phenomenon is called flooding. So that the water has to be removed by carrying out purge process. When the purge operation is ON, a part of hydrogen which is entered in anode inlet goes out without electrochemical reaction. In other words, to perform the purge operation increases fuelcell’s performance but decreases hydrogen’s efficiency. Therefore, it is needed to control purge period and duration for efficient use of fuel and good performance of fuelcell. This paper consists of experiment in finding out the best purge condition using 2kW PEMFC and numerical analysis for applying to detailed periods and other current conditions.
본 연구에서는 Anode dead-ended 타입의 PEMFC 스택이 갖는 문제점인 수소극 플러딩에 의한 성능하락을 방지하기 위해 수소극 퍼지를 실시하였다. 실험을 위해 2kW PEMFC를 이용하였으며 전류를 인가하기 위한 로드와 퍼지시그널 입력을 위해 Labview프로그램을 이용하였다. 퍼지의 주기와 지속시간을 변수로 단시간, 장시간으로 나누어 실시한 실험결과는 다음과 같다.
1) anode dead-end 타입의 연료전지는 퍼지가 실시되지 않은 상태에서는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 물이 수소극에 쌓이게 되면서 반응할 수소의 농도가 점차 줄어들게 되며 또한 전극의 반응면적이 줄어듦으로 연료전지의 성능이 떨어지게 된다.
2) 두 변수를 변화시켜가며 200초~600초 사이로 단시간 실험한 결과, 10초의 주기와 1초의 지속시간으로 퍼지를 시행한 경우가 약 90% 의 효율을 가지며 성능하락을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 같은 지속시간에 주기를 3초 증가시킨 경우에도 꾸준한 성능하락이 보이며, 지속시간을 1초 이하로 하였을 경우는 주기를 더 짧게 하더라도 심한 Fluctuation이 생기는 것으로 나타난다.
3) 퍼지의 주기와 지속시간을 고정하고 1800s 이상 실험한 장기적 성능 실험의 결과에서 역시 최대 전압과 최소전압의 차이, 전압하락률, fluctuation의 크기의 비교요소 3가지를 모두 고려하였을 때, 10초의 주기와 1초의 지속시간으로 퍼지를 하는 것이 가장 좋은 효과를 보이는 것으로 나타났다.
4) 장기적 성능 실험를 통해 주기가 짧을수록 지속시간의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다.
5) 전류를 40A로 고정하고 수치해석 실시한 주기 6초, 8초, 10초, 12초, 14초의 경우, 12초 이상인 퍼지주기는 연료전지의 성능이 꾸준히 하락함이 보인다. 또한 fluctuation 역시 큰 값을 기록한다. 따라서 성능하락을 막는 데에는 10초 이하의 주기가 효과적이며 그 중에 주기 10초의 퍼지가 가장 효율적이다.
6) 수치해석의 통해 전류를 변화시켰을 경우에도 연료전지의 운전에 따른 전압하락이나 fluctuation의 경향성이 같음을 보인다. 따라서 전류에 대한 일반적인 퍼지주기는 10초가 가장 적합하다.
