비록 연료전지가 항공우주시스템의 동력원으로 널리 사용되고 있지만, 기존의 양자 교환막 연료전지는 문제점(기체 수소의 낮은 에너지 밀도, 액체 수소의 짧은 저장기간)을 지녀 항공우주시스템의 임무 능력을 제한해왔다. 직접 수소화붕소나트륨/과산화수소 연료전지는 에너지 밀도가 높고 저장기간이 긴 수소화붕소나트륨과 과산화수소 용액을 연료로 사용하기 때문에 양자 교환막 연료전지의 문제를 해결할 수 있다. 본 연구에서는 기초 연구를 통해서 직접 수소화붕소나트륨/과산화수소 연료전지를 개발하였고, 연료전지의 성능을 평가하였다.
첫째, 기초 연구를 통해서 직접 수소화붕소나트륨/과산화수소 연료전지를 위한 전극이 개발되었다. 일부 촉매는 연료(수소화붕소나트륨, 과산화수소 용액)를 분해시켜 기체(수소, 산소)를 발생시킨다. 발생된 기체는 연료전지의 성능을 저하시킨다. 그러므로 수소화붕소나트륨의 직접 산화와 과산화수소의 직접 환원을 위해 적합한 촉매가 선정되어야 한다. 본 연구에서는 로듐, 루테늄, 백금, 금, 은, 팔라듐, 니켈, 구리와 같은 촉매들이 사용되었다. 먼저, 촉매 지지체가 연료전지 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 금속/γ-Al2O3 촉매가 제작되었고, 촉매를 이용하여 수소화붕소나트륨 및 과산화수소 용액과의 반응성을 확인하였다. 또한, 다양한 촉매의 전극을 제작하였고, 단전지 실험을 통해서 직접 산화와 환원에 대한 반응성을 확인하였다. 마지막으로 촉매의 내구성을 향상시키기 위해서 NaH2PO2를 환원제로 활용하였다.
둘째, 작동조건이 연료전지의 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 수소화붕소나트륨의 농도, 과산화수소의 농도, 작동 온도와 같은 조건들이 연료전지 성능에 미치는 영향을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 최적의 조건을 선정하였고, 선정된 조건하에서 적합한 전해질도 선정하였다. 또한, 선정된 작동조건하에서 연료전지의 장시간 성능평가도 수행하였다.
셋째, 실험 결과를 이용하여 연료전지 시스템의 에너지 밀도를 계산 또는 예측하였다. 양자 교환막 연료전지와 경쟁하기 위한 성능 향상의 기준치도 제시하였다.
본 연구에서 개발된 연료전지의 최대 동력밀도는 101.9 mW/cm2이었고, 연료전지 시스템의 에너지 밀도는 114.2 Wh/kg (질량) or 160.7 Wh/L (부피)이었다. 현재는 기초 연구단계이기 때문에, 기존 양자 교환막 연료전지 시스템보다 성능이 낮았다. 연료전지 시스템의 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어진다면, 직접 수소화붕소나트륨/과산화수소 연료전지는 항공우주시스템을 위한 차세대 동력원으로 널리 활용될 수 있을 것이다.
Although fuel cells are used as power sources in aerospace systems such as unmanned aerial vehicles (UAVs) and spacecrafts, the existing proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) limit the mission ability of the aerospace systems because of some problems (low energy density of gaseous hydrogen and limited storage period of liquid hydrogen). Because the direct sodium borohydride/hydrogen peroxide fuel cells (direct NaBH4/H2O2 fuel cells) use liquid fuels like NaBH4 and H2O2 solution with high volumetric energy density and long storability, they can solve the problems of PEMFCs. In this study, the direct NaBH4/H2O2 fuel cell was developed based on basic research and performance of the fuel cell was evaluated.
First, the electrodes for the direct NaBH4/H2O2 fuel cell were developed based on basic research. Some catalysts can decompose fuels (NaBH4 and H2O2 solution) and produce gas (hydrogen and oxygen), which can reduce performance of the fuel cell. Therefore, the electrocatalyts for direct oxidation of NaBH4 and reduction of H2O2 have to be selected to develop the direct NaBH4/H2O2 fuel cells with high performance. The catalysts such as rhodium, ruthenium, platinum, gold, silver, palladium, nickel, and copper were used in this study. The effects of catalyst supports on fuel cell performance were investigated. Then, various metal/γ-Al2O3 catalysts were manufactured and reacted with the NaBH4 and H2O2 solution to evaluate activity of various catalysts on fuel decomposition. Also, electrodes with various catalysts were manufactured by the conventional method, and their ability on direct oxidation and reduction was evaluated through unit cell tests. Finally, NaH2PO2 was used as reducing agent to improve catalyst durability.
Second, effects of operating conditions on performance were also investigated. Operating conditions such as NaBH4 concentration, H2O2 concentration, and operating temperature were determined based on test results. Most suitable membrane was selected at determined operating conditions. Unit cell was also operated for 90 min at determined operating conditions.
Third, energy density of the fuel cell system was estimated and predicted based on test results. Performance target of the fuel cell system to compete with PEMFC system was also suggested.
Maximum power density of the fuel cell developed in this study was 101.9 mW/cm2, and energy density of the fuel cell system was 114.2 Wh/kg (mass) or 160.7 Wh/L (volume). Performance of the fuel cell system was worse than that of PEMFC system. If further study is performed to improve performance of the fuel cell system, the direct NaBH4/H2O2 fuel cell can be used for aerospace systems.
