The direct NaBH4/H2O2 fuel cell (DBPFC) is an advanced type of polymer electrolyte fuel cell that uti-lizes a NaBH4 solution as fuel and H2O2 solution as oxidizer. Both NaBH4 and H2O2 are liquids so that DBPFC power system can be made more compact than conventional PEM power system. As both the fuel and oxidizer are carried with the stack, DBPFC is an air independent power source and ideal for underwater and space environment. The theoretical energy density of DBPFC is approximately ten times that of Li-ion battery. The performance of the state-of-the-art DBPFC, however, remains way below the theoretical predic-tion; low power density and quick degradation of performance. Low power density is due to degradation of electrodes and low ionic selectivity of membrane that are largely due to poor understanding of electrochemi-cal process that governs DBPFC ion exchange. Present thesis describes investigations to improve both the power density and endurance of DBPFC.
Power density of DBPFC was improved by increasing hydrophilic nature of the electrodes. The elec-trodes used by most DBPFC is identical to PEM fuel cell. In the PEM fuel cell, hydrophobic electrodes are preferred to prevent flooding. In a DBPFC, however, this prevents adequate contact of the liquid reactant and electrodes, decreasing the overall output. The hydrophobic nature of the electrodes derives from C-F component on the Nafion membrane, which can be eliminated by heat treatment of the electrode as C-F is volatile substance. The optimum temperature of heat treatment was found by parametric study and the power density improved significantly. The fabrication procedure and characterization of the electrodes by EDS and XED are described.
Both hydrogen peroxide and NaBH4 used in DBPFC contain small amount of stabilizers to prevent spontaneous decomposition. In the electrochemical process that governs the DBPFC process, both of the stabilizers participate in the reaction. The endurance of DBPFC increased significantly by increasing the amount of the stabilizers in both of the reactants. The required amount of stabilizers was evaluated by the stoichiometric calculation of the reactions in anode and cathode. In order to simulate the actual operating condition of DBPFC, the fuel and oxidizer including large amount of stabilizers were recirculated over 30 hours at a load of 80% of the maximum. The result demonstrated the inclusion of stabilizers in fuel and oxi-dizer improved the endurance of DBPFC system.
Two major obstacles of DBPFC were investigated in the present thesis and significant improvements were made in power density and endurance of DBPFC. Further investigations are still needed to shore up the general performance of DBPFC to its theoretical performance limit.
NaBH4/H2O2 직접 연료전지 (DBPFC)는 발전된 형태의 고분자 전해질막 (PEM) 연료전지로서, NaBH4 수용액과 H2O2 수용액을 각각 연료와 산화제로 쓰는 연료전지다. DBPFC는 연료와 산화제가 모두 액체이므로 PEM 연료전지보다 시스템을 더 집적적으로 만들 수 있다. DBPFC의 연료와 산화제는 DBPFC 시스템 내부에 탑재되므로 산소가 없는 우주나 해양 환경에 적합한 동력원이다. DBPFC의 이론 에너지 밀도는 리튬 이온 배터리보다 약 10배 높다. 하지만 기존에 보고된 DBPFC의 최고 성능은 이론 성능보다 월등하게 낮다. 이는 DBPFC의 낮은 동력 밀도와 짧은 장기 운전 성능에서 나타난다. 낮은 동력 밀도와 장기 운전 성능은 전극 성능의 하락과 전해질의 낮은 이온 선택성 때문이며, 이는 근본적으로 DBPFC 전기화학 반응에 대한 이해 부족 때문이다. 본 학위 논문에서는 DBPFC의 낮은 동력 밀도와 장기 운전 성능을 향상시키는 방법에 관한 연구를 수행하였다.
DBPFC의 동력 밀도는 전극의 친수도를 증대시켜 향상시켰다. DBPFC의 전극은 PEM 연료전지의 전극과 동일하다. PEM 연료전지 전극은 홍수 현상을 방지하기 위해 소수성 성질을 지닌다. 그러나 이러한 소수성이 DBPFC에서는 액상 반응물과 전극 간의 접촉을 방지하여 연료전지 성능을 떨어뜨린다. 전극의 소수성 성질은 휘발성 성질을 지니는 나피온 이오노머의 C-F기에서 유래된 것으로, 열처리를 통해 기화시킬 수 있다. 파라미터 연구를 통해 최적의 열처리 온도를 찾았으며, 출력 성능을 월등하게 향상시켰다. 전극의 제작 절차와 EDS 및 XRD 분석 결과를 설명하였다.
과산화수소와 NaBH4 수용액에는 분해 반응을 억제하기 위해 소량의 안정제가 첨가된다. DBPFC의 전기화학 반응에서는 안정제도 모두 전기화학 반응에 참여한다. DBPFC의 안정제 농도를 증가시켰을 때 장기 운전 성능은 월등하게 향상되었다. 필요한 안정제의 양은 음극과 양극 반응의 이론 반응을 고려하여 선정되었다. DBPFC의 실제 운전 조건을 모사하기 위해 많은 양의 안정제가 첨가된 연료와 산화제를 30 시간동안 폐회로로 순환시켰으며 최대 동력 밀도의 80%에 해당하는 부하에서 연료전지의 장기 운전 성능을 보았다. 안정제의 농도가 DBPFC의 장기 운전 성능에 지배적인 역할을 함을 밝혔다.
본 학위 논문에서는 DBPFC의 핵심 발전 과제 두 가지에 관한 연구를 수행하였으며 동력 밀도와 장기 운전 성능을 월등하게 향상시켰다. DBPFC의 이론 반응에 가까운 성능을 얻기 위해서는 그러나 추가적인 연구가 필요하다.
