연료전지 개론_Chapter 6. 연료전지 성능과 모델링
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." 연료전지를 모델링할 때 설계 목표는 연료전지의 성능과 효율에 관한 것이다. 연료전지의 성능(전압)은 가역적인 열역학적 전압에서 반응 속도 손실, 이온 전달 손실, 물질 전달 손실과 같은 전압 손실을 뺀 값으로 나타난다. 열역학적 가역 전압, \(E_{thermo}\) 가역적인 열역학적 전압 \(E_{thermo}\) 은 Nernst Equation으로 나타내어진다. 이때, 농도에 의한 전압은 \(\eta_{conc}\)에서 다루므로, 온도에 의한 전압만 고려한다. $$E=E^{0}+\frac{\triangle \hat{s}}{nF}(T-T_{0})$$ 반응 속도 손실, \(\eta_{act}\..
연료전지 개론_Chapter 5. 물질 전달에 의한 손실
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." Mass Transfer in Fuel Cell 연료전지 내부에서는 전기를 꾸준히 생산하기 위해 연료와 산화물을 공급하고 생성물을 배출한다. 그리고 이러한 물질 전달 과정에서 손실이 발생한다. 물질 전달은 전극에서의 물질 전달인 (1) 확산(Diffusion)과 유료에서의 물질 전달인 (2) 대류(Convection)로 2가지 경우로 나눌 수 있다. Concentration Profile of Convection and Diffusion 연료전지의 전극과 전해질 사이에는 다공성의 기체 확산층이 존재하여 이온들이 쉽게 전달될 수 있도록 한다. 유로를 통해 반응물이 주입되고 전류에 의해 \(H_{..
연료전지 개론_Chapter 4. 이온전달에의한 손실_(2) 이온전도도
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." Electronic Conduction \(\eta_{ohmic}=iR=i(\frac{L}{A\sigma})\) 에서 알 수 있듯이 ohmic loss 이온 전도도 \(\sigma\) 에 의해 결정된다. 이온 전도도 \(\sigma\) 는 다음과 같이 나타내어진다. $$\sigma_{i}=(|z_{i}| F)c_{i}u_{i})$$ 여기서 \(z_{i}\) = 전하량, \(F\) = 패러데이 상수, \(c\) = 몰 농도, \(u\) = 이동도를 뜻한다. 이때, 이동도 \(u\)는 전해질의 종류(Metal, Solid, Liquid, Polymer에 따라 다르다.) (1) Mobility of..
연료전지 개론_Chapter 4. 이온전달에의한 손실_(1) Ohmic loss, ASR
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." Ohmic loss란 수소와 산소 같은 이온들이 전해질을 통해 전달될 때 발생하는 손실을 말한다. 이때, 이온들이 갖고 있는 전하가 전기장에 의해 이동할때의 저항에 의해 발생한다. Charge Transfer and Resistance Flux란 어떠한 물리량의 단위면적, 단위시간 당의 변화를 말하며 다음과 같이 나타내어 진다. $$J_{i}=\sum_k,^\,M_{i,k}F_{k}$$ 이때, \(M\) 는 결합계수, \(F\) 는 구동력(Driving Force)를 뜻한다. 전해질에서 전하 이동을 일으키는 Driving Force는 (1) 전기 포텐셜 구배, (2) 화학 포텐셜 구배, (3)..
연료전지 개론_Chapter 3. 연료전지 반응속도론
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." 연료전지에서의 모든 전기화학반응은 전극과 화학 종 사이에서의 전하(전자) 이동을 수반한다. 때문에, 생성되는 전류는 전기화학반응의 반응속도에 의존하게 된다. 전류와 반응속도 생성되는 전류는 전하의 이동속도이므로 다음과 같다. $$i=\frac{dQ}{dt}=nF \frac{dN}{dt}=nFv$$ 때문에, 빠른 반응속도( \(v\) )는 더 많은 반응을 일어나게 하고, 이는 더 많은 전류를 생성하게 한다. Rate Determining Step. RDS 전류를 생성하는 전기화학반응은 다음과 같은 순서로 이루어진다. 1. 전극으로 수소 기체의 물질 이동 $$H_{2(bulk)}\rightarro..
연료전지 개론_Chapter 2. 연료전지 열역학
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." 열역학은 한 형태에서 또 다른 형태로의 에너지 변환을 논하는 학문으로, 이로부터 연료전지에서의 반응에서 끌어낼 수 있는 최대 전압의 한계치를 알 수 있다. 열역학적 포텐셜 열역학 포텐셜(thermodynamic potential)이란 계의 열역학적 상태를 나타내는 함수로, 검사 체적을 밀폐 시스템으로 생각했을 때 각 과정에서의 에너지 개념이다. (1) 내부에너지 U 내부 에너지는 온도나 부피의 변화가 없는 경우 시스템을 구성하는 데 필요한 에너지로, 열역학 제1법칙과 제2법칙에 의해 다음과 같이 나타난다. $$d(Energy)_{sys}=-d(Energy)_{surroundings}$$ $$d..
연료전지 개론_Chapter 1. 연료전지 서론
"이 글은 수식을 표현하기 위해 LaTeX 문법을 사용했기 때문에, 모바일 환경에서는 글이 깨질 수 있습니다." 연료전지란? 연료전지(Fuel Cell): 연료( \(H^{2}\) )가 가진 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하는 장치. 연료전지는 외부에서 연료가 공급되는 한 전기를 계속해서 생산하는 하나의 '화학적 공장'과 같다. 연료전지의 원리 $$H_{2}\rightleftharpoons 2H^{+}+2e^{-}$$ $$\frac{1}{2}O^{2}+2H^{+}+2e^{-}\rightleftharpoons H_{2}O$$ 연료전지는 연료극(Anode)과 산소극(Cathode), 그리고 그 사이에 전해질(Electrolyte)로 이루어져 있다. 연료극으로 공급된 수소가 이온 형태로 분리되며 전..