휴대용 군용 연료전지 적용을 위한 Mg-Graphite 펠렛으로부터의 가수분해를 통한 On-board 수소 생산에 관한 연구

Abstract

미래 전투현장에서 개인 휴대장비의 고성능화는 고효율의 휴대용 전원체계 개발 필요성으로 이어진다. 연료전지는 무게 대비 고효율의 에너지를 가지고 있으며 환경 친화적이고 소음이 없어 미래 군용 전원 체계로 적합하다고 판단된다. 특히 수소를 원료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 휴대용 전원체계 적용에 적합하다고 알려져 있다. 수소를 원하는 장소에서 즉시 생산하는 탑재형 수소발생 시스템은 연료전지 가동을 위한 수소의 수송, 저장, 활용을 위한 모든 고비용의 과정을 제거한다는 점에서 장점이 있다. 활성 금속의 가수분해를 통한 탑재형 수소발생 방법은 경제적이고 편리하며 안전성의 이유로 매우 매력적이다. 활성금속 중 Mg은 가격이 저렴하고 지구상에 풍부하게 존재하며 전기화학적으로 반응성이 좋아 수소 생산원으로서 장점이 있다. Graphite는 해수 환경에서의 갈바닉 시리즈에서 Mg와 큰 포텐셜 차이를 보이므로 이들이 커플링 되었을 때 갈바닉 부식효과를 기대할 수 있다. 이러한 이유로, Mg-Graphite pellet은 기계적 압축 방법에 의해 연료전지를 위한 수소 에너지원으로서 제작되었다. 실험 결과, Mg(1 g) + 0.10 g Graphite pellet은 순수한 Mg에 비해 27.3배의 우수한 수소 생산 속도 증가를 보여주었다. 0.20 g의 Graphite가 포함된 펠렛의 수소 생산 속도가 0.10 g의 Graphite가 포함된 펠렛의 수소 생산 속도와 크게 차이가 없으므로 0.10 g의 Graphite 첨가가 최대의 수소 생산을 위해서 더 이상적인 조성임을 확인할 수 있었다. 이러한 수소 생산 증가는 상온의 10 wt.% NaCl 용액에서 Mg anode와 Graphite cathode의 갈바닉 부식의 영향에 기인한다. Mg와 Graphite 사이의 갈바닉 부식 전류는 2.60 × 10-3 A/$cm^2$ 으로 측정되었으며 이것은 마그네슘의 부식전류(4.39 × $10^{-4}$ A/$cm^2$)보다 5.9배 더 빠르다. Graphite와 갈바닉 커플링에 의한 Mg의 부식속도 증가가 결과적으로 수소 생산 속도 증가로 나타났다. 아울러 수소 생산속도에 영향을 미치는 최적화된 환경요인을 제시하기 위해 펠렛 제작간 인가 압력과 용액의 농도, 용액의 온도 조건을 다양화하였다. 결과적으로 150 kg/$cm^2$의 인가 압력, 15 wt.%의 용액 농도, $50^\circ C$의 용액 온도가 수소 생산 속도를 가장 많이 향상시키는 것으로 확인할 수 있었다.