카본블랙과 탄소나노튜브를 이용한 고분자전해질 연료전지의 전극촉매 제조 및 복합전극 특성에 관한 연구 Synthesis of electrocatalysts using carbon black and cabonnanotubes and effect of hybrid electrode in PEMFC원문보기
고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 연료의 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장비이다. 연료전지 분야의 기술은 지속적인 연구가 이루어지고 있지만, 상업화가 가능 하려면 상당한 기간이 소요 될 것으로 예상된다. 현 상태에서 백금 (...
고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 연료의 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장비이다. 연료전지 분야의 기술은 지속적인 연구가 이루어지고 있지만, 상업화가 가능 하려면 상당한 기간이 소요 될 것으로 예상된다. 현 상태에서 백금 (platinum)을 이용한 연료전지의 미래는 밝다고 볼 수 있다. 하지만 장기적으로 수요곡선이 급격히 증가할 것으로 예상돼 다양하고 효율성과 가격 경쟁력이 우수한 대체 촉매의 개발은 여전히 시급한 문제이다. 이 외에도 일부 제한적으로 낮은 성능과 효율 및 내구성 결여 등의 문제점이 있으며 특히 다양한 종류의 연료전지 촉매의 개발 및 전극 제조에 있어서 각각이 갖는 고유한 특성을 비교 평가하기에는 시간과 비용 부담이 상당하다. 탄소의 부식은 고분자전해질 연료전지의 성능 열화에 가장 중요한 요인의 하나로 간주되고 있다. 내구성의 여러 요인 중 전극은 고 표면적의 탄소 담지체에 백금을 분산하여 사용한다. 전극은 여러 전기화학적 산화환경에 의해 장시간 운전 시 산화되며, 탄소에 지지된 백금 촉매의 활성 면적을 감소시켜 전체적인 연료전지의 성능을 저하시킨다. 이러한 관점에서 기존의 탄소 담지체보다 전기화학적 산화 환경에 강한 재료의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 ethylene glycol을 이용한 polyol method와 colloidal method를 사용하여 Pt/C 전극촉매와 기존의 카본블랙 담지체보다 뛰어난 전기적, 물리적 성질을 가진 탄소나노튜브를 사용하여 Pt/MWCNTs 전극촉매를 합성하여 성능과 내구성을 조사하였다. 첫째, 탄소나노튜브의 Pt 담지는 담지체 표면의 소수성 성질로 인해 어렵다. 따라서 탄소나노튜브를 열적?화학적 산화 방식으로 전처리 함으로서 탄소나노튜브 표면에 카르복실기 (-COOH), 하이드록실기 (-OH), 가르보닐기 (-C=O)와 같은 친수성을 가진 작용기를 도입하였다. 다양한 전처리 온도에서 Pt/MWCNTs 전극촉매를 합성하여 탄소나노튜브의 열처리에 따른 고분자전해질 연료전지용 촉매의 표면처리 및 담지 특성을 개선하였다. 둘째, 기존의 카본블랙 담지체보다 전기화학적 산화 환경에 강한 전극을 제조하기 위하여 복합전극을 형성하였다. Pt/C 전극촉매와 Pt/MWCNTs 전극촉매를 이용하여 복합전극을 형성하여 MEA를 제조하였다. MEA의 성능, EIS와 CV 실험들은 내구성 평가 전과 후에 수행하였다. Pt/C 전극촉매 내에 내구성이 우수하다고 알려진 Pt/MWCNTs 전극촉매의 함량을 증가시켜가며 실험을 진행하였으며 Pt/MWCNTs가 증가 할 수록 상용촉매와 비교하여 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 5 wt%의 Pt/MWCNTs 전극촉매만 함량 되어도 Pt/C 전극촉매보다 개선된 내구성을 보였으며, 60 wt%의 Pt/MWCNTs 전극촉매의 함량 시 초기 성능을 재현할 수 있었다. Pt/MWCNTs 전극촉매는 Pt/C 전극촉매보다 높은 결정성 구조로 인해 Pt/C 촉매보다 우수한 내구성을 보였으며, 두 전극촉매의 복합전극은 Pt/MWCNTs 전극촉매의 비율이 높아짐에 따라 전극의 결정성이 좋아져 부식 저항성을 개선 할 수 있었다. 이러한 경향은 Raman, XRD, TEM 분석들의 결과와 동일하였다. 셋째, Pt/C 상용촉매 기반에 micro graphite(MG)를 전도성 첨가제로 첨가하여 복합전극을 제조하였다. SEM을 통하여 복합전극의 표면을 확인하였으며 4point-prove를 통해 MG가 첨가 될수록 전도성의 향상을 확인 할 수 있었다. 전극 제조 시 많은 전도성 첨가제는 고 전류 영역에서 일부 mass transfer limitation이 유발하였으나, 일정한 양의 전도성 첨가제를 사용한 복합전극에서는 상용촉매와 유사한 거동 및 성능이 개선되는 것을 확인 할 수 있었다. MG는 전지의 성능과 단위질량당 Pt의 활성을 증가 시켰으며, 이는 전극에서 Pt가 저 로딩 되더라도 MG를 첨가하여 전지의 성능을 개선할 수 있음을 보여준다.
고분자전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 연료의 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장비이다. 연료전지 분야의 기술은 지속적인 연구가 이루어지고 있지만, 상업화가 가능 하려면 상당한 기간이 소요 될 것으로 예상된다. 현 상태에서 백금 (platinum)을 이용한 연료전지의 미래는 밝다고 볼 수 있다. 하지만 장기적으로 수요곡선이 급격히 증가할 것으로 예상돼 다양하고 효율성과 가격 경쟁력이 우수한 대체 촉매의 개발은 여전히 시급한 문제이다. 이 외에도 일부 제한적으로 낮은 성능과 효율 및 내구성 결여 등의 문제점이 있으며 특히 다양한 종류의 연료전지 촉매의 개발 및 전극 제조에 있어서 각각이 갖는 고유한 특성을 비교 평가하기에는 시간과 비용 부담이 상당하다. 탄소의 부식은 고분자전해질 연료전지의 성능 열화에 가장 중요한 요인의 하나로 간주되고 있다. 내구성의 여러 요인 중 전극은 고 표면적의 탄소 담지체에 백금을 분산하여 사용한다. 전극은 여러 전기화학적 산화환경에 의해 장시간 운전 시 산화되며, 탄소에 지지된 백금 촉매의 활성 면적을 감소시켜 전체적인 연료전지의 성능을 저하시킨다. 이러한 관점에서 기존의 탄소 담지체보다 전기화학적 산화 환경에 강한 재료의 연구가 필요하다. 본 연구에서는 ethylene glycol을 이용한 polyol method와 colloidal method를 사용하여 Pt/C 전극촉매와 기존의 카본블랙 담지체보다 뛰어난 전기적, 물리적 성질을 가진 탄소나노튜브를 사용하여 Pt/MWCNTs 전극촉매를 합성하여 성능과 내구성을 조사하였다. 첫째, 탄소나노튜브의 Pt 담지는 담지체 표면의 소수성 성질로 인해 어렵다. 따라서 탄소나노튜브를 열적?화학적 산화 방식으로 전처리 함으로서 탄소나노튜브 표면에 카르복실기 (-COOH), 하이드록실기 (-OH), 가르보닐기 (-C=O)와 같은 친수성을 가진 작용기를 도입하였다. 다양한 전처리 온도에서 Pt/MWCNTs 전극촉매를 합성하여 탄소나노튜브의 열처리에 따른 고분자전해질 연료전지용 촉매의 표면처리 및 담지 특성을 개선하였다. 둘째, 기존의 카본블랙 담지체보다 전기화학적 산화 환경에 강한 전극을 제조하기 위하여 복합전극을 형성하였다. Pt/C 전극촉매와 Pt/MWCNTs 전극촉매를 이용하여 복합전극을 형성하여 MEA를 제조하였다. MEA의 성능, EIS와 CV 실험들은 내구성 평가 전과 후에 수행하였다. Pt/C 전극촉매 내에 내구성이 우수하다고 알려진 Pt/MWCNTs 전극촉매의 함량을 증가시켜가며 실험을 진행하였으며 Pt/MWCNTs가 증가 할 수록 상용촉매와 비교하여 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 5 wt%의 Pt/MWCNTs 전극촉매만 함량 되어도 Pt/C 전극촉매보다 개선된 내구성을 보였으며, 60 wt%의 Pt/MWCNTs 전극촉매의 함량 시 초기 성능을 재현할 수 있었다. Pt/MWCNTs 전극촉매는 Pt/C 전극촉매보다 높은 결정성 구조로 인해 Pt/C 촉매보다 우수한 내구성을 보였으며, 두 전극촉매의 복합전극은 Pt/MWCNTs 전극촉매의 비율이 높아짐에 따라 전극의 결정성이 좋아져 부식 저항성을 개선 할 수 있었다. 이러한 경향은 Raman, XRD, TEM 분석들의 결과와 동일하였다. 셋째, Pt/C 상용촉매 기반에 micro graphite(MG)를 전도성 첨가제로 첨가하여 복합전극을 제조하였다. SEM을 통하여 복합전극의 표면을 확인하였으며 4point-prove를 통해 MG가 첨가 될수록 전도성의 향상을 확인 할 수 있었다. 전극 제조 시 많은 전도성 첨가제는 고 전류 영역에서 일부 mass transfer limitation이 유발하였으나, 일정한 양의 전도성 첨가제를 사용한 복합전극에서는 상용촉매와 유사한 거동 및 성능이 개선되는 것을 확인 할 수 있었다. MG는 전지의 성능과 단위질량당 Pt의 활성을 증가 시켰으며, 이는 전극에서 Pt가 저 로딩 되더라도 MG를 첨가하여 전지의 성능을 개선할 수 있음을 보여준다.
PEMFC is a device that converts the fuel's chemical energy into electrical energy. Nowadays, fuel cell technology has done continuous research but commercialization is expected to be for a long time. Platinum in fuel cell is good future prospects. However, the demand curve of platinum will increase ...
PEMFC is a device that converts the fuel's chemical energy into electrical energy. Nowadays, fuel cell technology has done continuous research but commercialization is expected to be for a long time. Platinum in fuel cell is good future prospects. However, the demand curve of platinum will increase dramatically and Efficient and cheap alternative catalyst is needed in a future. In addition, Low performance, efficiency, and lack of durability are also problem in fuel cell. The burden of time and expense is considerable that comparing the characteristics are each other among those various types of manufacturing catalysts and electrodes The corrosion of the carbon support is regarded as one of the most important factors in the performance deactivation of PEMFC. Electrode use distributed platinum on high surface area of supported carbon. Long time driving of fuel cell causes oxidation by electrochemical oxidation and also causes low performance by decreasing electrocatalyst activity area. Recently, the much work was researched in order to solve the problems associated with the carbon corrosion and most attention has focused on the use of graphitized carbon as a catalyst support. At first, Loading of Pt into the MWCNTs support is difficult due to the hydrophobic nature of the MWCNTs surface. Thermal oxidation method was applied to MWCNTs surface treatment. The pretreatment of MWCNTs was widely used to induce oxygen functional groups onto the MWCNTs to obtain hydrophilic surfaces. The oxygen functional groups, such as carboxyl group (-COOH), hydroxyl group (-OH), and carbonyl group (_-C=O), is introduced due to the chemical oxidation in mixed solution of sulfuric and nitric acid. The effect of various temperatures on functional group was confirmed. Thermal behavior of oxidation is closely related to the manufacture of highly dispersed Pt/MWCNTs. The Second, typically carbon black used supporter of electrocatalyst. Hybrid electrode was manufactured for developing durability by oxidation. MEA manufactured using that The hybrid electrode used between Pt/C and Pt/MWCNTs catalyst. The increased concentration of Pt/MWCNTs catalyst was confirmed and it shows that each hybrid electrode has better durability than Pt/C. When Pt/MWCNTs added 60 wt% in electrode, cell performance shows same tendency to initial performance. The Pt/MWCNTs has developing graphitized carbon in electrode. This trend is the same as the results of the measured electrochemical, Ramanm XRD, and TEM analysis. Increasing Pt/MWCNTs shows that has strong corrosion resistance in electrode At last, to enhance the performance of an MEA, a commercial Pt/C catalyst with micro graphite (MG) was used. The 40 wt% Pt/C catalyst content was reduced about 5, 15, 30 and 60 wt% at the cathode. MG was added as a reduced weight percent of Pt/C. MG added at a greater proportion increased the overall resistance, and the material performance decreased due to interference of mass transfer. Increased MG showed good conductivity. High conductivity improved the performance with low contact resistance. The results indicated that the lowest polarization resistance and best cell performance were measured at Pt/C-MG15. Consequently, MG has the potential to improve electrode structure and cell performance and can decrease manufacturing costs due to reduced Pt content.
PEMFC is a device that converts the fuel's chemical energy into electrical energy. Nowadays, fuel cell technology has done continuous research but commercialization is expected to be for a long time. Platinum in fuel cell is good future prospects. However, the demand curve of platinum will increase dramatically and Efficient and cheap alternative catalyst is needed in a future. In addition, Low performance, efficiency, and lack of durability are also problem in fuel cell. The burden of time and expense is considerable that comparing the characteristics are each other among those various types of manufacturing catalysts and electrodes The corrosion of the carbon support is regarded as one of the most important factors in the performance deactivation of PEMFC. Electrode use distributed platinum on high surface area of supported carbon. Long time driving of fuel cell causes oxidation by electrochemical oxidation and also causes low performance by decreasing electrocatalyst activity area. Recently, the much work was researched in order to solve the problems associated with the carbon corrosion and most attention has focused on the use of graphitized carbon as a catalyst support. At first, Loading of Pt into the MWCNTs support is difficult due to the hydrophobic nature of the MWCNTs surface. Thermal oxidation method was applied to MWCNTs surface treatment. The pretreatment of MWCNTs was widely used to induce oxygen functional groups onto the MWCNTs to obtain hydrophilic surfaces. The oxygen functional groups, such as carboxyl group (-COOH), hydroxyl group (-OH), and carbonyl group (_-C=O), is introduced due to the chemical oxidation in mixed solution of sulfuric and nitric acid. The effect of various temperatures on functional group was confirmed. Thermal behavior of oxidation is closely related to the manufacture of highly dispersed Pt/MWCNTs. The Second, typically carbon black used supporter of electrocatalyst. Hybrid electrode was manufactured for developing durability by oxidation. MEA manufactured using that The hybrid electrode used between Pt/C and Pt/MWCNTs catalyst. The increased concentration of Pt/MWCNTs catalyst was confirmed and it shows that each hybrid electrode has better durability than Pt/C. When Pt/MWCNTs added 60 wt% in electrode, cell performance shows same tendency to initial performance. The Pt/MWCNTs has developing graphitized carbon in electrode. This trend is the same as the results of the measured electrochemical, Ramanm XRD, and TEM analysis. Increasing Pt/MWCNTs shows that has strong corrosion resistance in electrode At last, to enhance the performance of an MEA, a commercial Pt/C catalyst with micro graphite (MG) was used. The 40 wt% Pt/C catalyst content was reduced about 5, 15, 30 and 60 wt% at the cathode. MG was added as a reduced weight percent of Pt/C. MG added at a greater proportion increased the overall resistance, and the material performance decreased due to interference of mass transfer. Increased MG showed good conductivity. High conductivity improved the performance with low contact resistance. The results indicated that the lowest polarization resistance and best cell performance were measured at Pt/C-MG15. Consequently, MG has the potential to improve electrode structure and cell performance and can decrease manufacturing costs due to reduced Pt content.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.