PEMFC에서 ORR에 성능향상을 위한 새로운 촉매 개발 Development of new catalysts for enhancement in performance of oxygen reduction reaction (ORR) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs)원문보기
비정질활성탄소 Vulcan XC-72R에 백금 (Platinum - Pt)이 올라간 전극촉매제는 현재 연료전지용 촉매로서는 최고라고 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 백금만을 계속 사용하게 된다면 연료전지의 상용성 측면에서 볼 때에 지구에 존재하는 백금의 부족현상이 심각하게 발생할 것이므로 이를 대체할만한 촉매 개발이 중요하다. 특히, 연료전지 공기극 (...
비정질활성탄소 Vulcan XC-72R에 백금 (Platinum - Pt)이 올라간 전극촉매제는 현재 연료전지용 촉매로서는 최고라고 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 백금만을 계속 사용하게 된다면 연료전지의 상용성 측면에서 볼 때에 지구에 존재하는 백금의 부족현상이 심각하게 발생할 것이므로 이를 대체할만한 촉매 개발이 중요하다. 특히, 연료전지 공기극 (Cathode)의 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR) 촉매는 연료전지의 성능을 결정하는 동시에 에너지 전환 효율 및 연료전지의 원가를 결정하게 된다. 그래서 이러한 백금 촉매를 대신할 비귀금속(non-precious metal) 촉매 제조에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFCs)의 성능 향상을 위한 방법으로 백금촉매 및 백금기반 합금촉매가 연료전지의 산소환원반응 및 연료전지성능에 에 미치는 영향을 평가 및 연구하였다. 우선, 탄소지지체에 합금촉매 PtM(Ni, Co, Cu)을 합침법을 통해 합성한 후, 물리화학적 분석 (XRD, XPS, FT-IR) 및 구조적 분석 (SEM, TEM)을 하여 합금촉매의 합금정도와 구조를 측정/계산하였다. 또한 전기화학적 분석 (CV, EIS, Polarization Curve 및 LSV) 을 통해 촉매들의 산소환원반응 활성도, 촉매들의 안정성, 그리고 연료전지 성능 등을 측정하였다. 모든 분석들은 현재 사용 중인 상용 Pt/C(40wt% Pt on Vulcan XC-72R)와 그 결과를 비교하였다. 그 결과, PtM/C들의 산소환원반응 촉매활성도는 높은 oxygen-M 결합에너지와 낮은 M-M 결합에너지 때문에 Pt/C보다 더 높았다. 특히, PtNi/C는 Pt/C보다 단위무게(g)당 백금량이 더 적음에도 불구하고 전기화학적 분석을 하였을 때 더 좋은 한계전류밀도, 반응전류밀도, 반파전위, 환원전위와 최대파워밀도를 나타내었다. 결론적으로, 분자전해질 연료전지에서 공기극의 촉매 재료 개선으로서 백금합금촉매의 적용은 기존 공기극 촉매와 비교해서 백금촉매 사용량을 줄임으로써, 가격 경쟁력을 높였고 아울러 백금과 합금금속간의 시너지 효과에 의해 연료전지 성능을 높였음을 알 수 있었다.
비정질 활성탄소 Vulcan XC-72R에 백금 (Platinum - Pt)이 올라간 전극촉매제는 현재 연료전지용 촉매로서는 최고라고 해도 과언이 아닐 것이다. 그러나 백금만을 계속 사용하게 된다면 연료전지의 상용성 측면에서 볼 때에 지구에 존재하는 백금의 부족현상이 심각하게 발생할 것이므로 이를 대체할만한 촉매 개발이 중요하다. 특히, 연료전지 공기극 (Cathode)의 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR) 촉매는 연료전지의 성능을 결정하는 동시에 에너지 전환 효율 및 연료전지의 원가를 결정하게 된다. 그래서 이러한 백금 촉매를 대신할 비귀금속(non-precious metal) 촉매 제조에 관한 많은 연구들이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFCs)의 성능 향상을 위한 방법으로 백금촉매 및 백금기반 합금촉매가 연료전지의 산소환원반응 및 연료전지성능에 에 미치는 영향을 평가 및 연구하였다. 우선, 탄소지지체에 합금촉매 PtM(Ni, Co, Cu)을 합침법을 통해 합성한 후, 물리화학적 분석 (XRD, XPS, FT-IR) 및 구조적 분석 (SEM, TEM)을 하여 합금촉매의 합금정도와 구조를 측정/계산하였다. 또한 전기화학적 분석 (CV, EIS, Polarization Curve 및 LSV) 을 통해 촉매들의 산소환원반응 활성도, 촉매들의 안정성, 그리고 연료전지 성능 등을 측정하였다. 모든 분석들은 현재 사용 중인 상용 Pt/C(40wt% Pt on Vulcan XC-72R)와 그 결과를 비교하였다. 그 결과, PtM/C들의 산소환원반응 촉매활성도는 높은 oxygen-M 결합에너지와 낮은 M-M 결합에너지 때문에 Pt/C보다 더 높았다. 특히, PtNi/C는 Pt/C보다 단위무게(g)당 백금량이 더 적음에도 불구하고 전기화학적 분석을 하였을 때 더 좋은 한계전류밀도, 반응전류밀도, 반파전위, 환원전위와 최대파워밀도를 나타내었다. 결론적으로, 분자전해질 연료전지에서 공기극의 촉매 재료 개선으로서 백금합금촉매의 적용은 기존 공기극 촉매와 비교해서 백금촉매 사용량을 줄임으로써, 가격 경쟁력을 높였고 아울러 백금과 합금금속간의 시너지 효과에 의해 연료전지 성능을 높였음을 알 수 있었다.
This study proposed carbon supported PtM (M = Ni, Co, Cu and Y) alloy as cathodic catalysts for PEMFCs and their ORR activity, catalytic stability and electrical performance were probed and compared with those of 40 wt. % Pt/C. Their crystal structure, elementary composition and alloying degree were...
This study proposed carbon supported PtM (M = Ni, Co, Cu and Y) alloy as cathodic catalysts for PEMFCs and their ORR activity, catalytic stability and electrical performance were probed and compared with those of 40 wt. % Pt/C. Their crystal structure, elementary composition and alloying degree were measured by XRD, EDX and TEM. According to the measurements, particle size of PtM/Cs was similar to that of Pt/C and alloying degree of PtMs was completed in a moderate level. In addition, EDX measurement indicated that PtMs existed as a stoichiometric ratio of Pt1M1. To inspect ORR activity and catalytic stability of catalysts, CV and RDE were used. In tests for measuring ORR activity, only PtNi/C showed better limiting current density, kinetic current density, half wave potential and reduction peak potential than Pt/C, while catalytic stabilities of all the PtM/Cs were better than that of Pt/C. It might be because of higher adsorption energy for oxygen-M bond and lower M-M bond energy. Even in PEMFC single cell test, maximum power density (MPD) of PEMFC single cell employing PtNi/C was better than that of PEMFC single cell employing Pt/C although other PtM/Cs showed worse MPDs. However, when the measurements were estimated as per gram Pt, the trend was totally changed, meaning that all the PtM/C catalysts showed better MPDs than Pt/C, proving that Pt particles in PtM/C were more effectively utilized than those in Pt/C. As a result, it is concluded that use of PtMs as cathodic catalysts for PEMFC is cost competitive because the amount of Pt can be saved and can lead to increase in PEMFC performance due to improvement in catalytic activity and stability.
This study proposed carbon supported PtM (M = Ni, Co, Cu and Y) alloy as cathodic catalysts for PEMFCs and their ORR activity, catalytic stability and electrical performance were probed and compared with those of 40 wt. % Pt/C. Their crystal structure, elementary composition and alloying degree were measured by XRD, EDX and TEM. According to the measurements, particle size of PtM/Cs was similar to that of Pt/C and alloying degree of PtMs was completed in a moderate level. In addition, EDX measurement indicated that PtMs existed as a stoichiometric ratio of Pt1M1. To inspect ORR activity and catalytic stability of catalysts, CV and RDE were used. In tests for measuring ORR activity, only PtNi/C showed better limiting current density, kinetic current density, half wave potential and reduction peak potential than Pt/C, while catalytic stabilities of all the PtM/Cs were better than that of Pt/C. It might be because of higher adsorption energy for oxygen-M bond and lower M-M bond energy. Even in PEMFC single cell test, maximum power density (MPD) of PEMFC single cell employing PtNi/C was better than that of PEMFC single cell employing Pt/C although other PtM/Cs showed worse MPDs. However, when the measurements were estimated as per gram Pt, the trend was totally changed, meaning that all the PtM/C catalysts showed better MPDs than Pt/C, proving that Pt particles in PtM/C were more effectively utilized than those in Pt/C. As a result, it is concluded that use of PtMs as cathodic catalysts for PEMFC is cost competitive because the amount of Pt can be saved and can lead to increase in PEMFC performance due to improvement in catalytic activity and stability.
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