직접메탄올 연료전지 (DMFC)의 핵심 구성 요소 중에서 하나는 고분자 전해질막과 촉매층 (연료극과 공기극)으로 구성된 전해질/전극 접합체 (MEA)이다. 그중에서 촉매층은 브러싱법, 전시법, 스프레이 코팅법, 스크린 프린팅법과 같은 다양한 방법을 사용하여 carbon paper나 carbon cloth등과 같은 전극 지지체 위에 코팅한다. 그러나 이러한 촉매 코팅방법들은 전극 지지체 위에 촉매를 균일한 두께로 코팅하기 어렵고, 촉매의 손실이 많으며, 또한 코팅 시간이 많이 필요하다는 단점들이 있다. 본 연구에서는 DMFC용 MEA의 전극층을 바코팅 방법 (bar-coating method)을 사용하여 한 번에 원하는 양의 촉매가 코팅되도록 제조하였다. 이렇게 제조한 전극 촉매층 표면과 단면의 형태를 SEM을 사용하여 관찰하였다. 제조한 MEA의 성능과 저항은 단위전지와 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였다.
직접메탄올 연료전지 (DMFC)의 핵심 구성 요소 중에서 하나는 고분자 전해질막과 촉매층 (연료극과 공기극)으로 구성된 전해질/전극 접합체 (MEA)이다. 그중에서 촉매층은 브러싱법, 전시법, 스프레이 코팅법, 스크린 프린팅법과 같은 다양한 방법을 사용하여 carbon paper나 carbon cloth등과 같은 전극 지지체 위에 코팅한다. 그러나 이러한 촉매 코팅방법들은 전극 지지체 위에 촉매를 균일한 두께로 코팅하기 어렵고, 촉매의 손실이 많으며, 또한 코팅 시간이 많이 필요하다는 단점들이 있다. 본 연구에서는 DMFC용 MEA의 전극층을 바코팅 방법 (bar-coating method)을 사용하여 한 번에 원하는 양의 촉매가 코팅되도록 제조하였다. 이렇게 제조한 전극 촉매층 표면과 단면의 형태를 SEM을 사용하여 관찰하였다. 제조한 MEA의 성능과 저항은 단위전지와 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였다.
The key component of a direct methanol fuel cell (DMFC) is the membrane electrode assembly (MEA), which comprises a polymer electrolyte membrane and catalyst layers (anode and cathode electrode). Generally the catalyst layer is coated on the porous electrode supporter (e.g. carbon paper or cloth) us...
The key component of a direct methanol fuel cell (DMFC) is the membrane electrode assembly (MEA), which comprises a polymer electrolyte membrane and catalyst layers (anode and cathode electrode). Generally the catalyst layer is coated on the porous electrode supporter (e.g. carbon paper or cloth) using various coating methods such as brushing, decal transfer, spray coating and screen printing methods. However, these methods were disadvantageous in terms of the uniformity of catalyst layer thickness, catalyst loss, and coating time. In this work, we used bar-coating method which can prepare the catalyst layer with uniform thickness for MEA of DMFC. The surface and cross-section morphologies of the catalyst layers were observed by SEM. The performances and resistance of the MEAs were investigated through a single cell evaluation and impedance analyzer.
The key component of a direct methanol fuel cell (DMFC) is the membrane electrode assembly (MEA), which comprises a polymer electrolyte membrane and catalyst layers (anode and cathode electrode). Generally the catalyst layer is coated on the porous electrode supporter (e.g. carbon paper or cloth) using various coating methods such as brushing, decal transfer, spray coating and screen printing methods. However, these methods were disadvantageous in terms of the uniformity of catalyst layer thickness, catalyst loss, and coating time. In this work, we used bar-coating method which can prepare the catalyst layer with uniform thickness for MEA of DMFC. The surface and cross-section morphologies of the catalyst layers were observed by SEM. The performances and resistance of the MEAs were investigated through a single cell evaluation and impedance analyzer.
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제안 방법
전극 슬러리 제조시 이온 전도와 결합제역할을 하는 나피온 이오노머의 함량을 변화시켜 전극의 특성이 최대가 되는 조성을 조사하였다. 바코팅 방법과 브러싱 방법으로 각각 제조한 ME" 성능을 비교하였으며, 산화극에 대한 임피던스 값을 측정하여 전극 코팅 방법에 따라 촉매층 내에서 전하 및 물질 전달이 어떻게 변화하는가에 대해서 분석하였다.
S-4800, Hitachi)以로 관찰하였다. 각 산화극의 분극 저항을 정확하게 비교하기 위해 임피던스 분석기 (IM6&IM6ex, Z血er)를 사용하여 전하전달 저항을 측정하였다.
바를 이용하여 전극을 제조하는 경우에는 나피온 이오노머의 함량을 조절하여 제조한 MEA를 단위전지에 설치하여 성능을 평가하고 이오노머의 최적 함량을 결정하였다. 각각 다른 방법으로 제조한 MEA를 단위전지에 설치하여 연료극과 공기극에는 1.5 M 농도의 메탄올 연료와 공기를 각각 2ml/min와 350cc/min를 공급하면서 온도를 60<C로 일정하게 유지시키면서 성능을 측정하였다.
코팅하였다. 그리고 bar-coating machine을 사용하여 기계식으로 제조한 전극과 기존의 브러싱 공정 (brushing process) 으로 제조한 전극으로 MEA를 각각 제조하여 단위전지 성능을 측정하고 이들을 서로 비교하였다.
그리고 공기극 촉매의 나피온 이오노머 함량을 최적화시키기 위하여 연료극은 나피온 이오노머 함량을 7 wt%로 고정시킨 촉매를 브러싱 방법을 이용하여 코팅하고, 공기극은 나피온 이오노머의 함량을 15, 20, 25wt%로 달리하여 제조한 촉매 슬러리를 바코팅 방법으로 코팅하여 제조하였다. Fig.
단위전지에 사용한 MEA의 성능을 최적화시키기 위해서 연료극과 공기극의 나피온 이오노머의 함량을 각각 달리한 전극 촉매를 제조하였다. 바코팅으로 제조한 연료극과 공기극의 나피온 이오노머 함량을 최적화하기 위하여 연료극 혹은 공기극의 어느 하나는 전극을 브러싱 방법으로 코팅한 것을 사용하였다.
바코팅 방법으로 코팅한 전극으로 MEA를 제조하여 단위 전지 성능을 평가하였으며, 기존의 방법인 브러싱 방법으로 제조한 MEA와 성능을 서로 비교하였다. 또한 이들 ME® 전극의 미세구조를 관찰하고 전기화학적인 특성을 서로 비교하였다.
이러한 방법으로 제작한 단위전지의 전극 활성 면적은 9 cn?이다. 바를 이용하여 전극을 제조하는 경우에는 나피온 이오노머의 함량을 조절하여 제조한 MEA를 단위전지에 설치하여 성능을 평가하고 이오노머의 최적 함량을 결정하였다. 각각 다른 방법으로 제조한 MEA를 단위전지에 설치하여 연료극과 공기극에는 1.
바코팅 방법과 브러싱 방법으로 전극 지지체 위에 코팅한 촉매 층의 두께와 단면, 및 표면의 미세 구조는 주사전자현미경 (SEM, S-4800, Hitachi)以로 관찰하였다. 각 산화극의 분극 저항을 정확하게 비교하기 위해 임피던스 분석기 (IM6&IM6ex, Z血er)를 사용하여 전하전달 저항을 측정하였다.
바코팅 방법으로 제조한 전극의 촉매 담지량과 촉매층 두께를 관찰하기 위하여 bar-coating machine의 코팅 속도를 5 mm/s로 고정시킨 상태에서 바의 높이를 100~400|im의 범위에서 단계적으로 변화시켜 연료극 촉매층을 제조하였다. Table 1 은 바의 높이에 따라 카본종이 위에 코팅된 촉매층의 두께와 양의 변화를 나타낸 것이다.
제조하였다. 바코팅 방법으로 코팅한 전극으로 MEA를 제조하여 단위 전지 성능을 평가하였으며, 기존의 방법인 브러싱 방법으로 제조한 MEA와 성능을 서로 비교하였다. 또한 이들 ME® 전극의 미세구조를 관찰하고 전기화학적인 특성을 서로 비교하였다.
조절하였다. 바코팅 방법으로 코팅한 촉매층의 단면과 표면의 미세구조를 SEM으로 관찰하였다. 전극 슬러리 제조시 이온 전도와 결합제역할을 하는 나피온 이오노머의 함량을 변화시켜 전극의 특성이 최대가 되는 조성을 조사하였다.
바코팅 방법으로 코팅한 촉매층의 미세 구조를 확인하기 위해서 연료극 코팅 촉매층의 단면과 표면을 SEM으로 관찰하였으며, 일반적으로 많이 사용하고 있는 브러싱 방법으로 제조한 촉매 층의 미세구조와도 비교하였다.(Fig.
제조하였다. 바코팅으로 제조한 연료극과 공기극의 나피온 이오노머 함량을 최적화하기 위하여 연료극 혹은 공기극의 어느 하나는 전극을 브러싱 방법으로 코팅한 것을 사용하였다. 브러싱 방법으로 코팅한 연료극 혹은 공기극은 이오노머 함량을 7wt%로 하여 제조하였는데, 이는 브러싱 방법의 경우에는 양쪽 전극의 이오노머 함량이 7wt%일 때가 가장 높은 성능을 나타내기 때문이다.
일반적으로 많이 사용하고 있는 CCD의 경우, 촉매와 나피온 이오노머를 혼합하여 촉매 슬러리를 만들고, 이를 다공성의 카본 종이 (carbon paper) 혹은 카본천 (carbon cloth)에 고르게 코팅한 다음 전해질막 (membrane)의 양쪽에 전극을 설치하여 열간 가압 (hot pressing)하여 제조한다. 반면에 CCMe 나피온 이오노머가 포함된 촉매 슬러리를 전해질막에 직접 코팅하거나 테프론 등과 같은 전사필름에 코팅한 전극을 전해질막에 전사하는 방법으로 제조한다.
본 연구에서는 바코팅 방법을 사용하여 전극 위에 촉매를 코팅하여, 코팅한 촉매층의 두께와 촉매의 담지량을 조절하였다. 바코팅 방법으로 코팅한 촉매층의 단면과 표면의 미세구조를 SEM으로 관찰하였다.
본 연구에서는 직접메탄올 연료전지 (DMFC)의 MEA에 사용되는 전극을 바코팅 (bar-coating) 방법으로 기계식으로 코팅하여 제조하였다. 바코팅 방법으로 코팅한 전극으로 MEA를 제조하여 단위 전지 성능을 평가하였으며, 기존의 방법인 브러싱 방법으로 제조한 MEA와 성능을 서로 비교하였다.
분극 저항을 측정하기 위한 임피던스 분석에는 MEA 성능평가를 위한 단위전지의 경우와는 다르게 연료극과 공기극에 1.5 M 메탄올 연료와 수소를 각각 2ml/min와 50ml/min의 양으로 공급하였다. 임피던스의 측정 전위는 0.
6에서 성능을 평가한 MEA의 연료극 분극 (anode polarization) 곡선을 나타낸 것이다. 연료극 분극 측정을 위하여 상대전극이자 기준전극인 공기극에는 수소를 50 cc/min 로 일정 하게 공급하였으며 , 작업 전극인 연료극에는 1.5 M 메탄올 연료를 2ml/min로 공급하였다. 측정한 전압 범위는 0V 에서 0.
연료극 촉매 슬러리는 Pt-Ru black (Johnson Matthey) 촉매, 10 wt% Nafion 용액 (Dupont) 및 용매 인 propanol을 넣은 후에 이들이 서로 잘 혼합되고 분산이 잘 이루어지도록 초음파교반기로 교반시켜서 제조하였다. 제조한 촉매 슬러리는 카본 종이 (Toray Co.
우선 연료극 촉매의 나피온 이오노머 함량을 최적화시키기 위하여 공기극은 나피온 이오노머 함량을 7wt%로 고정시킨 촉매를 브러싱 방법으로 촉매를 코팅하고 연료극은 나피온 이오노머 함량을 10, 15, 20wt%로 변화시킨 촉매를 바코팅 방법으로 코팅하였다. Fig.
5로부터 바코팅 방법으로 촉매 슬러리를 코팅할 경우에는 연료극과 공기극의 나피온 이오노머의 함량이 각각 15wt%와 20wt%일때 MEA의 성능이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 이와 같은 나피온 이오노머의 함량이 되도록 제조한 연료극과 공기극 촉매 슬러리를 모두 바코팅 방법으로 코팅하여 제조한 MEA와 브러싱 방법으로 제조한 MEA를 각각 사용한 단위전지의 성능을 측정하고 이들을 서로 비교하여 Fig. 6에 나타내었다.
8은 위의 2가지 코팅 방법으로 전극을 코팅하여 제조한 MEA의 임피던스 결과이다. 임피던스는 연료극 분극 측정 방법과 동일하게 공기극에 수소를 공급하고, 연료극에는 1.5 M 메탄올 연료를 공급하면서 , 전압을 0.3, 0.4, 0.5 V로 하여 각각 측정하였다. 각각의 전압에서 측정한 셀의 저항은 모두 비슷한 값인 0.
5 M 메탄올 연료와 수소를 각각 2ml/min와 50ml/min의 양으로 공급하였다. 임피던스의 측정 전위는 0.3, 0.4, 0.5 V였으며 , 주파수 범위는 100 mHz~100 kHz로 하고, 전압 진폭은 10 mV의 조건으로 하여 측정하였다.
바코팅 방법으로 코팅한 촉매층의 단면과 표면의 미세구조를 SEM으로 관찰하였다. 전극 슬러리 제조시 이온 전도와 결합제역할을 하는 나피온 이오노머의 함량을 변화시켜 전극의 특성이 최대가 되는 조성을 조사하였다. 바코팅 방법과 브러싱 방법으로 각각 제조한 ME" 성능을 비교하였으며, 산화극에 대한 임피던스 값을 측정하여 전극 코팅 방법에 따라 촉매층 내에서 전하 및 물질 전달이 어떻게 변화하는가에 대해서 분석하였다.
교반시켜서 제조하였다. 제조한 촉매 슬러리는 카본 종이 (Toray Co.)에 일정한 두께가 되도록 코팅하였으며, 전극의 촉매 담지량이 4mgPt/cm2가 되도록 조절하였다. 공기극 슬러리는 Pt black (Johnson Matthey) 촉매를 사용하여 연료극 제조공정과 같은 방법으로 제조하였다.
이론/모형
2. The performance of MEAs prepared by brushing and by bar-coating methods.
)에 일정한 두께가 되도록 코팅하였으며, 전극의 촉매 담지량이 4mgPt/cm2가 되도록 조절하였다. 공기극 슬러리는 Pt black (Johnson Matthey) 촉매를 사용하여 연료극 제조공정과 같은 방법으로 제조하였다. 이때 공기극의 촉매 담지량은 5mgPt/cm2가 되도록 carbon paper (SGL Carbon)에 일정한 두께로 촉매를 코팅하였다.
성능/효과
있다.") 바코팅 방법을 적용하여 제조한 MEA는 전극 촉매가 전극 지지체 속으로 많이 스며들지 않기 때문에 반응에 참여하지 않는 촉매 손실이 적고, 촉매층이 균일한 두께로 코팅되어 전해질막과 접합이 잘 이루어지는 것으로 판단된다. 그리고 실제 반응사이트인 3상 계면이 많이 형성됨으로서 전기화학 반응의 활성 면적이 증가되어 브러싱 방법으로 제조된 MEA보다 전하 전달 저항이 적게 나타난 것으로 생각된다.
Fig. 4와 Fig. 5로부터 바코팅 방법으로 촉매 슬러리를 코팅할 경우에는 연료극과 공기극의 나피온 이오노머의 함량이 각각 15wt%와 20wt%일때 MEA의 성능이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 이와 같은 나피온 이오노머의 함량이 되도록 제조한 연료극과 공기극 촉매 슬러리를 모두 바코팅 방법으로 코팅하여 제조한 MEA와 브러싱 방법으로 제조한 MEA를 각각 사용한 단위전지의 성능을 측정하고 이들을 서로 비교하여 Fig.
003 Qcm을 나타내었다.”)이들 2가지 방법으로 제조한 MEA의 임피던스를 측정한 결과 전하전달 저항을 나타내는 반원의 반지름 크기가 0.3 V 전압에서는 서로 비슷하지만 (Fig. 8 (a)), 0.
5는 이렇게 제조한 MEA의 단위전지 성능을 평가한 전류/전압 곡선을 나타낸 것이다. 그 결과 연료극 촉매 슬러리의 나피온 이오노머 함량이 20wt%일 때 최고 출력밀도가 0.4 V와 0.3 V에서 각각 124 mW/ cn?와 148 mW/cm2로 가장 높았으며 , 15wt%와 25 wt% 의 경우에는 더 낮게 나타났다.
6에서 브러싱 방법과 바코팅 방법으로 코팅하여 제조한 MEA의 단위전지 최고 출력이 거의 같은 것을 알 수 있다. 그러나 높은 전압 영역에서는 바코팅 방법을 적용한 MEA가 브러싱 방법을 적용한 MEA 보다 성능이 조금 더 높게 나타났다. 브러싱 방법과 바코팅 방법을 적용한 MEA의 출력 밀도는 0.
기존의 브러싱 방법과 바코팅 방법으로 코팅한 전극을 사용한 MEA의 성능을 비교하였을 때, 바코팅 방법으로 제조한 MEA가 0.5 V, 0.4 V, 0.3 V의 전압 영역에서 더 높은. 출력 밀도를 얻을 수 있었다.
바코팅 방법으로 전극 지지체 위에 코팅하여 제조한 MEA의 연료극과 공기극 촉매 슬러리의 나피온 이오노머 함량이 각각 15wt%와 20wt%일 때 최고 성능을 얻을 수 있었다. 나피온 이오노머의 함량이 촉매의 이용률과 전극 내에서의 수소이온 이온 전도성에 영향을 미치므로 최적의 함량으로 조절하여야 하는 것을 알 수 있었다.
2(d))을 보더라도 브러싱 방법에 비해서 표면에 촉매가 더 많이 덮여진 것을 확인할 수가 있다. 바를 이용하여 촉매를 카본종이에 코팅했을 때는 브러싱했을 때와 비교하여 촉매층의 두께 (약 50 pm)가 일정하고, 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다.
바코팅 방법을 이용하여 촉매를 코팅하면, 기존의 브러싱 방법보다 촉매층을 균일한 두께로 코팅할 수 있었다. 바코팅 방법으로 전극 지지체 위에 코팅하여 제조한 MEA의 연료극과 공기극 촉매 슬러리의 나피온 이오노머 함량이 각각 15wt%와 20wt%일 때 최고 성능을 얻을 수 있었다. 나피온 이오노머의 함량이 촉매의 이용률과 전극 내에서의 수소이온 이온 전도성에 영향을 미치므로 최적의 함량으로 조절하여야 하는 것을 알 수 있었다.
4는 이렇게 제조한 MEA의 성능 곡선을 나타낸 것이다. 연료극의 나피온 이오노머 함량이 15wt%일 때, M化A의 단위전지 최고 출력밀도는 0.4V와 0.3V에서 각각 128 mW/cm2 와 153mW/cm2로 가장 높았으며, 10讽%일때는 15 wt% 보다 약간 낮게 나타났으며, 20wt%인 경우에는 더 낮게 나타났다.
출력 밀도를 얻을 수 있었다. 촉매의 코팅 방법에 따른 단위전지 성능 차이를 알아보기 위하여 SEM과 임피던스를 이용하여 미세구조와 전기화학적 특성을 분석한 결과 바코팅 방법을 이용한 경우는 촉매가 전극 지지체 안으로 거의 스며들지 않아 반응에 참여하지 않는 촉매의 손실이 적고, 또한 촉매층이 균일하게 코팅되어 전해질막과 접촉이 잘 이루어져 3상계면이 더 많이 형성되는 것으로 생각된다.
후속연구
이러한 바코팅 방법을 사용하여 촉매를 전극에 코팅할 경우 촉매의 담지량과 전극 두께를 쉽게 조절 할 수 있으며, 촉매 코팅 시간이 빠르고 간단하고 재현성 있는 기계식 공정으로 촉매를 코팅할 수 있기 때문에 자동화를 통한 대량 생산을 할 수 있을 것으로 기대된다.
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