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캐소드 루테늄 촉매의 전기화학적 환원 처리가 고분자 전해질 연료전지 성능에 미치는 영향
Effect of Electrochemical Reduction of Ruthenium Black Cathode Catalyst on the Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.14 no.2, 2011년, pp.110 - 116  

최종호 (경일대학교 신재생에너지학과)

초록
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Ru black을 고분자 전해질 연료전지용 cathode 촉매로 사용했을 때 초기에는 연료전지 성능이 낮게 나타났으나, 일련의 실험을 거치는 동안 연료전지 성능이 점차 증가되는 것이 관찰되었다. 이는 Ru black의 전기화학적 환원으로 인한 것으로 판단되는대, Ru black 촉매에 외부에서 가해지는 전압과 그 전압을 가하는 시간을 변화시켜 본 결과 0.1V를 30분 이상 가하게 되면 Ru black의 성능 향상이 극대화 되었다. 성능 향상 원인을 확인해 보기 위해 수소 분위기 하에서 환원된 Ru black과 XRD patterns을 비교한 결과, Ru black 촉매가 전기화학적 환원처리를 통해 완전히 metallic Ru으로 전환되었다고 판단하기는 어려웠다. 또한 Ru black을 이용해 전기화학적 환원 처리 전후의 CO stripping voltammetry를 비교해 본 결과, Ru black 중에 일부는 metallic Ru으로 환원되었지만, 일부의 Ru이 반대편 전극으로 제거됨을 확인할 수 있었다. 이 과정 중에 제거된 Ru이 연료전지 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있을 것이라 생각된다. 따라서, 본 연구에서 제시된 Ru black의 전기화학적 처리 과정을 통해서 일부의 Ru은 반대쪽 전극으로 제거되고, 산화된 상태로 존재하는 일부의 Ru이 metallic Ru으로 변화됨으로서 연료전지 성능이 향상된 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ru black was used for cathode catalyst in polymer electrolyte membrane fuel cell which showed low performance at the initial test. However, it was observed that the performance of Ru black cathode was dramatically enhanced after certain kind of experiment compared with initial one. It might be due t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 상용 Ru black의 경우 금속상태의 Ru만 존재하는 것이 아니라 상당 부분은 산화물 또는 수산화물 형태로 존재하므로, 전기화학적 환원 처리를 통해 이런 산화물 또는 수산화물 상태의 Ru이 metallic 상태로 바뀌면서 연료전지 성능이 크게 증가했다고 볼 수도 있다. 따라서 Ru black 촉매의 연료전지 성능 향상 원인을 찾아보기 위해 다양한 조건으로 Ru black 촉매에 외부 전압을 가해주면서 연료전지 성능이 어떻게 변화하는지 관찰해 보았다.
  • 즉, 전기화학적으로 환원 처리된 Ru black을 사용한 MEA의 성능증가 현상을 전적으로 부분적으로 산화되어 있는 Ru black이 metallic Ru으로 환원되었기 때문에 성능이 향상되었다고 보기에는 설명이 불충분해 보인다. 따라서 앞서 성능 향상 요인의 하나 일 것이라고 제시한, 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 일부 Ru 성분의 제거에 대한 증거를 찾기 위해 실험을 수행해 보았다.
  • 따라서 본 연구에서는 Pt을 대신할 ORR 촉매를 찾기 위한 연구의 일환으로 Ru black을 사용했을 때 초기에는 연료전지 성능이 비교적 낮았으나, 시간이 지남에 따라 연료전지 성능이 향상된 것을 발견하였다. 이러한 성능 향상의 원인이 전기화학적 환원 처리 때문일 것이라 판단하고, Ru black을 수소 분위기 하에서 환원 처리된 것과 비교하면서 전기화학적 환원 처리가 연료전지 성능에 미치는 영향이 무엇인지 확인하려고 한다.
  • 이는 부분적으로 산화된 Ru 입자를 전기화학적 처리 방법에 의해 환원시킴으로 연료전지 성능이 크게 향상되었다고만 판단할 수도 있다. 하지만 단순히 환원처리 만에 의한 결과인지, 아니면 앞서 제시한대로 일부 Ru이 제거됨에 따른 결과인지를 확인해 보기 위해 몇 가지 분석을 더 실시해 보았다.

가설 설정

  • 우선 anode, cathode 모두 Pt black을 Nafion® 1135에 코팅한 후 MEA로 체결하여 working electrode로서 Pt electrode의 1st CO stripping voltammetry를 측정한 후, MEA를 분리하여 reference electrode로 표시된 Pt electrode 대신에 Ru electrode와 다시 MEA를 제작한다. 그런 다음 그 MEA의 Ru electrode에 전기화학적 환원 처리라고 표현한 방법대로 30분 동안 0.1 V를 가하면 이 과정 동안 Ru electrode 중에 일부는 환원이 되고 그 중 일부의 Ru 입자들은 반대쪽 working electrode라고 표시된 Pt electrode로 이동할 것이라고 가정한다. 마지막으로 MEA를 다시 분리해서 Ru electrode를 제거하고 맨 처음 사용했던 reference electrode인 Pt electrode와 결합하여, working electrode인 Pt electrode의 2nd CO stripping voltammetry를 측정하여 그 결과를 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
백금-루테늄 블랙에서 발생하는 연료전지의 성능을 감소시키는 현상은? 또한 백금-루테늄 블랙(Pt-Ru black)은 메탄올 산화반응에 대한 활성이 아주 우수하기 때문에 DMFC anode 촉매로 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 Pt-Ru black 역시 메탄올 크로스오버 현상과 마찬가지로 연료전지 운전을 하게 되면 Pt-Ru 중에서 일부 Ru이 녹아 나와 고분자 전해질을 통해 넘어와서 cathode 촉매로 사용된 Pt 표면에 흡착되는 Ru crossover 현상이 보고된 바 있다.20-22) 이러한 현상이 발생하면 cathode 촉매인 Pt가 부분적으로 Ru으로 덥히게 되어 ORR에 대한 활성이 떨어져 궁극적으로 연료전지 성능이 감소되기 때문에 이러한 Ru crossover 현상은 완전히 방지되거나 적어도 최소화해야만 한다.
비백금계 ORR 촉매에는 어떤것이 있는가? 8-13) 따라서 DMFC에서는 백금과는 달리 메탄올에 대한 활성이 전혀 없거나 활성이 아주 낮은 대체 ORR 촉매의 개발이 필요하다. 현재까지 개발된 비백금계 ORR 촉매는 크게 금속산화물, 전이금속 칼코겐 화합물, 전이금속과 고분자의 복합체 등이 있다.14-19) 페롭스카이트 형태의 금속산화물이 ORR 촉매로 많이 연구된 바 있으나 Pt 촉매에 비해 성능이 너무 낮다는 단점이 있으며,14) 전이금속과 고분자의 복합체 연구는 R.
메탄올 크로스오버란? 이러한 DMFC도 환원극(cathode)에서 일어나는 산소 환원 반응용(Oxygen Reduction Reaction, ORR) 촉매로 백금을 사용하고 있는데, 이 경우는 촉매의 가격적인 문제 외에 고려되어야 할 사항이 하나 더 있다. DMFC에 사용된 고분자 전해질은 액체인 메탄올이 전혀 통과할 수 없는 물질이 아니기 때문에 산화극(anode)에서 산화되어야 할 메탄올이 고분자 전해질을 통해 cathode로 넘어오는 메탄올 크로스오버 (methanol crossover) 현상이 발생하게 된다. 메탄올 크로스오버 현상이 발생하게 되면 cathode 촉매로 사용된 백금이 메탄올을 산화시키기 때문에 혼합전위(mixed potential)가 발생하여 연료전지 성능과 효율을 낮추게 된다.
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참고문헌 (28)

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  18. M. Lefevre, J. P. Dodelet, and P. Bertrand, ' $O_2$ Reduction in PEM Fuel Cells: Activity and Active Site Structural Information for Catalysts Obtained by the Pyrolysis at High Temperature of Fe Precursors' J. Phys. Chem. B, 104, 11238 (2000). 

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  20. K. -H. Choi, K. -S. Lee, T. -Y Jeon, H. -Y. Park, N. Jung, Y. -H. Chung, and Y. -E. Sung, 'High Alloying Degree of Carbon Supported Pt-Ru Alloy Nanoparticles Applying Anhydrous Ethanol as a Solvent' J. Electrochem. Sci. Tech., 1, 19 (2010). 

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  23. K. -A. Starz, K. Ruth, P. Biberbach, and R. Mclntoch, 'Process for preparing an anode catalyst for fuel cells and the anode catalyst prepared therewith' US Patent 6,797,667 (2004). 

  24. K. Hiroshima, T. Asaoka, Y. Ohya, T. Noritake, H. Kato, and T. Nagami, 'Electrode catalyst for fuel cell and process for producing the same' US Patent 6,911,278 (2005). 

  25. Y. S. Kim, J. -H. Choi, and P. Zelenay, 'Method of improving fuel cell performance by removing at least one metal oxide contaminant from a fuel cell electrode' US Patent 7,575,824 (2009). 

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  27. H. A. Gasteiger, N. Markoviæ, P. N. Ross, and E. J. Cairns Jr., 'Carbon monoxide electrooxidation on well-characterized platinum-ruthenium alloys' J. Phys. Chem., 98, 617 (1994). 

  28. H. N. Dinh, X. Ren, F. Garzon, P. Zelenay, and S. Gottesfeld, 'Electrocatalysis in direct methanol fuel cells: in-situ probing of PtRu anode catalyst surfaces' J. Electroanal. Chem., 491, 222 (2000). 

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