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 Cells원문보기
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.
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.
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...
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 to an electrochemical treatment in which a voltage was applied to the Ru cathode for constant period time. When a constant potential of 0.1 V was applied to Ru cathode for 30 min, the fuel cell performance of Ru cathode showed the best results. In order to investigate the effect of electrochemical treatment on the performance enhancement, the characteristics of electrochemically treated Ru black was compared with that of Ru black which was reduced under $H_2$ atmosphere. From XRD results, it was turned out that Ru black was not completely converted to metallic Ru by electrochemical treatment, but it is sufficient to be one of reasons for the performance enhancement. According to the results of CO stripping voltammetry, it was observed that some Ru was removed from Ru electrode by electrochemical treatment which might have a bad effect on the fuel cell performance. The removal of some Ru from as-received Ru black by electrochemical treatment is also another reason for the enhancement of fuel cell performance.
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 to an electrochemical treatment in which a voltage was applied to the Ru cathode for constant period time. When a constant potential of 0.1 V was applied to Ru cathode for 30 min, the fuel cell performance of Ru cathode showed the best results. In order to investigate the effect of electrochemical treatment on the performance enhancement, the characteristics of electrochemically treated Ru black was compared with that of Ru black which was reduced under $H_2$ atmosphere. From XRD results, it was turned out that Ru black was not completely converted to metallic Ru by electrochemical treatment, but it is sufficient to be one of reasons for the performance enhancement. According to the results of CO stripping voltammetry, it was observed that some Ru was removed from Ru electrode by electrochemical treatment which might have a bad effect on the fuel cell performance. The removal of some Ru from as-received Ru black by electrochemical treatment is also another reason for the enhancement of fuel cell performance.
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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.
제안 방법
Ru black 촉매의 전기화학적 환원처리를 위해서는 Pt black을 anode 촉매로 사용하고 Ru black를 cathode 촉매로 사용한 MEA를 장착한 연료전지를 대상으로, anode에 수소 300 sccm, cathode에 질소 466 sccm를 상압, 상온에서 흘려 주었다. 30분 이상 경과 후 cathode에 가해 주는 전압(0.1 V, 0.2 V, 0.3 V, 0.4 V)과 시간(10초, 50초, 200초, 600초, 1800초)을 변화시키며 Ru black의 환원 정도를 다르게 조절해 보았으며 그에 따른 연료전지 성능을 비교해 보았다. 전기화학적 환원 처리된 Ru black (potential-treated Ru)과의 비교를 위해서, 또 다른 Ru black 촉매를 250도 수소 분위기 하에서 2시간 동안 환원 시킨 후 (H2-reduced Ru) 동일한 제조 방법에 따라 MEA를 제조한 후 연료전지 성능을 평가해 보았다.
Membrane-electrode assembly(MEA)는 Nafion® 1135 전해질 막에 한 쪽에 상용 Pt black 촉매(anode)를 직접 코팅하고 다른 한 쪽에 상용 Pt black 또는 상용 Ru black 촉매(cathode)를 직접 코팅하여 제조하였다.
Ru black 입자를 고분자 전해질 연료전지 cathode 촉매로 사용을 하였고, 예상치 않은 성능 증가 현상이 발견되어 그 원인을 찾기 위해 Ru 전극에 다양한 전압과 그 전압이 가해지는 시간을 바꾸어 가며 성능 변화를 관찰해 보았다. Ru black 촉매의 효과적인 처리를 위해서는 0.
그 후 연료전지를 다시 분해하여 Pt electrode를 갖는 반쪽 MEA(test Pt electrode)만을 취하였다. Test Pt electrode를 갖는 이 반쪽 MEA를 또 다른 Pt electrode를 갖는 반쪽 MEA와 결합한 후 test Pt electrode 쪽의 CO stripping voltammetry를 측정하였다(2nd CO stripping voltammetry).
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.
Reference Pt electrode의 경우 Nafion® 1135 한 쪽 면에만 Pt black이 코팅된 반쪽 MEA 2개를 제조한 후 연료전지 셀에 장착하는 힘에 의해 접합하여 한 쪽 Pt electrode의 CO stripping voltammetry를 측정한다(1st CO stripping voltammetry). 이에 반해 test Pt electrode의 경우 reference Pt electrode에서 CO stripping voltammetry 측정에 사용된 Pt electrode를 갖는 반쪽 MEA에 Ru black이 한 쪽 면에 코팅된 반쪽 MEA와 결합하고, Ru black electrode에 전압을 가하여 전기화학적 환원처리가 수행 하였다. 그 후 연료전지를 다시 분해하여 Pt electrode를 갖는 반쪽 MEA(test Pt electrode)만을 취하였다.
4 V)과 시간(10초, 50초, 200초, 600초, 1800초)을 변화시키며 Ru black의 환원 정도를 다르게 조절해 보았으며 그에 따른 연료전지 성능을 비교해 보았다. 전기화학적 환원 처리된 Ru black (potential-treated Ru)과의 비교를 위해서, 또 다른 Ru black 촉매를 250도 수소 분위기 하에서 2시간 동안 환원 시킨 후 (H2-reduced Ru) 동일한 제조 방법에 따라 MEA를 제조한 후 연료전지 성능을 평가해 보았다.
전기화학적 환원 처리방법을 통한 Ru black 촉매의 변화를 관찰해 보기 위해 Fig. 1에 나타낸 것처럼 전극을 준비하여, 서로 다른 2개의 Pt electrode의 CO stripping voltammetry를 측정해 보았다. Reference Pt electrode의 경우 Nafion® 1135 한 쪽 면에만 Pt black이 코팅된 반쪽 MEA 2개를 제조한 후 연료전지 셀에 장착하는 힘에 의해 접합하여 한 쪽 Pt electrode의 CO stripping voltammetry를 측정한다(1st CO stripping voltammetry).
사용된 MEA의 활성면적은 5 cm2이었으며, 각각의 촉매 사용량은 5 mg cm−2로 통일하였다. 제조된 MEA를 기체 확산층과 함께 연료전지 측정 셀에 체결한 후 연료전지 성능 평가 및 CO stripping voltammetry를 측정하였다.
촉매 잉크는 증류수에 일정량의 Pt black 또는 Ru black과 5% Nafion®을 첨가하여 90초 동안 초음파 분쇄기를 이용하여 분산시킨 후 hand-painting을 통해 직접 전해질 막에 코팅하였다.
대상 데이터
Ru black 촉매의 전기화학적 환원처리를 위해서는 Pt black을 anode 촉매로 사용하고 Ru black를 cathode 촉매로 사용한 MEA를 장착한 연료전지를 대상으로, anode에 수소 300 sccm, cathode에 질소 466 sccm를 상압, 상온에서 흘려 주었다. 30분 이상 경과 후 cathode에 가해 주는 전압(0.
본 연구의 연료전지 성능평가에 사용된 MEA는 anode 촉매로는 Pt black이 사용되었고, cathode 촉매는 Ru black이 사용되었다. 연료전지 성능 곡선은 연료전지 평가장치를 이용해 기록되었으며 수소와 공기의 유량은 각각 300 sccm (sccm = standard cubic centimeter per minute), 466 sccm이었고, 수소와 공기는 모두 충분히 가습된 상태로 공급되었다.
성능/효과
Ru black 입자를 고분자 전해질 연료전지 cathode 촉매로 사용을 하였고, 예상치 않은 성능 증가 현상이 발견되어 그 원인을 찾기 위해 Ru 전극에 다양한 전압과 그 전압이 가해지는 시간을 바꾸어 가며 성능 변화를 관찰해 보았다. Ru black 촉매의 효과적인 처리를 위해서는 0.1 V 전압을 30분 동안 가해준 결과 최고의 성능 향상을 보여 주었다. 이러한 성능 향상의 원인을 찾아 보기 위해 수소 분위기 하에서 환원 처리된 Ru black과 연료전지 성능 및 XRD 결과를 분석해 본 결과 일부 Ru의 환원이 확인되기는 했으나 이것이 성능향상 요인의 전부가 아닌 것으로 나타났다.
4에 나타내었는데, 전압의 변화와 마찬가지로 전압을 가해주는 시간에 따라서도 연료전지 성능이 변화하는 것으로 나타났다. 가해 주는 시간이 10초, 50초, 200초를 증가했을 때 연료전지 성능이 크게 증가했으며, 600초, 1800초로 증가했을 경우 성능 증가 폭이 감소하긴 했으나 여전히 성능이 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 0.
5는 전기화학적 환원 처리 과정을 거친 Ru black을 cathode 촉매로 사용한 MEA와 수소 분위기 하에서 환원 처리된 Ru black을 cathode 촉매로 사용한 MEA의 연료전지 성능결과를 나타낸 것이다. 두 가지 방법에 의해 처리된 Ru black의 경우, 아무 처리도 하지 않은 Ru black에 비해 성능이 높게 나타나는 것은 쉽게 확인할 수 있었다. 하지만 두 가지 환원 방법에 따른 성능 차이를 살펴보면, 촉매의 활성 차이에 의한 성능 차이가 확연히 드러나는 저전류밀도 영역에서는 성능의 차이가 크게 나지 않았으나, 연료의 확산에 의해 성능의 차이가 드러나는 고전류밀도 영역에서 약간의 성능 차이가 확인되었다.
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 원인을 찾아 보기 위해 수소 분위기 하에서 환원 처리된 Ru black과 연료전지 성능 및 XRD 결과를 분석해 본 결과 일부 Ru의 환원이 확인되기는 했으나 이것이 성능향상 요인의 전부가 아닌 것으로 나타났다. 또한 전기화학적 처리 방법으로 Ru black를 처리하기 전과 후의 CO stripping voltammetry 측정해 봄으로써 전기화학적 처리 과정 동안 Ru electrode에서 반대편 electrode로 일부의 Ru이 이동하였음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 Ru black을 cathode 촉매로 사용하여 비교적 높은 성능을 얻기 위해서는 전기화학적 처리 과정이 필요하며, 그 과정 동안 일부 산화되어 있는 Ru은 metallic Ru으로 환원이 되고, 연료전지 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 일부 Ru 성분들은 반대편 전극으로 제거되는 것으로 파악된다.
본 연구의 연료전지 성능평가에 사용된 MEA는 anode 촉매로는 Pt black이 사용되었고, cathode 촉매는 Ru black이 사용되었다. 연료전지 성능 곡선은 연료전지 평가장치를 이용해 기록되었으며 수소와 공기의 유량은 각각 300 sccm (sccm = standard cubic centimeter per minute), 466 sccm이었고, 수소와 공기는 모두 충분히 가습된 상태로 공급되었다. 연료전지 장기 성능 측정의 경우 0.
우선, 아무 처리하지 않은 Ru black을 촉매로 사용한 연료전지 성능결과를 살펴보면 그 성능이 Pt black을 cathode 촉매로 사용한 연료전지 성능결과에 비해 현격히 떨어짐을 알 수 있었다.
하지만 두 가지 환원 방법에 따른 성능 차이를 살펴보면, 촉매의 활성 차이에 의한 성능 차이가 확연히 드러나는 저전류밀도 영역에서는 성능의 차이가 크게 나지 않았으나, 연료의 확산에 의해 성능의 차이가 드러나는 고전류밀도 영역에서 약간의 성능 차이가 확인되었다. 위 실험을 통해 Ru black을 전기화학적 환원 처리를 하게 되면 수소 분위기 하에서 환원 처리를 한 Ru black 보다 성능이 훨씬 더 우수하다고 표현할 수는 없지만 수소 분위기 하에서 처리된 만큼의 성능 향상 효과는 가져 올 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 두 Ru black 입자의 구조를 분석해 보기 위해 실시한 XRD 결과를 Fig.
위의 두 가지 실험을 통해 Ru black을 cathode 촉매로 사용한 경우 연료전지 테스트 하기 전에 0.1 V 근처의 전압을 1800초 이상 가해 주게 되면 연료전지 성능이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이는 부분적으로 산화된 Ru 입자를 전기화학적 처리 방법에 의해 환원시킴으로 연료전지 성능이 크게 향상되었다고만 판단할 수도 있다.
또한 전기화학적 처리 방법으로 Ru black를 처리하기 전과 후의 CO stripping voltammetry 측정해 봄으로써 전기화학적 처리 과정 동안 Ru electrode에서 반대편 electrode로 일부의 Ru이 이동하였음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 Ru black을 cathode 촉매로 사용하여 비교적 높은 성능을 얻기 위해서는 전기화학적 처리 과정이 필요하며, 그 과정 동안 일부 산화되어 있는 Ru은 metallic Ru으로 환원이 되고, 연료전지 성능에 나쁜 영향을 미칠 수 있는 일부 Ru 성분들은 반대편 전극으로 제거되는 것으로 파악된다. 이를 잘 활용한다면 Pt보다 가격이 저렴한 Ru을 연료전지용 촉매로서의 이용을 현실화 할 수 있을 것으로 기대된다.
1 V 전압을 30분 동안 가해준 결과 최고의 성능 향상을 보여 주었다. 이러한 성능 향상의 원인을 찾아 보기 위해 수소 분위기 하에서 환원 처리된 Ru black과 연료전지 성능 및 XRD 결과를 분석해 본 결과 일부 Ru의 환원이 확인되기는 했으나 이것이 성능향상 요인의 전부가 아닌 것으로 나타났다. 또한 전기화학적 처리 방법으로 Ru black를 처리하기 전과 후의 CO stripping voltammetry 측정해 봄으로써 전기화학적 처리 과정 동안 Ru electrode에서 반대편 electrode로 일부의 Ru이 이동하였음을 확인하였다.
이상의 결과를 통해 Ru black을 cathode 촉매로 사용하여 연료전지를 평가했을 때 전기화학적 환원처리법을 거치게 되면 연료전지 성능이 많이 증가함을 확인할 수 있는대 이 때 성능 증가의 요인 중 하나는 부분적으로 산화된 Ru 입자들이 metallic Ru으로 환원되기 때문이며, 또 다른 하나는 성능에 안 좋은 영향을 미칠 수 있는 일부 Ru 성분들이 제거되기 때문인 것으로 판단된다.
가해 주는 시간이 10초, 50초, 200초를 증가했을 때 연료전지 성능이 크게 증가했으며, 600초, 1800초로 증가했을 경우 성능 증가 폭이 감소하긴 했으나 여전히 성능이 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 0.1 V의 전압이 가해지더라도 Ru black이 상당한 구조적 변화를 보이기 위해서는 1800초 이상의 시간이 필요함을 알 수 있었다.
1 V로 전압이 감소함에 따라 연료전지 성능이 차례대로 증가됨을 알 수 있었다. 특히 0.2 V가 가해진 경우 급격한 성능 증가를 보였으며, 0.1 V를 가하면 조금 더 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 즉, 0.
하지만 Ru black을 사용한 MEA의 경우 며칠 동안 연료전지 성능평가와 cyclic voltammetry를 이용한 촉매 활성 평가를 거치는 동안 연료전지 성능이 눈에 띄게 증가함을 확인할 수 있었다. 특히 Ru black 촉매의 CO 내피독성을 테스트해 보는 CO stripping voltammetry 측정 이후에 연료전지 성능이 크게 증가됨을 확인하였다. 선행 연구에 따르면 DMFC anode 촉매로 사용되는 Pt-Ru black 촉매의 Ru crossover 현상을 줄이기 위한 방법으로 Pt-Ru black 촉매에 일정시간 동안 전압을 가해줌으로 인해 crossover될 가능성이 있는 Ru을 미리 제거할 수 있다고 보고된 바 있다.
우선, 아무 처리하지 않은 Ru black을 촉매로 사용한 연료전지 성능결과를 살펴보면 그 성능이 Pt black을 cathode 촉매로 사용한 연료전지 성능결과에 비해 현격히 떨어짐을 알 수 있었다. 하지만 Ru black을 사용한 MEA의 경우 며칠 동안 연료전지 성능평가와 cyclic voltammetry를 이용한 촉매 활성 평가를 거치는 동안 연료전지 성능이 눈에 띄게 증가함을 확인할 수 있었다. 특히 Ru black 촉매의 CO 내피독성을 테스트해 보는 CO stripping voltammetry 측정 이후에 연료전지 성능이 크게 증가됨을 확인하였다.
7 V이상에서 나타났다. 하지만 Ru electrode와 결합한 후 전기화학적 처리과정을 거친 후 다시 CO stripping voltammetry 측정한 2nd CO stripping 결과를 살면 보면 CO 탈착 곡선이 0.5 V 정도에서부터 나타나기 시작하고 최고 피크값 역시 0.6 V 근처에서 나타났다. 또한 탈착 곡선의 모양도 sharp한 탈착 곡선이 아니라 broad한 탈착 곡선이 나타남을 알 수 있다.
두 가지 방법에 의해 처리된 Ru black의 경우, 아무 처리도 하지 않은 Ru black에 비해 성능이 높게 나타나는 것은 쉽게 확인할 수 있었다. 하지만 두 가지 환원 방법에 따른 성능 차이를 살펴보면, 촉매의 활성 차이에 의한 성능 차이가 확연히 드러나는 저전류밀도 영역에서는 성능의 차이가 크게 나지 않았으나, 연료의 확산에 의해 성능의 차이가 드러나는 고전류밀도 영역에서 약간의 성능 차이가 확인되었다. 위 실험을 통해 Ru black을 전기화학적 환원 처리를 하게 되면 수소 분위기 하에서 환원 처리를 한 Ru black 보다 성능이 훨씬 더 우수하다고 표현할 수는 없지만 수소 분위기 하에서 처리된 만큼의 성능 향상 효과는 가져 올 수 있음을 확인하였다.
앞 서 언급한 대로 아무런 처리를 하지 않은 Ru black 촉매를 사용한 경우 연료전지 성능이 매우 낮게 나타났다. 하지만 전기화학적 환원처리라고 표현할 수 있는 과정을 통해 0.4 V의 전압이 가해진 경우에는 연료전지 성능에 큰 차이가 없지만 0.3 V, 0.2 V, 0.1 V로 전압이 감소함에 따라 연료전지 성능이 차례대로 증가됨을 알 수 있었다. 특히 0.
후속연구
이를 잘 활용한다면 Pt보다 가격이 저렴한 Ru을 연료전지용 촉매로서의 이용을 현실화 할 수 있을 것으로 기대된다.
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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