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문제 정의
- 본 연구에서는 알칼리 수전해용 전극으로 사용하기 위해 시판중인 stainless steel과 Ni계열 메탈의 특성평가 연구를 진행하였다. 특성평가는 1～9M(mol/L)의 KOH와 NaOH 수용액을 전해액으로 하고 산소가 발생하는 양극을 가정하여 전류밀도에 따른 전위를 측정함으로서 진행하였다.
제안 방법
- 5A/cm2의 전류밀도 영역에서 전극의 전위를 측정함으로서 진행하였다. 또한 전극의 전기화학적 특성측정 전후의 표면변화를 SEM를 이용하여 측정하였다.
- 또한 측정이 종료한 뒤 SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 전극 표면을 관찰함으로서 부식여부를 확인하였다.
- 전위를 측정하기 위해 다른 쪽 비이커에 같은 전해액을 주입하고, 염교로 연결한 뒤 기준전극(Ag/AgCl)을 이용하였다. 비교전극과 측정전극은 백금 와이어로 체결하여 정전류/정전압계에 연결하였다.
- 시판중인 3종류의 메탈의 전극 특성을 측정하여, 알칼리 수전해용 전극으로서 사용가능성에 대해 평가하였다.
- 알칼리 수전해용 전극으로 사용하기 위하여 시판중인 3가지 전극(SUS-316, Ni, NiFe)의 전기화학적 특성을 평가하였다. 전극의 전기화학적 특성평가는 1～9M KOH와 1～9M NaOH 전해액을 이용하여 0.
- 전극의 전기화학적 특성은 전류를 10mA～2A로 10초 동안 인가하면서 전위를 측정함으로서 진행하였다.
- 알칼리 수전해용 전극으로 사용하기 위하여 시판중인 3가지 전극(SUS-316, Ni, NiFe)의 전기화학적 특성을 평가하였다. 전극의 전기화학적 특성평가는 1～9M KOH와 1～9M NaOH 전해액을 이용하여 0.018～3.5A/cm2의 전류밀도 영역에서 전극의 전위를 측정함으로서 진행하였다. 또한 전극의 전기화학적 특성측정 전후의 표면변화를 SEM를 이용하여 측정하였다.
- 64cm2이었다. 전위를 측정하기 위해 다른 쪽 비이커에 같은 전해액을 주입하고, 염교로 연결한 뒤 기준전극(Ag/AgCl)을 이용하였다. 비교전극과 측정전극은 백금 와이어로 체결하여 정전류/정전압계에 연결하였다.
- 본 연구에서는 알칼리 수전해용 전극으로 사용하기 위해 시판중인 stainless steel과 Ni계열 메탈의 특성평가 연구를 진행하였다. 특성평가는 1～9M(mol/L)의 KOH와 NaOH 수용액을 전해액으로 하고 산소가 발생하는 양극을 가정하여 전류밀도에 따른 전위를 측정함으로서 진행하였다.
대상 데이터
- 백금 메쉬를 비교전극(counter electrode)으로 사용하였고, 측정전극을 비교전극과 같이 전해액이 담겨있는 비이커에 설치하였다. 전극의 면적은 0.
- 염교(salt bridge)는 3.5M의 KCl(99.5%, YAKURI) 포화수용액과 한천을 1:4 비율로 혼합한 뒤, 전극의 전압에 영향을 주는 기포가 발생하지 않도록 주의하면서 실리콘 튜브에 주입하고 상온에서 건조하여 제작하였다6).
- 전극의 전압을 측정하기 위하여 측정용 전해액으로 1～9M(mol/L) KOH(93.0%, DAEJUNG), 1～9M NaOH(97%, KANTO) 수용액을 제조하여 사용하였다.
성능/효과
- 1) 1～9M NaOH 전해액에서 측정한 전류밀도 변화에 따른 전위는 1M과 9M에서 가장 높은 값을 보였다.
- 1.8A/cm2의 전류밀도와 5M NaOH 전해액에서의 측정한 각 전극의 전위 값은 거의 비슷한 값을 보였다. 3.
- 3) SEM을 이용하여 NaOH 전해액에서 전극의 전기화학적 특성 측정 전후의 표면을 관찰한 결과, SUS-316에서 부식이 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
- 8 A/cm2의 전류밀도와 7M KOH 전해액에서의 측정한 각 전극의 전위 값은 조금씩 다른 값을 보이고 있으나, 크게 높거나 낮은 값은 보이지 않았다. 3.5 A/cm2의 전류밀도와 7M KOH 전해액에서의 측정한 각 전극의 전위는 NiFe가 낮은 값을 보였으며, Ni와 SUS-316은 거의 비슷한 값을 보였다.
- 8A/cm2의 전류밀도와 5M NaOH 전해액에서의 측정한 각 전극의 전위 값은 거의 비슷한 값을 보였다. 3.5A/cm2의 전류밀도와 5M NaOH 전해액에서의 측정한 각 전극의 전위는 SUS-316이 높은 값을 보였으며, Ni와 NiFe는 거의 비슷한 값을 보였다.
- 4) 1～9M KOH 전해액에서 측정한 전류밀도 변화에 따른 전위는 1M에서 전압이 가장 높은 값을 보였다.
- 6) SEM을 이용하여 KOH 전해액에서 전극의 전기화학적 특성 측정 전후의 표면을 관찰한 결과, SUS-316에서 약간의 부식이 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 7) 이상의 결과로부터 본 연구에서 측정한 SUS-316, Ni, NiFe 전극 중에서 NaOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해용 전극으로는 Ni, NiFe가, KOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해용 전극으로 NiFe가 낮은 전위 값과 함께 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- KOH 전해액에서 전극 특성 측정한 후의 SUS-316의 표면은 측정 전과 비교하여, 약간 치밀해지는 것을 알 수 있었다. 이는 표면에서 부식이 일어나기 때문이라고 판단된다.
- 이는 표면에서 부식이 일어나기 때문이라고 판단된다. NaOH 전해액에서 전극 특성 측정한 후의 SUS-316의 표면은 측정 전과 비교하여, 약간 치밀해지면서 표면에 무엇인지는 확실히 알 수 없지만 결정들이 형성 되어 있는 것을 알 수 있었다. SIMS(secondary ion mass spectroscopy)에 의해 분석한 결과, 표면에서부터 내부까지 Na가 검출되었다.
- NaOH 전해액에서 전극 특성 측정한 후의 SUS-316의 표면은 측정 전과 비교하여, 약간 치밀해지면서 표면에 무엇인지는 확실히 알 수 없지만 결정들이 형성 되어 있는 것을 알 수 있었다. SIMS(secondary ion mass spectroscopy)에 의해 분석한 결과, 표면에서부터 내부까지 Na가 검출되었다. 이는 표면에서 부식이 일어나면서 Na가 SUS-316의 내부까지 침투해 들어간 것으로 판단되며, 이에 따라 표면에도 결정이 형성된 것으로 판단된다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이, 각 전극에서의 전위는 전류밀도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 또한 측정한 전극의 전위는 1M KOH 전해액에서 가장 높은 값을 보였다. 이는 1M KOH 전해액의 전도도가 다른 농도의 전해액과 비교하여 높기 때문에 전극의 전위도 높게 나타났다고 판단된다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이, 각 전극에서의 전위는 전류밀도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 또한 측정한 전극의 전위는 1M과 9M NaOH 전해액에서 가장 높은 값을 보였다. 이는 NaOH 수용액의 경우 실온에서 전도도가 가장 좋은 영역이 약 15wt.
- 이 결과로부터 NaOH 또는 KOH를 전해액으로 사용하는 알칼리 수전해의 전극으로 Ni를 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 결과로부터, KOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해를 높은 전류밀도에서 운전할 경우 전극의 전위 측면에서 NiFe를 전극으로 사용하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 이 결과로부터, NaOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해를 높은 전류밀도에서 운전할 경우 전극의 전위 측면에서 Ni, NiFe를 전극으로 사용하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있었다.
- 이상의 결과로부터 본 연구에서 측정한 SUS-316, Ni, NiFe 전극 중에서 NaOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해의 전극으로는 Ni, NiFe가, KOH 전해액을 사용하는 알칼리 수전해의 전극으로 NiFe가 낮은 전위 값과 함께 유리하다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 수소에너지는 수소의 제조, 저장, 이용기술에 관한 연구가 같이 진행되어야, 전 세계적으로 진행되고 있는 수소에너지 경제 사회로의 진입이 가능할 것이다.
- 이 결과로부터 NaOH 또는 KOH를 전해액으로 사용하는 알칼리 수전해의 전극으로 NiFe를 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
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